钢管混凝土柱论文合集12篇
钢管混凝土柱论文篇1
中图分类号：TU312；TU398
文献标志码：A文章编号：1674-4764（2016）05-0020-07
Abstract：Based on the unified strength theory and the influences of intermediate principal stress and the material of tension and compression ratio were considered when coming down to the ultimate bearing capacity of square steel tube-reinforced high strength concrete column. Effective constraint coefficient and ineffective constraint coefficient were introduced to consider the different constraint functions of concrete derived from the stirrups， the constraint concrete outside steel tube was divided into effective constraint region and ineffective constraint region. The square section was equivalent to circular section to consider the double constraint function to concrete in steel tube derived from steel tube and outer steel reinforced concrete. Then a new method for the axial ultimate bearing capacity of square steel tube-reinforced concrete column was deduced. The results were in good agreement with the experimental results and the correctness of the theory formulae was proved. Influential effects of some parameters were analyzed and the analysis results showed that the ultimate bearing capacity of square steel tube-reinforced high strength concrete column increased with the increase of the side pressure coefficient. Influence coefficient of intermediate principal stress， the material of tension and compression ratio and the longitudinal reinforcement ratio， while it decreases with the increase of radius-thickness ratio.
Keywords：steel tube-reinforced concrete column；stirrup constraint； strength theory； ultimate bearing capacity
高强钢管混凝土叠合柱是由截面中部的高强钢管混凝土柱和钢管外的钢筋混凝土叠合而成的柱，也可以看成是在钢筋混凝土内置钢管混凝土而成的柱，内截面钢管形式有圆钢管、方钢管和矩形钢管，又可称为核心高强钢骨混凝土组合柱。高强混凝土有强度高、变形小的优点，但其延性差、脆性大，不利于抗震；将其与钢管结合，可以充分发挥二者的性能，同时也具有较好的变形能力、较大的刚度和良好的抗火性能等优点，经济效益良好[1-2]。
国内外对钢管混凝土已经进行了较多的研究。Evirgen等[3]通过钢管混凝土柱的轴压试验，分析了宽厚比、混凝土强度等因素对钢管混凝土柱极限承载力、延性和屈曲行为的影响；Wang等[4]基于18根圆形钢管混凝土柱轴压和偏压的试验结果，详细地介绍了该型构件的失效模式、承载能力等性能；吕学涛等[5]对圆钢管钢筋混凝土短柱进行明火试验，分析了升温时间和配筋率对受火后钢管钢筋混凝土短柱剩余承载力、刚度和延性的影响规律。而对钢管混凝土叠合柱的研究相对较少：幸坤涛等[6]利用数值分析方法对高强钢管混凝土核心短柱在轴心受压时的荷载变形关系曲线进行了全过程分析；聂建国等[7]考虑核心钢管混凝土和普通混凝土受压性能存在的明显差异，分析了混凝土体积配箍率等因素对柱协同工作的影响；龙跃凌等[8]在分析核心钢管混凝土组合柱受力机理的基础上，同时考虑圆形截面和方形截面对钢管外混凝土的影响，对核心钢管混凝土组合柱承载力进行了分析；郭全全等[9]进行了叠合柱短柱偏心受压试验，并基于试验采用截面极限平衡理论提出了叠合柱偏心受压短柱的正截面承载力公式；徐蕾等[10]利用有限元分析软件和试验结果对钢管混凝土叠合柱火灾下的温度特性和力学性能进行了研究。
目前，对于高强钢管混凝土叠合柱轴压承载力的计算，部分研究只考虑钢管对混凝土的约束作用而未考虑箍筋的约束作用；部分考虑钢管对混凝土的约束作用和箍筋对混凝土的约束作用，但均未考虑混凝土对钢管内混凝土的约束，即未考虑钢管内混凝土受到的双重约束。在实际工程中，叠合柱配箍量较多，在达到极限状态时，箍筋约束混凝土不会过分剥离，能和钢管内混凝同承担荷载。而尧国皇[11]的有限元结果也表明钢管核心混凝土受到钢管和钢筋混凝土的双重约束，其承载力比同样条件下普通钢管混凝土中混凝土要大。因此，考虑内部混凝土受到的双重约束作用是有必要的。本文以内配圆钢管的方形截面高强钢管混凝土柱为研究对象。构件处于较高应力状态时，箍筋约束混凝土角部受到约束强，边缘中部受到的约束弱，对箍筋约束混凝土利用Mander模型[12]进行有效约束区和非有效约束区的划分，推导出有效约束区系数和非有效约束区系数，同时，本文考虑钢管核心混凝土受到钢管和钢筋混凝土的双重约束效应，基于统一强度理论对钢管和钢管约束混凝土承载力分析，推导出方形截面高强钢管混凝土叠合柱的轴压极限承载力，与文献试验值对比验证，并分析了径厚比、中间主应力影响系数、材料拉压比、纵筋配筋率、侧压系数的影响特性。
1 双剪统一强度理论
俞茂宏以双剪单元体和双剪屈服准则为基础，考虑应力状态的所有应力分量以及它们对材料屈服和破坏的不同影响，建立了一个全新的强度理论和一系列新的典型计算准则。统一强度理论包含了无限多个计算准则，几乎可以适用于各种材料，应用十分方便。其表达式为[13]
2 极限承载力的计算
2.1 箍筋约束钢管外混凝土承载力
实际工程中，构件达到极限状态时，内部钢管的横向变形较小，故不再考虑钢管变形对箍筋约束混凝土的影响[1]。研究表明，方形截面的箍筋对混凝土约束较弱，且对混凝土的约束不均匀，仅在箍筋转角处对混凝土有较大的约束[8]。箍筋约束混凝土有效约束区和非有效约束区划分如图1所示。
基于文献[8]的假设：箍筋对其约束混凝土的约束应力均匀分布，则箍筋受力如图2所示。
2.3 钢管约束混凝土的承载力
基于文献[8]的结论，本文考虑钢管混凝土对钢管混凝土的约束作用。且箍筋对混凝土的约束作用均匀分布。而方钢管对于混凝土的约束效应，等同于间距为零的箍筋对混凝土的约束承载力的效应。方钢管轴压承载力的计算过程中，认为钢管对混凝土的约束也均匀分布[18]。箍筋约束混凝土和厚度与箍筋直径相同的钢管约束混凝土，二者不同的是侧面对于混凝土的约束：钢管是连续的，箍筋是间断的。本文在方钢管的基础上引入侧向约束系数ke2来考虑箍筋对混凝土约束的不均匀性，从而将箍筋约束混凝土转化为方形钢管约束混凝土。
按照截面面积和含钢率相等将方钢管的有效约束应力等效为圆形钢管混凝土的侧压力p，则混凝土和钢管受力如图3所示。
2.4 钢管混凝土叠合柱轴压承载力
在构件达到极限承载力之前，外侧的保护层混凝土早已被压碎[21]，因此，在本文计算承载力时不再考虑混凝土保护层对极限承载力的贡献。并且在构件达到极限承载力时钢管和纵向钢筋已经屈服。方形高强钢管混凝土叠合柱的承载力由箍筋约束钢管外混凝土、纵筋、钢管、钢管约束混凝土构成。计算公式为
3 算例验证与分析
3.1 计算结果对比
由于钢材的拉压强度相近，取拉压比为α=1，取k=2.1，b=1时[16]，将文献[22]和文献[23]中的部分试验数据代入式（21）中进行计算并与试验值对比，结果见表1。
3.2 影响因素分析
3.2.1 侧压系数和纵向配筋率的影响
取文献[22]中试件FZ-2和FZ-3柱为对象，取不同的侧压系数k值（1.5、2.0、2.5、3.0）以及不同的纵向钢筋配筋率（0.85%、1.15%、1.51%），得到的极限承载力的变化情况如图4、图5所示。
试件破坏时，纵筋已经屈服[8]，在一定范围内，纵向配筋率的增加会贡献更多的承载力。图中也可以看出：承载力随着纵向配筋率的增大而增大；侧压系数越大，对混凝土的约束越强，故承载力越大。经分析，k值每增大1，承载力约提高917 kN。
3.2.2 钢管径厚比对极限承载力的影响
径厚比的影响主要表现在对核心混凝土的约束作用上。径厚比不同，其对混凝土的约束作用就不同，钢管径厚比越大，其对混凝土的约束作用越弱，反之，约束作用越强。以文献[22]中FZ-1柱，采用不同的径厚比，得到的承载力变化如图6所示。
由图6可知，随着径厚比的增大，极限承载力逐渐变小，并且减小的速率越来越慢。故为获得较大的承载力，钢管的径厚比不宜过大。
3.2.3 材料拉压比α与中间主应力影响系数b的影响
以文献[22]中试件FZ-2为例进行分析，取α分别为0.8、0.9、1.0，取b分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0进行承载力的计算，如图7所示。
由图可见，在中间主应力系数b不变的情况下，承载力随着α值的增加而增加；在材料拉压比α不变的情况下，中间主应力系数b越大，承载力越高；而理论上b值越大，极限面也越大，理论与试验分析相吻合。在中间主应力增加量相同的情况下，材料拉压比越大，承载力曲线斜率越大，即承载力增加越多。综上所述，中间主应力和材料拉压比对承载力有影响，故计算时考虑二者对承载力的影响会使结果更加精确。
4 结 论
1）基于双剪统一强度理论，综合考虑了材料拉压比、中间主应力的影响，并且考虑了内部混凝土受到的双重约束作用，推导出了高强钢管混凝土叠合柱轴压承载力的计算公式。该公式能合理的考虑材料的实际性能，又能真实的反应构件各部分的受力状况。通过试验值与本文理论计算值的对比，证明本文推出的方形高强钢管混凝土叠合柱轴压极限承载力计算方法是正确的。
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钢管混凝土柱论文篇2
Abstract: This paper taking the steel tube of laminated column with steel tube combined structure mechanical characteristics and development as the starting point, from the design, construction and so on several aspects of the analysis, summed up the steel pipe of laminated column and its advantages, the development of industry of our country construction importance, as well as in structural design should give attention to the design points discuss, put forward steel laminated column structure development prospect and can work in future research in several points of attention.
Key words: steel tube composite columns; design; application
中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
0、前言
2008年在我国四川汶川发生的地震，给建筑结构的抗震性能提出了更高的要求。更多的建筑设计者和科研人员都将目光放在了组合结构上，希望借此提高我国建筑结构的抗震水平。钢管叠合柱是组合结构中的比较常用的一种结构形式。目前在我国的应用也比较广泛，沈阳万鑫大厦和沈阳和泰大厦等等都是采用了钢管混凝土叠合柱的比较成功的案例。
1、钢管混凝土叠合柱的力学特性
钢管混凝土叠合柱是由钢管混凝土和外包混凝土构成，有时候因构造上的需要会在外包混凝泥土内配置纵筋与箍筋。分析钢管混凝土叠合柱的力学特性是建立在与钢管混凝土，型钢混凝土，普通钢筋混凝土构件的对比的基础之上的。钢管混凝土叠合柱是一种由钢管混凝土与外包混凝土所组成的组合结构，它的力学性能并不是构件内部组成部分的简单叠加，而是各个部分协调工作状态下，性能的相互强化，所以它兼有钢管混凝土与普通钢筋混凝土的优点的同时，又表现出一些新的特性。
2.1 钢管混凝土叠合柱的优点
2.1.1 承载力高，使用性能好
高强混凝土虽具有强度高的优点，但是与低等级的混凝土相比缺乏足够的延性性能。使用的混凝土强度等级越高，当达到极限承载力的时候强度下降的越明显，表现出一定的脆性，不利于抗震，强度越低承载力下降越平缓。钢管的约束作用克服了高强混凝土的脆性，同时，钢管的围压力使管内混凝土的轴心抗压强度大幅度提高，充分发挥了高强混凝土受压能力高的优势。
2.1.2 延性好，抗震性能强
对于钢管混凝土叠合柱，作用在截面上的轴力设计值按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土；轴力设计值减去浇筑管外混凝土时钢管混凝土已经承受的轴力后，按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土。分配轴压力时，钢管混凝土的轴向刚度随其轴心受压承载力的提高而提高。结果，钢筋混凝土分担的轴压力比按管外、管内混凝土面积比分担的轴压力小得多。由于钢筋混凝土部分承担的轴压力小、轴压比低，通过配置适量的纵筋和箍筋，能提高整个构建的延性，增强构建在地震荷载作用下的耗能作用。
2.1.3 抗剪能力强
与普通钢筋混凝土结构相比，钢管混凝土叠合柱受剪承载力由箍筋、混凝土和核心小钢管混凝土柱及钢翅片提供。截面中部的钢管混凝土提高了柱的抗剪承载力，容易实现强剪弱弯。同时钢管混凝土的存在，可简化核芯区构造，方便施工。
2.1.4 耐火性能好
钢管混凝土叠合柱具有良好的耐火性。对于钢管混凝土叠合柱来说，外包混凝土的存在大大延缓的构件环境热量向核心钢管传递的速度，从而延长了核心钢管承载能力失效的时间，为消防救火赢得宝贵的时间。同时钢管混凝土叠合柱免去了钢管外层的防火涂层，降低的构件的防火成本。
3、钢管混凝土叠合柱的成柱特点和设计理念
在高层重载柱设计时，增强柱子承载能力和抗震性能是设计者的主导思想具体包括如下四个方面：强化、组合、约束、叠合。钢管混凝土叠合柱兼容并蓄了以上四种增强理念，将结构柱的组成材料优化配置，充分发挥每种材料的力学性能，大大减少柱截面尺寸。
3.1强化
采用强度高性能忧的材料，目前我国已经具备批量生产高强厚壁钢管的能力；在混凝土材料方面，十年前就已经研制成功高强、高弹性模量、利于泵送、 收缩量小、徐变小、早期强度高的混凝土，辽宁地区已有20多幢高层建筑在管
内采用C80～C100级自密实高强度混凝土，高强度混凝土其配制材料完全达到了国产化。
3.2 组合
叠合柱基本上是钢和混凝土的组合，主要靠混凝土承受轴压力。钢管内用的是高强素混凝土(如 C60～C100 级) ，钢管外用的是一般强度的钢筋混凝土(如C40～C60 级) 。叠合柱基本上属于混凝土结构，但由于不同材料在截面上组合时的分布位置合理，使核心混凝土和核心钢管一起主要起抗压和抗剪作用，混凝土和钢筋起部分抗压，但主要起抗弯作用。钢管主要起套箍约束作用，用量较少，用钢量远远低于同样荷载的型钢混凝土柱和钢管混凝土柱。
3.3约束
通过钢管约束管内素混凝土，提高其轴压承载力和塑性，又通过管外钢筋混凝土约束核心区的钢管混凝土，可充分利用钢管混凝土的短柱轴压承载力。关于钢管对管内混凝土的约束增强作用，在钢管混凝土的文献中已有详细论述。
3.4 叠合
利用时间差进行截面优化组合，达到竖向轴向力的合理分配。混凝土理论证明，柱子的抗震延性控制，实质上是控制柱子在设计阶段(小震组合)的压应
变值不应过大；无论普通混凝土柱或组合柱，在偏压破坏时的最大压应变均发生在截面的边缘，大震时当边缘混凝土的压应变超过极限压应变值 ( 01003～01003 3)时，则产生压溃现象，导致截面破坏。
4、钢管混凝土叠合柱结构在我国使用情况
仅沈阳市近几年就有多个采用 C100级钢管混凝土叠合柱的工程，下面将有代表性的几个案例介绍给大家：沈阳富林广场地上建筑30层，总建筑高度达到125米，总建筑面积为8万平方米，主体结构为框架筒体结构 ，外框柱间距8层以上为4.5m ，8层以下转换为9m，采用框支叠合柱，2001年完成叠合柱施工，为我国第一次在钢管内采用 C100 自密实混凝土的施工案例。沈阳远吉大厦地上结构为28层，总建筑高度为96.1米，总建筑面积为2.43万平方米，采用地下室逆作法，从地下2层到地上5层为框支层，采用叠合柱，地上6层以上为剪力墙结构，2002年完成叠合柱施工，2005年建成使用。沈阳贵和回迁楼，地上结构28层，总建筑高度89.45米，总建筑面积5.1万平方米，该结构的特点是大底盘上设双塔楼，塔楼为剪力墙结构，底部4层大底盘采用框支叠合柱2002年完成叠合柱施工，2005年建成使用；沈阳万鑫大厦主塔40层，副塔34层，主塔总高度180米，副塔高度148米，总建筑面积19.8万平方米。主体结构采用框架-筒体结构，塔楼均采用用叠合柱 ，最大柱边长由于采用叠合柱的结构其由原设计的1600mm减为1200mm，大大减少了结构占用的空间， 最大钢管直径为864mm，壁厚为22mm，采用Q345B结构钢管，2005年完成叠合柱施工，2006年结构封顶 ，当年为沈阳市最高建筑。沈阳宏发国际茗城，地上结构32层，建筑总高度110米，总建筑面积5万平方米，主体结构采用框剪结构，每单元中4个受力最大的柱截面尺寸为1200×1200叠合柱，2006年完成叠合柱施工，2006年末主体建成。
5、结语
钢管组合结构的研究才起步很短的时间，目前的研究成果已经表明钢管组合结构具有很好的力学性能，目前的研究结论也为设计工作和大面积推广提供了基础理论。由于该结构的复杂性，本人认为需要对如下问题给予重视：
5.1 何能更好的提高混凝土和钢管接触面的连接强度，以保证钢管和混凝土的协同工作是十分重要的问题。
5.2 钢管混凝土从具体操作上还需要深入研究，钢管在施工中成为封闭的容器，施工中要保证钢管内混凝土的质量，首先就要求密实度，混凝土密实度不够，在上部荷载的作用下容易产生局部失稳，会产生严重破坏后果；
5.3 采用有限元软件进行模拟得出的结论是可靠的，可以为钢管混凝土叠合柱进一步的力学性能分析提供基础，并且为此类结构的工程设计提供相应的依据。随着我国经济的发展，钢结构的广泛应用，组合结构特别是钢管混凝土叠合柱结构将在未来我国工程建设中发挥很重要的作用。
参考文献：
钢管混凝土柱论文篇3
一、高层建筑结构承重柱的种类
1、钢与混凝土结构的互补性充分发挥了他的优势，它的主要类型如下：
箍筋约束混凝土柱。根据配筋构造形式的不同，可分为普通箍、井字箍、井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍柱。箍筋约束混凝土柱的受力机理是利用复合钢箍或螺旋钢箍约束核心混凝土受压时的横向应变，使核心混凝土处于三向受压状态，从而提高混凝土强度，增加延性。这种类型柱在设计使用时，柱截面需做成圆形，适用性和灵活性差；采用焊接钢箍时，焊接麻烦，用钢量大，同时，钢箍约束核心混凝土横向应变有限，柱承载力提高和延性能的改进也是有限的。
钢纤维混凝土柱。钢纤维混凝土是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短纤维组合而成的复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的扩展，使其各项物理力学性能都比普通混凝土有明显的提高和改善。试验研究表明，随着钢纤维含量提高，混凝土极限压应变明显增大。在其他各项条件基本相同的情况下，掺入适量钢纤维能够明显提高构件的延性。
钢管混凝土柱。根据裁面形式不同，可分为方钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱和多边形钢管混凝土柱。钢管混凝土是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的一种组合结构材料，它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约，使其具备了优异的工作性能：承载力高、塑性和韧性好、经济效果好。采用钢管混凝土结构替代钢结构柱，可节约钢材50%左右；若替代钢筋混凝土柱，则在用钢量大体相同的情况下可减小柱截面面积50%左右。相应节约大量混凝土。
钢骨混凝土柱。该类型柱是指在钢筋混凝土柱中配置钢骨，同时配有构造钢筋及少量受力钢筋。配置钢骨的形式可分为实腹式和空腹式。不同形式的钢骨混凝土柱截面形式不同。钢骨混凝土柱不受最大配筋率限制，混凝土中配置较多的钢材，能有效地减少柱截面尺寸，满足建筑功能要求。同时，钢骨可以承担施工荷载，可作为施工荷载的承力系统。
分体柱。该类型柱是将钢筋混凝土短柱采用隔板将一个整截面柱分成2个或4个等截面小柱。各小柱独立配筋，梁柱节点仍为一个整体。试验研究表明，对钢筋混凝土短柱采用分体柱的方法可以实现变“短柱”为“长柱”的设想，框架柱破坏形态由剪切型转变为弯曲型，延性明显提高，但柱承载力略有下降，因此柱截面尺寸不仅没有减小，反而略有增大。
高强混凝土柱。高强混凝土是指混凝土强度等级为C50-C80的混凝土。由于其抗压强度高，使钢筋混凝土柱的承载力大幅度增加，在相同的荷载下可减小构件的截面尺寸，增大使用空间，避免短柱出现。应用较高强度等级混凝土时，需考虑施工条件的可行性。
二、高层建筑结构承重柱的轴压比限值
柱中轴压比是影响延性的主要因素之一，而影响混凝土柱延性的主要原因在于混凝土部分所分担的轴压力。确定一个合适的轴压比限值，以使混凝土柱的抗震延性得到满足，十分重要。同时轴压比是影响承重柱的破坏形态和变形能力的重要因素。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）为了保证钢筋混凝土柱具有足够的延性，对柱的轴压比限值做出了规定，希望框架发生大偏心受压破坏，保证框架柱在地震作用下发生大变形时具有较好的延性，从而保证框架结构有足够的变形能力。实现框架大震不倒的抗震设计目标。表1是建筑抗震设计规范对钢筋混凝土柱轴压比的限值。
表1钢筋混凝土柱轴压比的限值
对于箍筋约束混凝土柱，采用井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍钢筋混凝土柱，轴压比限值可增加0.10，但应保证最低配箍率的要求。
(2)高强混凝土柱材料的性能
在材料的性能上，高强混凝土延性比普通混凝土延性差，在外荷作用下容易发生脆性破坏，但通过适当的配筋构造措施，用高强混凝土制作的构件延性同样可以满足设计要求，因此，其轴压比限值可不降低。
钢纤维混凝土柱的性能。与普通混凝土类似，存在大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两种破坏形态。当钢纤维掺入量在1%-2%范围内，钢纤维混凝土抗压强度提高幅度较小。参照钢筋混凝土框架柱轴压比限值理论分析，钢纤维混凝土柱轴压比限值可略有提高。
钢管混凝土柱的性能。基于钢管混凝土压弯构件的水平力和位移恢复力特性的理论分析结果，钢管混凝土构件用于高层建筑中时，可采取限制长细比的办法，不必限定轴压比。
钢骨混凝土柱的性能，相关研究根据钢骨混凝土柱正截面承载力和低周期反复水平力作用下的静力试验结果，从钢骨混凝土柱界限破坏时内力的平衡条件出发，推导出轴压比的理论计算公式，经简化后提出了实用计算公式。计算表明，钢骨混凝土柱的轴压比限值一般比钢筋混凝土柱的轴压比限值高25%-50%。
分体柱的性能。由于 “短柱”变为“长柱”，实现了框架柱的破坏形态的转变，因此，其轴压比不应受到限制。
三、改善短柱抗震性能的对策
改进配筋构造型式，加强核心混凝土有效约束，如配置螺旋箍筋、复式箍筋、斜向交叉配筋等。（1）提高构件承载力，减小轴压比，如钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱和高强混凝土柱等；（2）改进材料性能，提高混凝土变形能力，如钢纤维混凝土柱等；（3）采用分体柱，变短柱为长柱。
四、高层建筑结构承重柱的造型与合理化建议
在工程实际应用中，经常选用的型钢、钢管、高强混凝土组合而成的复合柱、如型钢高强混凝土柱、钢管高强混凝土柱、双层钢管混凝土柱、充满型型钢混凝土柱等。
钢管混凝土柱论文篇4
1 钢管混凝土结构的特点及与传统结构的对比分析
1. 1 结构面积减小，有效使用面积增加
在建筑工程中钢管混凝土通常用做柱子，由于钢管混凝土是延性材料，在地震区可以做到不受轴压比的限制，只控制其长细比，因此，柱截面面积可减少很多，有效使用面积增大，结构自重减轻在50%以上，因此，地震作用和地基荷载均可减小，从而经济有效地解决了我国建筑工程领域长期存在而未能解决的“胖柱”问题。
1. 2 施工简便，可大大缩短工期
钢管混凝土柱和普通混凝土柱相比，免除了支模、拆模、绑扎钢筋或焊接钢筋骨架等工序，省工省时；和普通钢柱相比，不用节点板，焊缝少，构造简单。缩短工期，提前投产，其综合经济效益较好。
1. 3 同等承载力条件下有更大的经济效益
钢管超高强混凝土柱的造价比普通混凝土柱的造价降低30%左右；钢管高强混凝土柱的造价比普通混凝土柱的造价偏高或大略相等。可见，采用钢管超高强混凝土柱有更大的经济效益。
1. 4 耐火性能好
钢管混凝土柱（空心钢柱用混凝土填实）有较高的耐火能力，因为钢柱吸热后有若干热量会传递到混凝土部分，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。组合梁的耐火能力也会提高，因为钢梁的温度会从顶部翼缘把热量传递给混凝土而降低。
2 钢管混凝土结构目前存在和需要进一步解决的问题
从现有的文献资料来看，国内外对钢管混凝土的研究主要集中在结构设计、静力学性能、动力学性能等方面，而真正对材料的研究相对较少。材料与结构是一体不可分的，有了良好的材料设计，才会有良好的结构性能，而目前钢管混凝土所出现的一系列问题如施工不稳定、脱空、膨胀性能低、混凝土力学性能达不到要求等都可以先从材料方面着手找到解决问题的方法。以下几个方面是有待解决的问题。
2. 1 材料的要求高，成本提高
混凝土特别是高强度混凝土的配制较困难，目前，强度等级在C100以上的混凝土仍处于试验室阶段，高强度钢材的应用在一定程度上提高了成本。
2. 2 材料的自身性质
钢管混凝土在收缩、徐变、温度等影响下的材料自身性质还需做系统全面的研究。
2. 3 复杂受力状态
复杂受力状态如弯、剪、压、扭共同作用时构件的计算方法还没有完全确定，造成设计时只能简单地忽略构件的受扭和受剪，并加大构件承载力的富裕度来处理。
2. 4 节点性能的研究
钢管混凝土结构工程采用的节点形式有很多样。按材料分，现浇钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱节点，钢梁与钢管混凝土柱节点；按梁柱间的弯矩传递情况来分，有刚接节点、铰接节点和弹性连接节点。目前，关于节点的试验和理论研究严重滞后于实际工程的应用。
2. 5 动力性能的研究
钢管混凝土尤其钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土的耐疲劳性能和抗震性能需做进一步研究。
2. 6 钢结构防护技术的要求
钢结构防护包括防火、防腐、防锈。钢结构体系房屋造价高的主要原因是钢结构的防护技术要求较高，费用较高。
3 钢管混凝土结构的应用现状和应用前景
我国于上世纪50 年代末开始进行钢管混凝土组合结构的研究，主要集中在钢管中浇灌混凝土的内填充型钢管混凝土结构。目前，在钢管混凝土组合结构力学性能和设计方法、施工技术、耐火性能等方面展开了比较系统的研究工作，取得了巨大成就，其构件性能、理论研究和实际应用在国际上处于领先。
1963 年在北京地铁车站首次应用了钢管混凝土柱，随后，在一些厂房的柱子中逐步得到推广应用。上世纪80年代以来这种结构材料在多层和高层建筑中得到进一步应用。自1990年在我国四川省建成了跨度110m 的下承式系杆钢管混凝土拱桥―――旺港天桥以来，混凝土拱桥在我国得到了迅猛发展。广州丫髻沙大桥为主跨360m的钢管混凝土带悬臂中承式刚架系杆，拱的跨径突破了300m大关；四川省巫山长江大桥为跨径400m的钢管混凝土拱桥，这两座桥梁的修建，标志着我国钢管混凝土拱桥的研究与应用整体水平已经提升至一个新的高度。钢管混凝土拱桥在我国迅速发展，并先后颁布了有关钢管混凝土结构的设计规程。
国内一些大专院校、科研院所也对钢管混凝土进行了系统的研究，取得了一些成果。韩林海和钟善桐等对工程中常用的几种形状的钢管混凝土力学性能进行了探索和研究，提出了极限平衡法理论和钢管混凝土统一理论，为钢管混凝土的研究奠定了基础；哈尔滨建筑大学王湛等通过试验研究了核心混凝土为C30～C50强度等级的钢管膨胀混凝土；魏美娟等给出了钢管混凝土构件的计算条件，对构件在临时荷载作用下受弯的力学性能进行了分析和计算；武汉理工大学的胡曙光和丁庆军等针对钢管高强膨胀混凝土的特性，围绕钢管混凝土工程应用中所普遍存在的混凝土与钢管脱粘问题和大跨度结构工程的施工难题，进行了长期深入、系统的研究；韩冰等在对钢管混凝土受弯构件徐变分析的基础上，建立了长期荷载作用下钢管混凝土受弯构件的承载力计算方法，认为徐变将降低钢管混凝土受弯构件的承载力。
目前，钢管混凝土和钢管高强混凝土结构的应用很广泛，但钢管超高强混凝土还处于试验室研究阶段，随着科研成果的积累和完善，本世纪钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土结构在高层和超高层建筑中一定会有广阔的应用前景。
参 考 文 献
[1]钟善桐.钢管混凝土结构在我国的应用和发展[J ].建筑技术， 2001 （2）
钢管混凝土柱论文篇5
火灾是人们日常生活中常遇的自然或人为灾害之一，火灾发生频率高，火势发展迅速，给人们的生命财产安全带来巨大威胁。如2001年9月11日，美国纽约世界贸易中心两栋大楼受到恐怖组织的袭击，“9·11事件”使美国损失民航飞机4架、世贸双子塔楼和五角大楼一角；伤亡3465人；估计带给美国的直接损失为255亿美元，而间接损失高达2000亿美元， 2003年11月3日，湖南衡阳发生特大火灾，衡州大厦3000多平方米建筑整体倒塌， 20名消防官兵身亡。
钢管混凝土柱是一种性能十分优异的组合结构形式，由于其在结构体系中的重要性以及在实际工程中应用的广泛性，研究其抗火性能具有重要的现实意义。为此，本文对钢管混凝土柱的抗火性能研究现状进行总结。
一、国内外钢管混凝土柱抗火研究
钢管混凝土柱是指在钢管中填充混凝土而形成的柱，其工作实质在于钢管及其核心混凝土之间的相互作用和协同互补，也正是由于这种相互作用使这种结构具有较好的耐火性能。
1、国外的抗火试验研究
目前为止，国外关于火灾下钢管混凝土柱抗火性能试验研究较多， 主要研究试验结果表明：
（1）影响钢-混凝土组合柱抗火性能的主要因素有骨料类型、长细比、构件截面、混凝土强度等。钙质混凝土的钢管混凝土柱耐火极限的实测结果离散性较小，而硅质混凝土构件耐火极限的实测结果离散性相对较大。
（2） 钢管仅在受火初期承担荷载，受火后期主要由核心混凝土承担荷载。
（3） 当构件长细比较大时，钢管混凝土柱耐火极限较低，破坏形态为失稳破坏，当构件长细比较小时，钢管混凝土柱耐火极限较高，破坏形态为强度破坏，并局部出现鼓曲和褶皱；
（4） 当轴压比较低时，钢管混凝土柱轴向膨胀变形明显，当轴压比较高时，柱轴向膨胀变形不明显，柱耐火极限低于30min。
2、国内的抗火试验研究
国内的抗火试验起步较晚，抗火试验也相对较少，比较著名的试验有两个：韩林海试验和韩金生试验。前者主要通过对钢管带保护层来提高其耐火极限，后者在核心混凝土中配置钢筋以提高抗火性能。
（1）韩林海采用的在钢管中填充素混凝土而成的钢管混凝土柱，共选用了25个试件（圆形14个、方形3个、矩形8个）。试件两端为铰接，控制升温曲线为ISO-834标准升温曲线，试件均四面均匀受火.该组试验主要考虑了截面形式、横截面尺寸、防火涂料保护层以及偏压与轴压对比等四个因素。
通过试验发现：
1）荷载偏心距对钢管混凝土柱耐火极限的影响不大。
2）防火保护层厚度对钢管混凝土构件的耐火极限有很大的影响，在其他条件相同的情况下，保护层厚度越大，构件耐火极限越长。
3）构件截面直径对钢管混凝土柱耐火极限有较大影响，构件在各自的火灾设计荷载作用下，直径越大，耐火极限越长。
4）钢管混凝土构件由于核心混凝土的吸热作用，及在火灾作用下钢管及其核心混凝土间的协同互补作用，使其具有较好的耐火性能，只要进行适当的防火保护即可达到要求的耐火极限。
（2）韩金生试验
该试验是没有防火保护的配筋钢管混凝土柱的火灾试验，选用5个试件，1个钢管素混凝土柱和 3个配筋钢管混凝土柱以及1个测温用短柱B1，同样按照标准升温曲线升温。
通过试验发现：
（1）在受火条件下，由于钢管，温度迅速升高，强度损失严重，钢管壁的厚度对耐火极限的影响不大。在受火较短时间内钢管已经基本上退出工作了。
（2）试件的破坏是由弯曲变形急剧增加造成的， 所有试件的最终破坏形态均为弯曲破坏。
（3）配筋量的多少对其抗火性能有着显著的作用，一方面，埋置在混凝土内部的钢筋升温较慢，在火灾下可保持足够的承载能力，直接提高柱的耐火极限；另一方面，加配的箍筋和纵筋对核心混凝土的约束作用和销栓作用可以改善核心混凝土火灾下的受力性能， 间接提高钢管混凝土柱的耐火极限。
二、理论研究
1、温度场计算
温度场计算理论较成熟，对于钢管混凝土柱，一般采用有限元法，包括ANSYS、ABAQUS等大型有限元软件以及学者们自编的有限元软件，也有部分学者采用有限差分法，还有学者采用解析法或其他经验公式法。
2、结构构件抗火分析方法
（1）ANSYS、ABAQUS、DYNA3D等大型有限元软件
国外，Ding J， WangY C和 Hong Sangdo分别采用ANSYS和ABAQUS有限元软件对圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱抗火性能进行分析。
国内，查晓雄采用DYNA3D有限元软件对圆钢管混凝土轴压柱抗火性能进行分析。王卫华运用ABAQUS对圆钢管混凝土柱的耐火性能进行计算分析，计算时未考虑钢材高温蠕变和混凝土瞬态热应变，计算结果与实验结果比较总体偏于安全。
（2）自编有限元程序
WangY.C采用其自编的有限元程序FIREFRAME对无侧移钢管混凝土柱的抗火性能进行分析，通过建立无侧移框架模型分析柱有效长度、轴力和弯矩等因素对其耐火极限的影响。
韩林海利用自编有限元程序计算分析钢管混凝土柱截面的温度场，分析火灾荷载比、材料强度、截面含钢率、截面尺寸、构件长细比和荷载偏心率等参数对标准火灾下钢管混凝土柱的耐火极限和承载力的影响规律，理论结果与试验结果总体吻合。
东南大学韩金生根据Delphi和VF语言自编了数值计算有限元程序来模拟钢管混凝土柱截面内的温度场，计算中考虑了水分、接触热阻和高温瞬态热应变的影响， 程序计算结果与试验结果符合得较好。
（3）纤维模型法
Lie TT和KodurV K R分别基于采用纤维模型法，提出了一种计算圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱耐火极限的简化计算公式。该公式中考虑了火灾下作用在构件上荷载的大小、混凝土骨料类型、构件有效计算长度、截面尺寸和混凝土强度等影响。
Yang Y F采用纤维模型法对火灾下中空夹层钢管混凝土偏压柱的极限承载力进行了计算，并提出了中空夹层钢管混凝土柱耐火极限和防火保护层厚度的简化计算方法。
三、尚需解决的问题：
1、材料热-力耦合本构关系
在火灾作用下，钢管混凝土柱构件截面会形成不均匀的温度场，同时材料性能在高温下会不断恶化，其温度效应和结构效应是同时存在的。由于火灾下组合结构构件截面受火的不均匀性，其存在明显的截面应力重分布和构件间的内力重分布，同时已有的研究和火灾案例表明，结构可能在降温阶段破坏，此时结构受火时间较长，结构抗火分析中钢材的蠕变、混凝土的高温徐变和瞬态热应变不能忽略，因此需建立考虑升、降温的多轴滞回应力状态下的高温热-力耦合材料本构关系。
2、基于整体性能和升降温全过程的结构抗火分析计算理论
钢管混凝土柱构件中的混凝土和钢管中存在相互作用，混凝土和钢材间存在粘结-滑移。因此，有必要建立考虑火灾高温对钢管与混凝土约束套箍作用的弱化、对钢与混凝土间粘结-滑移性能的弱化、甚至高温导致的钢与混凝土分离、考虑升降温全过程的抗火分析计算理论。
3、“三水准”结构抗火设计与灾后结构损伤评估
火灾下，钢管混凝土柱是结构的最不利位置之一，与地震作用下结构的最不利位置是一致的，因此结构抗火设计原则可以基于结构抗震中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计原则。故在结构抗火设计中提出“小火不坏、中火可修、大火不倒”的抗火设计原则，在火灾后评估工作中建立“小火维修、中火加固、大火重建”的结构评定准则及相应的火灾损伤指标评定体系，具有十分重要的理论意义和实用价值。
参考文献：
[1]韩林海，杨有福，霍静思.钢管混凝土柱火灾后剩余承载力的试验研究[J].工程力学，2001（6）：100～109.
[2]韩林海，贺军利，吴海江，韩庆发.圆形截面钢管混凝土柱耐火性能的试验研究[J].土木工程学报，2000，33（3）：31-36.
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[4]韩林海.钢管混凝土结构[M]北京：科学出版社，2000：290-334.
[5]杨有福，韩林海，冯九斌，徐蕾，经建生，杜兰萍.钢管混凝土柱防火保护层厚度实用计算方法研究[J].钢结构，2001，16（6）：39-42.
钢管混凝土柱论文篇6
中图分类号：TU398文献标识码：A
Research on ccentrically compressive of concrete-filled tubular CFRP-steel stub column
Chen Da-wei
Institute of Engineering Design, Chang’an University
The circular concrete -filled tubular CFRP-steel stub column under eccentrically compressive is studied based on the unified strength theory in the paper. The effect of intermediate principal stress on the ultimate strength for the concrete-filled tubular CFRP-steel stub column have been investigated; the ultimate bearing capacity of concrete filled CFRP-steel tube is gotten after the tube is plastic with the theory of Hencky’s plasticity. The ultimate load calculation formula for the concrete-filled tubular CFRP-steel stub column is derived in this paper, and can be simplified for cases without CFRP. Compared with the solution obtained in this paper and the experimental results, the good agreement can be found. The effects of the intermediate shear stress, the experimental study slenderness ratio and also the eccent ricity are all considered in the theory analysis. The analysis result further tests the applicability of the unified strength theory in the field of concrete-filled CFRP-steel tube. It has an important theory value for engineering application.
Key Word: rcular concrete -filled tubular CFRP-steel stub column; the unified strength theory; eccentrically compressive;ntermediate stress
1 引言
CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）钢管混凝土，即将片状碳纤维增强复合材料CFRP缠绕粘贴在钢管混凝土构件而成的一种新型构件，这种构件在保持了钢管混凝土基本优点的同时，又可以节省钢材的用量，尤其是高强钢材的用量，从而减轻构件的自重，还可以在一定程度上减轻钢管的腐蚀，在工程上具有良好的应用前景。
CFR钢管混凝土可以有许多种截面形式，本文将对圆形CFRP钢管混凝土柱进行偏压研究。近十年来国内外学者对圆CFRP钢管混凝土柱偏压的力学性能开展了一系列的研究，如研究了圆形CFRP钢管混凝土偏压柱试件的力学性能，主要是对其承载力的研究等。本文采用应用俞茂宏统一强度理论，对圆形CFRP钢管混凝土柱进行了研究，考虑了中间主应力对CFRP-钢管混凝土偏压柱的影响，并结合塑形全量理论的Hencky应力应变关系确定钢管进入塑形后CFRP钢管混凝土偏压柱的极限承载力，推导出CFRP钢管混凝土偏压柱的极限承载力公式，通过与文献[6]的试验结果作比较，验证了理论公式的正确性，为CFRP钢管混凝土偏压柱的承载力计算提供了一定的理论依据。
2 基本假定
对于CFRP钢管混凝土的研究假设如下：
（1）平截面假定；
（2）钢管和混凝土之间以及钢管与CFRP合成材料之间无滑移，两者之间的变形协调；
（3）钢管为理想弹塑性的薄钢管，径向应力远小于纵向应力和环向应力，故可忽略不计，和沿管壁均匀分布。
（4）CFRP合成材料当做薄膜处理，即只承受沿纤维方向（钢管环向）的拉应力。
（5）只考虑纵向平衡和变形协调条件。
3圆CFRP钢管混凝土柱偏压承载力公式
3.1统一强度理论
1991年俞茂宏在双剪强度理论的基础上，建立了一种全新的考虑中间主应力影响的适用于各种不同材料的双剪统一强度理论，它具有统一的数学模型，简单统一的数学表达式，能十分灵活地适用于各种不同特性的材料，其数学表达式为：
（1a） （1b）
式中：是一个加权参数，它反映了中间切应力及相应作用面上的正应力对材料屈服和破坏的影响，；为材料的拉压比。
3.2 CFRP钢管混凝土的弹塑性极限分析
CFRP钢管混凝土各部分的受力情况如图1所示。
图1 CFRP钢管混凝土轴压柱受力简图
由于钢管和CFRP筒是薄壁管，所以和沿薄壁均匀分布。
式中，核心混凝土的直径为，钢管的厚度为，CFRP的厚度为。因为远小于，所以式（3）中的可以用代替。核心混凝土的横截面积为。设钢管和CFRP的横截面积为，可以近试取为，
所以有：
式中为碳纤维的抗拉强度，由试验测得，为CFRP对钢管施加的竖向应力，由式（7）求得。
运用塑性全量理论的Hencky应力应变关系确定钢管进入塑性时的承载力：
（8）
（9）
其中，；。为非负的标量因子；，，，和分别为钢管的环向应变，纵向应变，弹性泊松系数，塑性泊松系数和弹性模量。根据基本假定忽略，则式（8），（9）可简化为：
（10）
（11）
式（10）除以式（11）得进入塑性阶段的横向变形系数：
（12）
将式（6）代入式（12）得：
（13）
由于，，，在塑性区，，所以将，，代入式（1a）、（1b）得：
（14）
将式（13）代入式（14）得：
（15）
由式（6）和式（15）得：
（16）
通过试验得横向变形系数和钢管约束效应系数以及CFRP约束效应系数的关系：
（17）
式中，、。
3.3 CFRP钢管混凝土柱的轴心受压承载力公式
混凝土的轴向应力与侧向压力之间的关系为：
（18）
式中，为核心混凝土的轴心抗压强度值；k为侧压力系数，钢管混凝土一般取1.5，由于混凝土的总侧向压力为，所以式（18）可化为：
（19）
由于CFRP当做薄膜处理，所以不承受竖向力，再根据纵向平衡和变形协调得CFRP - 钢管混凝土短柱所受的承载力为：
（20）
将式（7）、式（15）、式（16）代入式（20）得CFRP钢管混凝土柱的轴心受压承载力公式：
（21）
从式（21）可以看出随着的增大，即核心混凝土内摩擦角的增大，也随之增大。
3.4 偏压承载力系数，
目经过对CFRP钢管混凝土偏心受压构件力学性能已有研究的分析可知，影响偏心受压CFRP钢管混凝土构件承载力的主要因素为构件的长细比和偏心率等，故本文在计算偏心受压CFRP钢管混凝土柱的承载力时，就是在轴压承载力基础上考虑构件长细比和偏心率等因素对构件承载力的影响；其轴心受压承载力计算式为(21)，假设偏心率对偏心受压构件承载力的影响系数记为，长细比对偏心受压构件承载力的影响降低系数为。可知CFRP钢管混凝土柱偏压承载力计算公式为：
（22）
式中：， 参考文献[4]取为：
（23）
（24）
其中为偏心距； 为试件核心混凝土半径；指计算长度；D为钢管直径。
3.5 公式特例验证
如果没有CFRP筒，就只是钢管混凝土柱，即，当，，，，时，则式（22）就变为：
（25）
式（25）与文献[4]给出的计算公式完全一致。
4计算结果分析
本文的试验材料参数、、、、、CFRP的厚度为0.222mm。
从表1可以看出，本文的计算结果与文献吻合较好；还可以看出长细比和偏心距对圆形CFRP钢管混凝土柱偏压极限承载力的影响情况。
经与文献[6]中的试验数据进行了比较分析，比较结果如表1。
表1.试验数据与计算结果的比较
图2L/D与p之间的关系
图3eo与p之间的关系
5 结论
（1）本文基于双剪统一强度理论，考虑了中间主应力的影响，应用塑性理论给出了圆CFRP钢管混凝土柱偏压极限承载力公式。与文献试验值进行比较，误差在允许范围内，验证了公式的正确性。
（2）如果没有外包CFRP筒，理论公式可退化成圆截面钢管混凝土轴压短柱的计算式。
（3）在偏心距相等的情况下，构件的承载力随长细比的增大而减小；且长细比越大，承载力降低较快。
（4）在长细比相等的情况下，构件的承载力随偏心距的增大而减小；且偏心距增长越快，承载力降低越快。
参 考 文 献
[1] 钟善桐. 钢管混凝土结构[M]. 北京：清华大学出版社，2003.
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钢管混凝土柱论文篇7
中图分类号：TU391
文献标识码：A
文章编号：1674-9944(2011)11-0169-04
1钢管混凝土柱的工作机理
钢管混凝土柱是依靠内部混凝土和钢管壁共同作用,承担轴向压力和弯矩作用。钢管混凝土柱在轴向压力作用下,柱芯混凝土承担一部分压力,钢管壁承受一部分压力。另外,钢管壁对柱芯混凝土的约束,使得柱芯内部的混凝土处于三向受压状态,大大提高了混凝土抗压极限应力,促使柱芯混凝土顺纵轴的微裂缝有重新闭合的趋势,约束了混凝土的破坏。因此,钢管混凝土细微裂缝的发生和发展只有在较高的压应力下才会产生。而微柱的失稳就只有在更高的应力下才能发生,其结果提高了混凝土的抗压强度和抗变形能力。
钢管混凝土柱的工作机理具有三向受压混凝土的特点。在侧压力不太高的情况下,混凝土的破坏面主要是粗骨料和水泥砂浆的结合面。如果侧压力很高,沿骨料和水泥砂浆结合面形成的微柱始终不失稳,则混凝土的破坏就是粗骨料的破坏,混凝土粗骨料将如同处于三轴压力的岩石一样,在更高的轴向压力下,在平行于最大主压应力的平面形成第二层次的微柱。随着压应力的进一步增加,最后这些第二层次的微柱失稳而导致混凝土的破坏。
钢管与混凝土的有效结合,充分利用了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能,并利用了两者共同作用产生的合力效应,达到提高钢管混凝土柱整体抗压能力的效果。此外,利用钢管壁对内部混凝土的保护作用,减少混凝土的自然损坏,增加耐久性。
2钢管柱芯混凝土的浇筑方式
2.1泵送顶升浇筑法
在钢管接近地面的适当位置安装一个带闸门的进料支管,直接与泵车的输送管相连,由泵车将混凝土连续不断自下而上灌入钢管,无需振捣。
2.2立式手工浇筑法
将混凝土自钢管上口灌入,当管径大于350mm时,用插入式内部振捣器振捣密实,每次振捣时间不少于30s,混凝土一次浇筑高度不超过2m;当管径小于350mm时,可采用附着在钢管外壁的外部振捣器进行振捣,外部振捣器的位置应随混凝土浇灌的进展而加以调整。
2.3高位抛落无振捣法
以混凝土下落产生的动能达到振实混凝土的目的。它适用于管径大于350mm，高度不小于4m的情况。对于抛落高度不足4m的区段,应用内部振捣器振密,一次抛落量宜在0.7m3［1］。
3钢管混凝土柱的受力分析
多肢钢管混凝土柱充分利用混凝土的抗压性能、钢管格构的抗弯矩性能及其两者有效结合产生的联合效应,承受上部偏心荷载的作用。将偏心受压的作用可以分解为轴向压力和弯矩作用。本文重点分析轴向压力的作用以及多肢钢管混凝土柱的抗压性能。
收稿日期：2011-10-14
作者简介：赵永涛（1982―），男，河南南乐人，硕士，工程师，国家一级注册建造师，主要从事工程施工技术研究、工程造价、项目管理工作。
Application of Vacuum Potash Method in Desulfurization of Coke Oven Gas
Li Lin,Gao Jun
（School of Chemical Engineering,Hebei United University,Hebei,Tangshan 063009,China）
Abstract:This paper introduces the application of vacuum potash method in desulfurization process of coke oven gas,and elaborates the technological process and principles.Besides,it also makes a brief commnent on the processing features.
Key words:vacuum potash method； desulfurization； application
3.1结构受力分析的理想状态假设条件
为便于简化理论分析,在对钢管混凝土柱进行受力状态分析前,进行如下假设:混凝土内部为匀质；受压特点为截面均匀受压；混凝土与管壁结合完美,即共同作用的效用理想；管壁无缺陷,钢管壁厚薄一致,材质同一。
3.2抗压性能分析
钢管与其中的混凝同作用,主要承担上部结构施加的静荷载和可变荷载。两者结合产生的抗压强度远大于二者抗压强度的简单相加,为便于分析,将柱芯混凝土,钢管壁分别隔离研究其受压状态及破坏路径，最后在对二者共同作用所增加的抗压能力做一简单归纳。大量实验表明:钢管混凝土短试件在轴向力的作用下钢管和核心混凝土随着纵向压力的增加两者均产生较大的纵向应力和纵向应变。
3.2.1混凝土的抗压性能
F1=πr2,
式中，F1为混凝土极限承载力;r为钢管混凝土截面半径;σ0为混凝土抗压强度。当外界荷载F1＇增加到F1时,柱芯混凝土即达到破坏临界压力。继续增加F1＇,当F1＇＞F1,柱芯混凝土应力释放,导致混凝土破坏(图1)。
图1柱芯混凝土受压
3.2.2钢管壁的抗压性能
F2=πt(R+r)σ0,
式中,F2为钢管壁的极限承载力;R为钢管外径;r为钢管内径;σ0为混凝土抗压强度。当外界荷载F2＇增加到F2时,钢管壁即达到破坏临界压力。继续增加F2＇,当F2＇＞F2,钢管壁应力释放,导致钢管抗压能力急剧下降而导致破坏(图2)。
图2钢管壁受压
3.2.3钢管壁与柱芯混凝土的共同作用
钢管混凝土柱在轴向压力的作用下,钢管壁与混凝同作用的应力路径是比较复杂的。可以肯定的是,钢管壁对柱芯混凝土的约束作用,成倍提高了混凝土的抗压性能。大量的工程实际也充分证明,钢管壁对柱芯混凝土的约束作用及其对提高混凝土抗压强度起到了积极的作用。
钢管混凝土柱在轴向压力作用下,将产生横向变形。横向应变与纵向应变的关系为:
εIS=μSε3S,εIC=μCε3C
式中的ε3,ε1分别为纵向、环向应变,μ为材料的泊松比,下标S,C分别代表钢管和核心混凝土。在轴向力作用下钢管和核心砼的变形是协调的,即ε3S=ε3C。钢材的泊松μS在弹性阶段为一常数(0.283),进入塑性阶段(应力达屈服点fy时)增大至0.5而保持不变。而混凝土的横向变形系数μC则为变数,可以从低应力时的0.17增加到0.5至1.0甚至大于1.0。由上式可见,钢管混凝土在轴心压力N作用下,开始时μS>μC,故εIS>εIC,但μC在很快赶上μS,则μS=μC,而εIS=εIC,随后μC>μS,εIC>εIS。
上述分析表明钢管混凝土在轴向压力作用下混凝土向外的横向变形大于钢管向外的横向变形。钢管约束了砼,在钢管与混凝土之间产生了相互作用力,从而使钢管纵向和径向受压而环向受拉,混凝土则处于三向受压状态(图3、图4和图5)。
为便于理解,将二者共同作用所增加的部分抗压能力按下式计算:
F3=Δsσ。
式中,Δs为约束系数(与混凝土和钢管壁的弹性模量、泊松比和钢管内外径有关的综合调整系数);σ为约束应力(与混凝土抗压强度,钢管壁极限抗压应力有关的综合调整值)。
钢管壁与柱芯混凝土的共同作用,提高了混凝土的抗压强度,同时塑性性能得到了很大的改善。由原来的脆性材料转变为塑性材料,这一转变决定了钢管混凝土这种结构形式的基本性质和特点。可以将钢管混凝土柱的轴向抗压性能归纳如下:
F=F1+ F2+F3=π(R-r)tσ+πr2σ+Δsσ
4钢管混凝土柱的缺陷分析
4.1空腔
在浇筑混凝土的过程中,空气混入混凝土拌合物,大部分可以排出。少量残留的空气聚集成空腔,形成混凝土空气夹层。空气夹层的存在,导致相关截面的抗压强度减小,降低了钢管混凝土柱的整体抵抗轴向压力的能力。混凝土的配合比不当,泵送混凝土的坍落度大于180mm。由于用水量大,造成混凝土的干缩变形大而引起脱空。
4.2收缩缝缺陷
混凝土在硬化过程中,体积收缩变形引起的应力大于混凝土与钢管的粘结应力后所形成的缝隙。
4.3混凝土与管壁粘结不良
由于钢管壁和混凝土两种材质的性质差异,加上施工过程中的出现的缺陷,柱芯混凝土与钢管壁结合不良。钢管内壁的锈蚀、杂质未除尽,以及空气夹层的存在,使得柱芯混凝土和钢管壁不能有效结合。
图6钢管壁与混凝土的不完美结合
4.4混凝土缺陷
混凝土在搅拌过程中,实际投料的比值与理论配合比的偏差,以及混凝土搅拌完毕至浇筑完成的时间间隔,都是影响混凝土浇筑质量的重要因素。由此可能引起混凝土内部孔洞、离析、松散不密实。
2011年11月绿色科技第11期
4.5柱身完整性遭到破坏
柱芯混凝土浇筑的需要,在柱身开孔,破坏了钢管壁的完整性,虽经过补焊,在一定程度上弥补了孔洞导致的柱身缺陷,但无法保证柱身的抗压应力达到完整管壁的状态。柱身开孔导致钢管壁的破坏以及柱芯混凝土的孔洞（图7至图9）。
4.6混凝土与柱顶端板的收缩缝隙
柱芯混凝土浇筑完毕时(主要是顶升法存在此类现象),由于下部卸压,柱芯混凝土顶端与钢管柱端板接触部位,出现微小缝隙,加之随后的混凝土硬化收缩,使得柱芯混凝土顶端出现成片微缝（图10）。
图10混凝土与柱顶端板的缝隙
在轴心压力作用下,上部端板的应变不足以使得柱芯混凝土分担荷载,此时,钢管壁承担了所有的荷载。因此,该部位形成钢管混凝土的薄弱环节之一。假设,上述缺陷导致的抗压应力损失为σi,缺陷的数量调整系数为Si。每种缺陷导致的抗压能力损失为:
Fi=σi×Si
在某一截面的最大抗压力则为:
F(σ) =F- Fi
随着压应力的增加,首先在F(σ)=F-max(Fi)的位置,出现破坏。由于材料、施工工艺及人为因素的影响难以避免,建立在假设条件之上的理论分析与实际的应力传递路径存在偏差。实际上,在某些部位的应力分布和传递情况比理想状态要集中。在这些部位,最容易出现受压破坏的情况。另外,加上弯矩和轴向压力的共同存在,导致上述部位成为应力释放的突破点,并最终导致钢管混凝土柱的整体失稳,承载力急剧降低。
5防止钢管混凝土柱破坏的应对措施
5.1加强振捣
顶升法浇筑柱芯混凝土是依靠地泵泵送的向上推力将混凝土由下向上顶满钢管,由于重力作用,混凝土比较密实。在浇筑过程中,不得振捣,以免顶升压力不足,导致浇筑中断。高空抛落免振捣法和立式手工浇筑法施工,必须及时充分振捣,使得混入混凝土内部的空气能够及时排除,避免在钢管柱内形成空气层。
5.2注浆
对于细微缝隙,鉴于其带来的危害较大,必须及时检测,并进行压浆处理。环氧糠酮浆液可用于处理大于0.1mm的缝隙,该材料收缩率低,稳定性好,抗拉强度大于15MPa,抗压强度大于60MPa,与混凝土的粘结力大于25MPa。尤其是此压浆材料造价较低,操作方便,而且比较安全,强度较高。
另一种处理微小缝隙的方法是在其中注入甲凝浆液,甲凝浆液的粘度低,甚至比水还低,可灌性更好,可注入细微裂隙(0.05 mm),且粘结强度高,物理性能好,耐老化,其抗压强度高达60 MPa以上。由于其相对费用较高,且部分材料有剧毒,因此在施工中往往采用第一种压浆材料［3］。
5.3加强施工中的过程质量控制
钢管混凝土使用的粗骨料一般都经设计确认在一定的粒径范围内,并对水灰比、坍落度有严格要求。在拌制混凝土时必须严格按照规定进行,以免影响混凝土成型质量。为满足坍落度的要求,须加入适量减水剂,同时,为减少收缩量,掺入适量的混凝土膨胀剂。
5.4补焊
柱身开孔等造成的柱身缺陷,需要严格按照焊接质量要求,保证焊缝焊接质量,避免应力损失。使用开孔焊割掉的材料在完成混凝土浇筑后补焊到原来位置。补焊的钢板应与钢管壁齐平,不得突出钢管壁。以保证开孔部位的钢管壁在受压时应力分担均匀,保证柱身的完整性。
5.5加劲肋的合理设计
增加加劲肋主要用于钢管混凝土柱顶端板下部(图11)所示,通常将加劲肋均匀设置为四肋或六肋。加劲肋的设置,使柱顶荷载的应力传递路径改变,由原来的钢管壁和柱芯混凝土的共同承压,变为竖向加劲肋分担顶端板传递的压力。尤其是在存在柱芯混凝土顶端缝隙的情况下,能分担该水平截面内钢管壁的压力。加劲肋将分担的轴向压力,向下传递给下部的钢管壁和柱芯混凝土，从而增加了钢管混凝土柱顶端部分的抗压能力。
图11增加加劲肋
6结语
钢管混凝土柱在偏心压力的作用下,应力传递的实际路径与理论分析存在一定的偏差。由于施工工艺、材料及人为因素的影响,出现的一般缺陷足以导致钢管混凝土柱在这些缺陷部位首先破坏,以释放比较集中的压应力。并最终导致钢管混凝土柱整体失稳。因此,研究钢管混凝土柱的一般缺陷,分析其破坏机理,并提出相关应对措施,对于提高钢管混凝土的承载能力,提高钢管混凝土柱的质量水平具有借鉴意义。
参考文献：
钢管混凝土柱论文篇8
引言
工程实践表明，钢管混凝结构是一种抗压强度高、自重轻、抗震性能突出、施工方便、外形美观和造价经济的结构。现代钢管混凝土结构的广泛应用，代替了传统的在高层结构中采用普通钢筋混凝土结构，并且避免了采用普通混凝土结构造成的“肥梁胖柱”、浪费使用空间、不美观又不经济等现象[1]。
1.钢管混凝土研究现状
方钢管混凝土结构是钢管混凝土结构的一个重要分支，1964～1965年，Chapman和Neogi对圆形、矩形、方形截面钢管混凝土柱进行了较为全面的对比实验研究，标志着对方钢管混凝土应用研究的开始。方钢管混凝土结构是在钢管内填充素混凝土，利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，内填混凝土有效地提高了钢管的局部稳定性和抗火能力，而钢管对内填混凝土的约束作用又使其强度提高、塑性和韧性性能大为改善，充分发挥了两种材料的优点和潜力，可使构件截面减小，承载力提高，整体重量减轻，钢管壁板不需太厚，可大量使用国产钢材实现工厂化生产；能够大幅度节约钢材和基础费用，降低结构造价；因施工中可省去大量支模板的工作，工期可缩短1/4～1/3；环境污染小；由于柱子截面的减小，可使使用面积增加5～8%。方钢管混凝土构件外形规则，连接构造相对简单，双向受力性能较好，抗扭能力强，具有良好的经济和社会效益[2]。以方矩形钢管混凝土柱－钢梁组成的框架结构，是一种具有巨大的开发与应用前景的新型房屋体系，经国内外学者多年研究，已取得丰硕成果。
2.钢管混凝土柱节点研究
由于节点是诸多构件的力流交汇之处，节点的受力模式较之于一般构件更为复杂，特别是在地震作用下的节点受力尤为复杂，又由于节点联系着多个构件，其失效的后果比起一般的构件更为严重，因此，在工程实践中，对节点的性能应格外重视。随着钢管混凝土柱越来越多的被应用于多高层建筑，到了上个世纪90年代，由于工程应用的需要，日本率先开始方钢管混凝土柱与钢梁节点的受力性能和连接构造研究，并以日、美等国为代表的发达国家，于1993成立了“美－日地震工程合作研究计划：组合与杂交结构”组织，对钢－混凝土组合结构进行了有计划、有组织地跨国研究，其内容包括各种组织结构、构件、不同构造节点等的承载能力和抗震性能研究，取得了丰硕的成果，现正在向纵深发展。特别是在1994年美国Northridge和1995年日本阪神地震后，世界各国开始对钢结构、钢混凝土组合结构的连接进行了大量的研究，并定期在国际范围进行专题讨论交流，为各国制订相关规范和工程应用起了重要作用。在这种国际环境下，我国也结合工程应用开始了较大规模的钢管混凝土节点的研究，其中，以圆钢管混凝土柱节点的研究较多，而方矩形钢管混凝土柱节点的研究相对较少。
3.方钢管混凝土柱节点研究
方钢管混凝土柱节点根据应用的不同也分为“方钢管混凝土柱－钢筋混凝土梁节点”和“方钢管混凝土柱－钢梁节点”两大类，随着工程应用的发展，近年又出现了一些“方钢管混凝土柱与钢－混凝土组合梁节点”。方钢管混凝土柱外表相对规则，其连接构造也比较简单，但由于应用与研究较少，目前这类已开发的构造形式和研究成果远比圆钢管混凝土节点少。
3.1方钢管混凝土柱－钢筋混凝土梁节点
方钢管混凝土柱配合钢筋混凝土梁板体系在我国也存在较大的应用前景。环梁－钢承重销式连接、穿筋式连接是我国《矩形钢管混凝土结构技术规程》推荐的两种连。环梁－钢承重销式连接在钢管外壁焊半穿心牛腿，柱外设八角形钢筋混凝土环梁，梁端纵筋锚入钢筋混凝土环梁传递弯矩；穿筋式连接为在柱外设矩形钢筋混凝土环梁，在钢管外壁焊水平肋钢筋（或水平肋板），通过环梁和肋钢筋（或肋板）传递梁端剪力，框架梁纵筋通过预留孔穿越钢管传递弯矩。
3.2方钢管混凝土柱－钢梁节点
我国矩形钢管混凝土结构技术规程推荐了四种连接形式：带短梁内隔板式梁柱连接、外伸内隔板式梁柱连接、外隔板式梁柱连接、内隔板式梁柱连接。带短梁内隔板式梁柱连接，为矩形钢管内设隔板，柱外预焊短钢梁，钢梁的翼缘与柱边预设短钢梁的的翼缘焊接，钢梁的腹板与短钢梁的腹板用双夹板高强度螺栓摩擦型连接； 外伸内隔板式梁柱连接，为矩形钢管内设隔板，隔板贯通钢管壁，钢管与隔板焊接，钢梁腹板与柱钢管壁通过连接板采用摩擦型高强度螺栓连接，钢梁翼缘与外伸的内隔板焊接；内隔板式梁柱连接，为钢梁腹板与柱钢管壁通过连接板采用摩擦型高强度螺栓连接，矩形钢管混凝土柱内设隔板，钢梁翼缘与柱钢管壁焊接；外隔板式连接为钢梁腹板与柱外预设的连接件采用摩擦型高强度螺栓连接，柱外设水平外隔板，钢梁翼缘与外隔板焊接。这些钢管混凝土柱－钢梁的节点形式构造简单、整体性好、传力明确、安全可靠、节约材料和施工方便。
参考文献:
钢管混凝土柱论文篇9
0.引言
近年来，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了较多的应用。此外，近年来在多层、高层民用住宅建筑中也已开始采用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒结构体系，并且经济效益显著。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广泛。
1.钢管混凝土柱的特点
随着经济的快速增长和社会需求的不断扩大，近年来我国加工制造业也飞速发展，重型及超重型设备的需求逐年增加，与之相应的超大设备加工机械也应运而生，为了满足超大型设备的布置以及各种先进生产工艺发展的需要，促使工业厂房不断朝着大跨度、大柱距、大吨位吊车的方向发展。而钢管混凝土作为一种新兴的主要结构，以轴心受压和作偏心较小的受压构件为主的组合结构，在大型工业厂房的设计应用中也越来越显示出其突出的优点。
1.1 承载力高
钢管混凝土在轴心压力的作用下，产生纵向压应变，由此将引起钢管和其内核心混凝土的环向变形;随着压力的持续增大，钢管内核心混凝土向外扩张的变形大于钢管的直径扩张变形，这就使钢管箍住了混凝土，阻碍了核心混凝土的直径扩张。由此而产生了钢管与核心混凝土之间的相互作用力，此力称为紧箍力。这样就使钢管和核心混凝土都处于三向应力状态，从而使混凝土的抗压强度大大提高。
1.2 塑性和韧性好
这点可以使材料性能得到充分发挥，钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂应力状态，从而使混凝土的强度提高，塑性和韧性性能改善。根据对钢材和混凝土在三向应力状态下的应力应变关系的分析研究，可以得出用作受压构件的钢管混凝土，由于钢管对混凝土的紧箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的抗压强度大大提高，而且还由脆性材料转变为塑性材料，基本性能起了质的变化。同时，薄壁钢管的承载力由于薄壁的局部稳定，屈服强度常得不到充分利用。用作钢管混凝土时，内部存在混凝土，提高了薄壁钢管的局部稳定性，其屈服强度可以得到充分利用。在钢管混凝土构件中，两种材料能相互弥补对方的弱点，发挥各自的长处，因而是钢材与混凝土最佳的组合使用。
1.3 安全性能好
由于组成钢管混凝土的钢管和混凝土之间有相互贡献、协同作用和共同工作的优势，使其具有较好的耐火性。钢管混凝土的耐火极限高于钢结构，为防火而增加的保护材料比钢柱少，截面越大越优越。腐蚀面积比钢结构小，耐腐蚀性能好，防腐处理比钢结构更方便。钢管混凝土耐撞击的能力也比钢结构和钢筋混凝土结构都强。有防腐要求的厂房可优先选用钢管混凝土柱作为其下柱。
1.4 施工方便
在施工过程中，钢管可以作为其核心混凝土的模板，钢管本身就是钢筋，它兼有纵向钢筋(受拉和受压)和横向箍筋的作用，制作钢管远比制作钢筋骨架省工省料，而且便于浇灌混凝土。与传统钢筋混凝土相比，没有绑扎钢筋及支模和拆模等工序，施工简便。钢管本身又是劲性承重骨架。在施工阶段可起劲性钢骨架的作用，其焊接工作量远比一般型钢骨架为少，从而可简化施工安装工艺、节省脚手架、缩短工期，减少施工用地。
2.钢管混凝土柱的施工技术及其注意事项
我国尚未制定有关钢管混凝土结构设计方面的规定，在某种程度上制约了该类结构的推广应用。对于已经建成的钢管混凝土结构，有的采用钢筋混凝土结构的要求外包混凝土，有的按照钢结构的要求涂防火材料，缺乏科学性和统一性。因此，在理论研究和工程实践的基础上，应尽快编制适合我国国情的钢管混凝土结构规范。
钢管混凝土内的核心混凝土被钢管所包裹，所以其浇筑质量很难控制。如果钢管混凝土内核心混凝土浇筑得不密实，可能导致构件强度和刚度的降低，这种影响对轴压短构件相对较小，对轴压长构件相对较大，而对偏压构件影响最为显著。所以在混凝土的施工过程中，不仅要保证混凝土的强度，还要保证混凝土的密实度，确保其力学性能不受影响，以达到设计要求。常见的施工方法有:泵送顶升浇灌法、立式手工浇捣法或高位抛落无振捣法。钢管混凝土柱从减小变形和经济角度考虑，核心混凝土宜采用强度等级不低于C30的普通混凝土。
外包钢管宜采用无缝钢管或螺旋焊接钢管，钢管外径不应小于100mm，壁厚不小于4。钢管混凝土柱的核心混凝土浇筑后，尽量避免在其外包钢管上二次施焊，对核心混凝土性能产生影响。
钢管柱用插入式振捣棒密插短振，逐层振捣。振捣棒垂直插入混凝土内，要快插慢拔，振捣棒应插入下一层混凝土中5～10cm。振捣棒插点按梅花形均匀布置，逐点移动，按顺序进行，不得漏振，每点振捣时间不少于60s。管外配合人工木槌敲击，根据声音判断混凝土是否密实，每层振捣至混凝土表面平齐不再明显下降，不再出现气泡，表面泛出灰浆为止。钢管柱混凝土超声波检测，每4层进行一次，在混凝土强度达到100%后进行。施工综合技术简化了施工工艺，节约人工费，减少周转材料的投入，节约材料，减少施工用地，能确保工程质量，同时可缩短施工工期。
3.结束语
钢管混凝土柱外观效果很好，其用钢量及整体造价均比下柱用钢柱要低，并且由于钢管混凝土柱不易形成阴角，防腐处理非常方便。下柱可根据实际情况优先采用格构式钢管混凝土柱，钢管混凝土格构柱的用钢量，基本上是钢结构格构柱的用钢量的30%左右，大大节约了钢材。而且截面越大，下柱高度越高，其经济效益就越明显。随着钢管混凝土计算理论的不断完善，施工工艺水平的不断提高，钢管混凝土的应用一定会越来越广泛。 [科]
【参考文献】
［1］刘国玖,杰胜利,岳一民.钢管混凝土柱施工技术[J].四川建材,2010,(03).
［2］孙建安,朱晓忠.浅谈钢管混凝土工程特点及施工技术的应用[J].陕西建筑,2009,(11).
［3］常琳娜.钢管混凝土柱施工技术[J].包钢科技,2010,(02).
钢管混凝土柱论文篇10
1.概述
钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的一种结构型式。其特点就是承载力高、塑性和韧性好、耐火性能好、施工方便。在其使用之初就受到欧美日各国土木工程界的重视，竞相开发利用。新中国成立以后，我们国家也开始开发利用钢管混凝土结构技术。尤其20世纪80年代以后，钢管混凝土技术在我国的桥梁、电力等行业中有了更为广泛的应用。随后国家颁布了一系列与钢管混凝土结构技术相关的规范、规程，使钢管混凝土结构技术的应用更加规范化。
钢管混凝土结构中节点是个非常重要的部位，它起着传递和分配内力以及保证整体性的作用，对结构安全至关重要[1]。截至目前，国内外的专家学者对其的受力机理，破坏形态做了大量的研究，有了一定的认识，同时也给出了一些近似的的计算公式，但是尚有许多亟待研究和解决的问题。
2.钢管混凝土梁柱节点研究现状
对于钢管混凝土梁柱节点，按照不同的划分标准有不同的分类。按钢管混凝土柱与梁的连接类型的不同可以划分为两种，一种是钢管混凝土柱-钢梁节点，另一类是钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点。国外高层建筑中应用和研究较多的节点型式主要是钢管混凝土柱-钢梁节点[2]。而国内则主要是钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点。
2.1国外钢管混凝土梁柱-钢梁节点的研究现状
1974年，P.Ansounan[3]进行方钢管混凝土柱-工字钢梁节点连接的研究。1987年， Hiroshi和Kanatani等进行了长高强螺栓连接部分方钢管混凝土柱与H型钢梁的研究，使得钢管壁局部变形、破坏和焊接困难的问题得到了解决。1995年， Shim通过改变加强环板开口尺寸、厚度等参数，对钢管混凝土柱-H型钢梁节点的静力和滞回性能进行了试验研究。试验结果表明：内加强环板节点核心区有良好耗能能力；节点区灌混凝土的试件，变形能力和耗能能力会有所提高。1996年，Alostaz和Schneider，利用有限元方法分析了钢管混凝土柱-钢梁节点在不同的构造措施下的抗震性能。2001年，Sing-Ping Chiew利用有限元程序MARC7.0进行了单调加载的模拟分析，并通过分析数据模拟给出了节点的经验计算公式；2004年，Ricles等进行了10个大尺寸钢管混凝土柱-宽翼缘钢梁连接的中柱节点滞回性能试验，得出带内加强环式节点和带锥形翼缘板外伸T型板式节点具有抗震性能较好。2006年，Kanno，Shimizn等对带有T型内隔板的节点进行了试验研究，并提出了这种节点的设计方法。
2.2国内钢管混凝土梁柱-钢梁节点的研究现状
1加强环式节点
加强环式节点主要有四种形式：加强肋板式节点、加强环承重销式节点、加强环穿心钢板式节点以及加强环腹式节点。加强环式节点没有任何穿心，它适用于小直径的钢管混凝土柱，便于施工，但用钢量较大，钢筋混凝土梁与加强环焊接麻烦，在应用中适应性和灵活性较差。
2宽度梁式节点
这种节点形式是由吴家平和钟善桐教授提出，这种节点梁纵筋绕越钢管，在节点处连接，不必截断，其传力途径明确，构造方便，可解决弯绕问题。但是节点需钢板较多，加工比较复杂，对于焊接质量要求高。
3劲性环梁节点
该节点有三种形式：单梁、双梁以及单双梁混合节点。这种节点的抗剪牛腿加比普通环梁的要高且长，并且牛腿在梁纵筋下面，抗剪能力较强，混凝土浇注后会在节点区域形成刚度较大的劲性混凝土环梁，从而形成刚性节点区域，梁端的弯矩和剪力就是通过这个刚性区域来承受和传递的。该节点的刚度大，承载力高，但是施工麻烦。
4抗剪环环梁节点
该节点通过钢筋混凝土环梁传递弯矩，抗剪环传递剪力。这种节点未穿心，连接简便且无现场焊接。该节点具有良好的延性，可以实现“强结构弱构件”的抗震要求，但是刚度较差。
5 钢筋贯通式节点
这种节点形式是在在钢管壁上开孔，让梁纵筋贯穿钢管柱。此节点施工较为复杂，贯通钢管内梁的上下层钢筋影响了管内混凝土的浇注，其节点的工艺性较差。
6梁通柱断式节点
这种节点是由红教授提出的，该节点是将钢管混凝土柱的钢管在节点区间断或者部分的间断，然后用节点区密排环形钢箍、竖向短筋以及芯钢管来保证钢管混凝土柱在节点区域的连续性，梁中的纵筋在节点区域直通，梁跟节点区的混凝土浇注成一体。试验表明，该节点有很好的整体性和传递梁弯矩、剪力的能力。
3.钢管混凝土柱脚节点研究现状
柱脚节点是结构中上部与基础连接的重要部位，在结构中起着非常重要的作用。钢管混凝土柱脚按其与混凝上基础的接触程度，可分为端承式柱脚和埋入式柱脚。端承式柱脚施工简便，只需将地脚螺栓埋入基础即可。该种节点只承受柱轴力和剪力，抗弯能力很差。埋入式柱脚既能承受柱轴力剪力，也能承受柱端弯距，抗震性能好。目前钢管混凝土柱脚节点方面，所做的还研究比较较少。
2003年黄庆辉、梁启智 [4]对外露式柱脚节点进行了静力和低周反复加载下的试验研究。给出了静力和低周反复荷载下的荷载-变形曲线。2006年，红对加构造措施的钢管混凝土柱-钢筋混凝土基础梁柱脚节点在静力荷载下的抗冲切性能进行了试验研究。试验表明钢管外焊接栓钉、抗剪环等构造措施能够提高柱脚节点的抗冲切承载力。2007年，陈以一、等对两组钢管混凝土外包式柱脚试件，其中一组内置芯柱，一组不设芯柱，进行了定轴力下的低周反复加载试验。提出了估算此种柱脚节点压弯极限承载力的计算方法。2009年，孟令强、王元清等采用有限元方法分析研究了钢管混凝土柱脚节点在单向和低周期反复加载下的承载力性能；给出了柱脚的破坏特征和低周反复荷载作用下的滞回性能。2010年，王金、曹万林等以大连国际会议中心工程核心筒边框柱-混凝土基础为原型，进行了单向重复荷载作用下的锚固工作性能试验研究。试验研究表明：加大柱脚埋深能够明显的提高基础开裂荷载以及延性性能，并且能够明显提高进入弹塑性阶段荷载、极限荷载以及初始刚度。
4.结束语
综上所述，对钢管混凝土梁柱节点的研究比较多，对其受力性能、破坏形态的认识比较深刻，且给出了不少的数值计算公式；而对于钢管混凝土柱脚却研究较少，很多受力机理并不清楚，所以需要进一步的研究。
参考文献：
[1]黄汉炎.钢管混凝土柱RC梁板节点拟静力三向加载试验研究[J].建筑结构学报，2001，22（6）：3-13.
钢管混凝土柱论文篇11
为了满足城市现代化建设的需求，越来越多的高层大型建筑被广泛应用在城市建筑工程施工设计中。而由于建筑功能的需要，对建筑结构的设计要求也越来越多，对高层建筑底层的开间要求较大，为了满足建筑功能需求，且确保高层建筑结构的稳定，提高底层的负荷能力，就经常或采用承重柱的主体结构设计方式来提高底层建筑结构的承重能力，保证建筑上层的稳定与安全。在高层建筑结构承重柱的设计中，需要考虑到多方面因素的影响，综合分析建筑工程的主体结构受力状况进行设计，通常来讲，需要着重注意从轴压比、短柱抗震性等几方面来考虑影响承重柱质量的因素。
1、高层建筑结构承重柱的种类
由于不同的高层建筑的功能需求存在很大差异，也就使得高层建筑的基础工程以及底层结构受力分布存在很大差异。为此，在采用承重柱进行结构主体设计时，必须按照工程的实际状况合理分析，确定选用何种承重柱才能最大化的满足承重柱的经济性、合理性、安全性与可靠性。一般来讲，目前较为常用的高层建筑结构的承重柱种类主要有以下六种，其各自不同的工作机理和受力特点分别如下所示：
1.1箍筋约束混凝土柱。其受力机理是利用复合钢箍或螺旋钢箍约束核心混凝土受压时的横向应变，使核心混凝土处于三向受压状态，从而提高混凝土强度，增加延性。这种类型柱在设计使用时，柱截面需做成圆形，适用性和灵活性差；采用焊接钢箍时，焊接麻烦，用钢量大，同时，钢箍约束核心混凝土横向应变有限，柱承载力提高和延性能的改进也是有限的。
1.2钢纤维混凝土柱。钢纤维混凝土是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短纤维组合而成的复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的扩展，使其各项物理力学性能都比普通混凝土有明显的提高和改善。
1.3钢管混凝土柱。钢管混凝土是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的一种组合结构材料，它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约，使其具备了优异的工作性能：承载力高、塑性和韧性好、经济效果好。
1.4钢骨混凝土柱。该类型柱是指在钢筋混凝土柱中配置钢骨，同时配有构造钢筋及少量受力钢筋。钢骨混凝土柱不受最大配筋率限制，混凝土中配置较多的钢材，能有效地减少柱截面尺寸，满足建筑功能要求。同时，钢骨可以承担施工荷载，可作为施工荷载的承力系统。
1.5分体柱。该类型柱是将钢筋混凝土短柱采用隔板将一个整截面柱分成2个或4个等截面小柱。各小柱独立配筋，梁柱节点仍为一个整体。试验研究表明，对钢筋混凝土短柱采用分体柱的方法可以实现变“短柱”为“长柱”的设想，框架柱破坏形态由剪切型转变为弯曲型，延性明显提高，但柱承载力略有下降，因此柱截面尺寸不仅没有减小，反而略有增大。
1.6高强混凝土柱。高强混凝土是指混凝土强度等级为C50-C80的混凝土。由于其抗压强度高，使钢筋混凝土柱的承载力大幅度增加，在相同的荷载下可减小构件的截面尺寸，增大使用空间，避免短柱出现。应用较高强度等级混凝土时，需考虑施工条件的可行性。
2、高层建筑结构承重柱的轴压比限值
2.1柱中轴压比是影响延性的主要因素之一，而影响混凝土柱延性的主要原因在于混凝土部分所分担的轴压力。确定一个合适的轴压比限值，以使混凝土柱的抗震延性得到满足，十分重要。同时轴压比是影响承重柱的破坏形态和变形能力的重要因素。为了保证钢筋混凝土柱具有足够的延性，对柱的轴压比限值做出了规定，希望框架发生大偏心受压破坏，保证框架柱在地震作用下发生大变形时具有较好的延性，从而保证框架结构有足够的变形能力。实现框架大震不倒的抗震设计目标。
2.2在设计承重柱的施工方案时，对于轴压比值的确定还需要考虑到所采用的混凝土的强度等级这方面因素的影响，通常来讲，不同混凝土强度等级对于其构件的延性影响较大，等级越高的混凝土，其刚度就越大，自然构件的延性就越差，在受到外力作用时越容易遭到脆性破坏。为此，在选择承重柱的混凝土材料时，不可一味盲目追求刚度大，强度高以提高承重柱的受力能力，而应该充分考虑到建筑的抗震性能，在保证承重柱的刚度达到技术要求的范围时，就需要考虑到承重柱的轴压比是否会影响到延性的需求。但在采用强度等级较高的混凝土时，若能通过调节其配筋构造措施，满足承重柱的延性需求，则可以保持原有的轴压比值不变。
2.3不同种类的承重柱，其性能也有所不同，对于轴压比值的确定范围也略有差异，其轴压比值的确定分别如下所示：
钢纤维混凝土柱的性能。与普通混凝土类似，存在大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两种破坏形态。当钢纤维掺入量在1%-2%范围内，钢纤维混凝土抗压强度提高幅度较小。参照钢筋混凝土框架柱轴压比限值理论分析，钢纤维混凝土柱轴压比限值可略有提高。
钢管混凝土柱的性能。基于钢管混凝土压弯构件的水平力和位移恢复力特性的理论分析结果，钢管混凝土构件用于高层建筑中时，可采取限制长细比的办法，不必限定轴压比。
钢骨混凝土柱的性能，相关研究根据钢骨混凝土柱正截面承载力和低周期反复水平力作用下的静力试验结果，从钢骨混凝土柱界限破坏时内力的平衡条件出发，推导出轴压比的理论计算公式，经简化后提出了实用计算公式。计算表明，钢骨混凝土柱的轴压比限值一般比钢筋混凝土柱的轴压比限值高25%-50%。
分体柱的性能。由于 “短柱”变为“长柱”，实现了框架柱的破坏形态的转变，因此，其轴压比不应受到限制。
3、改善短柱抗震性能的对策
钢管混凝土柱论文篇12
引言
极限分析法，或叫极限平衡法，它不管加载历程和变形过程，直接根据结构处于极限状态时的平衡条件算出极限状态的荷载数值。
极限平衡理论将结构视为由一系列元件组成的体系，元件的变形方式和相应的极限条件（屈服条件）是已知的，而结构的极限承载能力是待求的。元件和结构的极限状态都是以作用在他们上面的力的大小作为量度的标准。当作用力达到某种大小，使结构发生破坏，丧失承载能力，或者使结构变形加剧成为机构，我们就称之为结构达到其极限状态。
1.极限平衡理论的基本假设，认为结构具有以下三个特性：
1.1结构变形的微小性。在结构丧失承载能力之前，结构和元件的变形很小，因而可以忽略静力平衡方程中的几何尺寸的变化，始终按变形前的结构尺寸来考虑静力平衡关系。
1.2元件极限条件（屈服条件）的稳定性。结构的元件，在达到极限强度时，其变形应能足够急剧地增长，但变形的增长不会改变元件的极限（屈服）条件。在结构丧失承载能力之前，结构的所有元件都不会失去稳定。
1.3荷载增长的单调性和一致性。作用于结构上的所有荷载都按同一比例徐徐增长，即所谓准静力式的简单加载。
以上1.1，1.2假设的实质，是把实际结构的元件理想化为刚塑性元件，即忽略其弹性变形。
高温下的钢管混凝土构件轴压下的性能，比较符合以上的假设，尽管钢管混凝土轴心受压柱的变形很复杂，更因加载方式不同而有差异，但其极限承载能力则不受变形过程的影响，因此可以应用极限平衡理论来进行分析计算。
2.结构在达到极限承载能力时，应满足以下几个条件：
2.1静力平衡条件。
2.2元件极限（屈服）条件。
2.3机动条件。即结构中有足够数量的元件达到极限状态，使结构成为可自由变形的机构。
我们应用静力法来求高温时钢管混凝土的极限轴压承载力。用静力法求得的极限荷载总是不大于真实的极限荷载，我们称之为下限解。
3.在进行高温时钢管混凝土的极限轴压承载力计算前，对结构做出如下假设：
3.1因轴心受压柱的应变场是轴对称的，所以可把钢管混凝土看成是由钢管和核心混凝土两种元件组成的结构体系；
3.2钢管和混凝土两种元件的极限（屈服）条件都是稳定的；
3.3构件在变形过程中始终保持为平截面；钢和混凝土之间无相对滑移；忽略剪力对构件变形的影响；
3.4在极限状态时，对于的薄壁钢管，因其所受的径向应力远比要小，可忽略不计，钢管的应力状态可简化为纵向受压、环向受拉的双向应力状态，并沿管壁均匀分布。
高温下钢管和核心混凝土的受力简图
由上图可看出，本课题共有5个未知量，即外荷载N，混凝土的纵向应力，钢管的纵向应力和环向应力，以及钢管和混凝土接触面之间的侧压力p， 需要建立5个独立方程。
由静力平衡得出两个方程：
和
由元件的屈服条件可建立另外两个方程，即钢管的Von Mises屈服条件和核心混凝土的屈服条件。
考虑到钢管较薄，可足够精确地取：
则
其中，为高温下的钢材屈服强度，
为高温下的混凝土抗压强度， （考虑到高强混凝土在400前比普通混凝土的抗压强度下降要快，乘以系数0.9）
为高温下套箍指标，通过求得，
为长细比影响系数，
因为混凝土截面比较大，而其温度场为不均匀温度场，所以需要通过计算混凝土的整个截面混凝土强度取如图1所示的各温度分区内混凝土温度的平均值和相应的强度值，则整个截面混凝土强度取各区的加权平均值。
每个混凝土圆环的抗压强度采用清华大学的过镇海、时旭东等采用同一套试验设备和相同的试验条件经过多次试验总结的高温时混凝土的棱柱体抗压强度表达式，如下：
其中，，即为每个圆环的平均温度。
通过每个圆环外边和内边的温度值，得出圆环的平均温度值，通过ANSYS温度场计算可得到截面的温度场分布，把整个截面分为一个混凝土圆、五个混凝土圆环以及一个钢管圆环，例举本次试验构件，其划分图如下所示。T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7与T8分别为距离圆心为r=0，80，160，240，320，400，482（486，442，446），500（450）的温度数值，其中因为钢管壁厚足够小，认为其整截面温度都为T8。通过这些温度数值可以求得其每个部分的平均温度，然后通过温度利用公式计算出每个部分混凝土的高温抗压强度与钢材的高温下屈服强度。利用每个部分混凝土的高温下抗压强度，通过以下公式求出整截面的钢管中心混凝土理论平均抗压强度。
钢管混凝土构件温度场区分图
而欧洲钢结构协会ECCS给出钢的屈服强度及弹性模量随温度变化的公式为：
从以上的理论推导表明，在影响混凝土柱耐火极限的各因素中，截面周长、防火保护层厚度、套箍指标和火灾时间对钢管混凝土的温度场产生很大影响；而钢管温度场、常温时的钢材屈服强度和混凝土强度对高温时材料强度影响很大；截面荷载偏心距和火灾荷载则对最后计算钢管混凝土的火灾下极限承载力具有很大影响。
定义长细比，对于长细比的影响，作者认为，钢管混凝土长柱的力学性能，远比普通钢柱和钢筋混凝土柱复杂。对于长细比很小的短柱，其破坏是由于钢管在双向应力下屈服和核心混凝土在三向受压下被压坏所致。对于长细比很大的所谓长柱，其破坏是由于弹性失稳，亦即由于发生侧向挠度和弯曲而破坏，破坏时的纵向应变尚处于弹性范围，其极限荷载在常温下可用Euler公式确定，但在高温下尚未有具体理论计算。对于长柱，要确定其受力与长细比之间的关系，只要我们知道钢管混凝土应力路径和加载方式的多样性、荷载作用点的偶然偏心、柱端支承的实际条件与理想条件的差异等，就可理解到这是一个在理论和实践上都难于尽善的任务。所以，欲单纯从理论推导的途径去建立适用于计算各种长细比的钢管混凝土柱极限承载能力的公式，还有相当难度。对长细比影响因素的考虑直接参照前人所得出的长细比增长而使极限承载力降低的规律，如公式所示。
