基于统一理论的钢管混凝土受压承载力计算
基于弹性变形理论的钢管混凝土短柱承载力计算理论研究
基于弹性变形理论的钢管混凝土短柱承载力计算理论研究论文导读:：为解决工程中得到广泛应用的钢管混凝土结构承载力计算问题，在总结分析已有钢管混凝土短柱承载力计算理论的根底上，利用弹性变形理论，推导出了钢管混凝土短柱极限承载力计算公式，利用推导得出的计算公式，对混凝土的泊松比趋近于零、混凝土的弹性模量趋近于零、钢管和混凝土的弹性模量和泊松比都相等、钢管和混凝土的泊松比相等而其弹性模量不等、钢管混凝土短柱端面上混凝土凸出或凹进的影响等六种条件下，钢管混凝土结构的承载情况进行了分析。
0引言钢管混凝土结构把钢和混凝土两种材料组合成一个整体，充分发挥了两种材料优势，不仅增强了钢管的局部稳定性，还提高了混凝土的强度，在工程中得到了比较广泛的应用。
在进行钢管混凝土结构设计时，钢管混凝土构件的承载力计算是一个非常重要的环节，钢管混凝土构件既不同于混凝土构件，又不同于材质均匀的纯钢构件，它是一种具有组合受力特性的复合材料。
因此它的承载能力的计算应当是建立在两种根本组成材料钢和混凝土作用分担之上的一种新的计算方法。
数值分析法是一种精确的计算方法，能从理论上准确地描述钢管混凝土压弯构件的工作机理和性能，但单元选取难，计算较为复杂，用它来解决工程中的钢管混凝土计算问题不现实，关于钢管混凝土承载力的计算方法，主要有四种理论，即统一理论、拟混凝土理论、拟钢理论以及叠加理论。
统一理论主要基于哈尔滨工业大学和福州大学等研究成果[1][3-4]，把钢管混凝土视为统一的一种组合材料，不再区分钢管和混凝土，通过试验回归得到组合材料的性能指标。
拟混凝土理论即中国建筑科学院提出的约束混凝土理论[2]，拟混凝土理论认为钢管混凝土本质上就是由钢管对混凝土实行套箍强化的一种套箍混凝土建筑工程论文，由于钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和变形能力，而对于钢管壁，将其视为分布在核心混凝土周围的等效纵向钢筋，钢筋的面积根据钢管的截面积和形状而定，因此，采用极限平衡理论[5]的方法推导出钢管混凝土轴压短柱的极限承载力公式。
基于统一理论的空心钢管混凝土轴压承载力计算
壁 的稳 定性 ， 凝 土 可 借 助钢 管对 其 套 箍 作 用 提 混
高抗压 强度 和抵 抗 变 形 的能 力 ， 从 根 本 上 解 决 并 了混凝 土 电杆 的纵 向裂缝 问题 ． 国从 １８ 』我 ９ ４年
起 开始该 结 构研 究 试 验 ， 目前 关 于该 种 结 构 的基
本 计算理 论 已形 成 较 为完 整 的 研究 体 系 ．本 文 结 合 钢管混 凝 土统 一 理 论 ， 前 人 规 范 中的 轴 心 对
受 压承载 力计算 公式进 行 了修 正． 把钢 管混 凝 土 视 为 统一 体 ， 是 钢材 和 混凝 它 土组 合 而成 的组合 材料 ．在 各种荷 载作用 下 ， 的 它
空心 高强 钢 管混 凝 土短 柱 进 行 了 试 验研 究 ， 析 分
了不 同 的空 心 率 和不 同 的 径 厚 比对 试 件 承 载 力
而言 ， 钢管混 凝土 构件 的工 作性 能 具有 统 一性 、 连 续性 和相关 性 ．钢 管混 凝 土统 一 理 论着 重 研究 的 是构 件截 面 的组 合 工 作性 能 ， 究 者们 根 据 组 合 研 工作 性能指 标 来 进行 构 件在 不 同 荷载 情 况 下 、 儿
种应力 状态下 以及 不 同几何 物 理参 数 时承 载力 的 计算 ， 由此得 到统一 的设计公 式 ．
收 稿 日期 ： ０ ０～ ９— ９ 修 回 日期 ： ０ ０—０ ２ ２１ Ｏ ０； ２１ ９— ５
的影 响 【 ．在我 国 ， 电力 部 制 订 的行 业 标 准 也 给 出 了空 心 钢 管 混 凝 土 轴 心 受 压 的 承 载 力 计 算
钢管混凝土轴向受压短柱承载力的统一解
( 11)
式中: ks= ( 1+ b+ 2AbG) / ( 2AG) , 称为钢管混凝土中
核心混凝土对薄壁钢管的约束效应系数, 其值是由
钢管混凝土的含钢率决定的。
分析式( 11) , 可以发现一方面侧向压应力 p 使
薄壁钢管的抗压强度有所提高, 另一方面由于环向
拉应力的影响使其值又有所降低, 而且随着侧向力
( 1. School of Civil Engineering, Chang. an Univer sity, Xi. an 710061, Shaanxi, China; 2. School of Geological Engineering and Surveying Engineer ing, Chang. an U niversit y, Xi. an 710054, Shaanxi, China)
( 5)
式中: kc = 1/ A, 称为钢管混凝土中钢管对核心混凝
土的约束效应系数; R3 为核心混凝土三向应力状态
下的轴向抗压强度, 用 f cc 表示; f c 为混凝土抗单轴
压强度; R1 为钢管对核心混凝土作用的侧向约束应
力, 用 p 表示。
则式( 5) 可改写为
f cc = f c + kcp
式。=
[ ( 1+ b) D2P + 2AbD Pt ] p 2A
2( 1 + b) DPtf y
( 9)
式中: f y 为钢材单向拉伸屈服应力。 令 Ac = D2 P/ 4, 为核心混凝土的面积, 并取压为
正, 拉为负, 则式( 9) 可改写为
Ns =
1
+ A
1 1+
混凝土受压构件承载力计算
圆形截面的受压构件在垂直压力作用 下，变形较小，承载力较高。
配筋率的影响
配筋率
配筋率是指构件中钢筋的截面积与混 凝土截面积之比。配筋率对受压构件 的承载力有显著影响，配筋率越高， 承载力越大。
钢筋直径和间距
钢筋直径和间距也是影响配筋率的重 要因素，合适的钢筋直径和间距可以 提高受压构件的承载力。
详细描述
混凝土强度等级是指混凝土的抗压强度，通 过采用高标号水泥、优化配合比等方法，可 以提高混凝土的抗压强度，从而提高受压构 件的承载力。
采用高强度钢材
总结词
在混凝土结构中采用高强度钢材，可以显著 提高受压构件的承载能力。
详细描述
高强度钢材具有更高的屈服强度和抗拉强度 ，通过合理的钢材布置和连接方式，可以有
详细描述
构造措施包括增加支撑和拉结、设置抗剪键和抗爆压力 装置等，这些措施可以有效提高受压构件的刚度和稳定 性，防止构件发生失稳和破坏。
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02 混凝土受压构件的受力分 析
轴心受压构件的受力分析
总结词
轴心受压构件在垂直于构件轴线方向上受到均匀压力，其受力分析主要考虑轴 心压力对构件的影响。
详细描述
轴心受压构件在承受压力时，其承载力主要取决于混凝土的抗压强度和构件的 截面面积。在分析过程中，需要考虑混凝土的应力分布和承载能力极限状态， 以确定构件的承载力。
效提高受压构件的承载力和稳定性。
优化截面设计
总结词
合理的截面设计可以有效提高混凝土受压构件的承载能力。
详细描述
通过对截面进行优化设计，如采用空心截面、增加腹板高度等措施，可以改善截面的受 力特性，提高受压构件的承载力和稳定性。
钢管混凝土承载力计算表
钢管混凝土承载力计算表
钢管混凝土承载力计算表
钢管外径 d800柱实际长度 l17M110钢管壁厚 t12柱计算长度系数μ1M210钢管材料信息：16Mn柱计算长度l017柱端弯距0抗压强度设计值 fa310柱等效长度系数k1柱端轴力8250屈服强度 fy345柱等效长度le17e0:0弹性模量 Ea：206000β1
混凝土材料信息：C40
抗压强度设计值 fc19.5满足
弹性模量 Ec：32500不满足
构造要求:
1.混凝土强度等级不宜低于C30.满足
2.钢管外径不宜小于100毫米,壁厚不宜小于4毫米.满足
3.d/t宜在20~85*SQRT(235/fy)之间满足
4.套箍指标θ宜在0.3~3之间.满足
5.容许长细比l/d不宜超过表3.1.5的限值(20).不满足
套箍指标θ:0.99855294
长细比折减系数φl0.52236913
偏心率折减系数φe1
N0:27647.4325
承载力设计值Nμ:14442.1652
说明:
1. 本表根据中国工程建设标准化协会标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》编写.
2. 本表用于计算圆形截面钢管混凝土柱承载力.
3. 钢管柱按无侧移框架柱计算.
4. 轴心受压柱时,取M1=M2
5. M1是柱端弯距设计值较小者,M2是柱端弯距设计值较大者,M1<m2.< p="">
6. 若柱为单曲压弯,β为正,若柱为双曲压弯,β为负.
7.截面尺寸单位:mm;柱长:m;材料信息:N/mm2;弯距:KN-M;轴力、承载力:KN;
规程》编写.
</m2.<>。
混凝土承载力计算方法
混凝土承载力计算方法一、背景介绍混凝土是一种常见的建筑材料，应用广泛。
在建筑设计中，混凝土的承载力是一个重要的考虑因素。
混凝土承载力的计算方法对于建筑设计和施工工程的安全性和可靠性至关重要。
因此，混凝土承载力计算方法的研究具有重要意义。
二、混凝土承载力计算方法的基本原理混凝土承载力是指混凝土在荷载作用下所能承受的最大应力。
混凝土承载力计算方法是根据混凝土的力学特性和荷载特性，通过一定的理论分析和实验验证，确定混凝土的承载力。
混凝土承载力计算方法的基本原理是应力—应变关系。
混凝土的应力—应变关系是混凝土试验中的重要参数，它反映了混凝土在荷载作用下的变形特性。
混凝土试验中常用的应力—应变关系曲线包括线性段、弹性段、破坏段和后破坏段。
根据混凝土的应力—应变关系，可以确定混凝土的弹性模量、极限应力、极限应变等参数，从而计算混凝土的承载力。
1.确定混凝土的材料特性和试验数据。
混凝土的材料特性包括混凝土的强度、密度、弹性模量等参数。
试验数据包括混凝土试块的抗压强度、拉伸强度、弯曲强度等数据。
2.确定荷载特性和荷载作用方式。
荷载特性包括荷载大小、荷载作用方式、荷载持续时间等参数。
荷载作用方式包括单向荷载、双向荷载、脉冲荷载等。
3.计算混凝土的应力—应变关系。
根据试验数据和材料特性，计算混凝土的应力—应变关系曲线。
4.计算混凝土的弹性模量。
根据混凝土的应力—应变关系曲线，在弹性段内计算混凝土的弹性模量。
5.确定混凝土的极限应力和极限应变。
根据混凝土的应力—应变关系曲线，在破坏段内确定混凝土的极限应力和极限应变。
6.计算混凝土的承载力。
根据混凝土的极限应力和极限应变，计算混凝土的承载力。
混凝土的承载力可分为抗压承载力、抗拉承载力、抗剪承载力等。
混凝土承载力计算方法适用于各种混凝土结构的设计和施工。
比如建筑物、桥梁、隧道、水利工程、地下工程等。
在混凝土结构设计和施工中，混凝土承载力计算方法是一个非常重要的工具。
五、混凝土承载力计算方法的注意事项1.混凝土承载力计算方法必须根据实际情况进行调整。
钢管混凝土轴心受压承载力计算理论比较分析
凝土轴压构件的承载力 。（） ３ ＡＤ规范 。 Ｉ（９ ７是 日本建筑学 量再采用换算模量对其进行 内力分析的， 以会出现分析结 果 Ａ Ｊ１９ ） 所
会在大量试验研 究的基础上提 出的设计规范 ， 它同时给 出了极 和构件设计 不准确 的情 况； 另外， 将钢 管和混凝土 统一成整 体 限状态 设计法和 允许应力设计法 ，其截面 形式包括 圆形和 方、 后 ， 不易 明确 混凝土 的分担作用和结构 行为 ， 以具有一 定的 所 矩形 。（） Ｂ １．１ ０ ３ 钢管混凝土结构技术规程》 ４ Ｄ Ｊ３５－ ０ 。《 ２ 为福建 局 限性 。
１ ．统 一 理 论 。 统 一 理论 ” “ 是钟 善桐 １９ 年 在 总 结 以往 研 ９３ 引起 了 国 内外 诸 多 学 者 的 关注 ， 过 长 期 深 入 的 研 究 ， 得 了 究成果 的基础之上提 出的， 通 取 该理论 认为钢管混凝土在承 受各种
巨大的成果 。目前 ， 国外关于钢管混凝土构件 的设计 规程 主要 荷 载作用 时的工作性 能是随材料 的物理参数、 统一体 的几何参
使 而且该计算 公式是在 回归 但 随着经济 的发展 ， 我国学者在这一领 域所 取得的研究成果也 工作效应 ， 其 计算结果偏 于安全 ， 令 人 瞩 目 ， 制 定 的 设 计 规 程 包 括 Ｃ ＣＳ ８ ９ １９ ） 分析的基础之上建立的 ， Ｅ ２ ：０（９ ２ 、 缺乏试验验证， 还需进 一步研究 。
别 为 ： 一 理论 、 钢 理 论 和 拟 混凝 土 理 论 。 统 拟
【 关键词】 钢管 混凝土； 轴心受压承载力； 计算理论
钢管混 凝土结构是指 在钢管 内充填 素混凝 土形成 的组合 土 的计算理 论主要有三 种： 统一理论 、 拟钢理论和拟 混凝土 理 结构 ， 它凭着 高承载力 、 塑性和韧 性好、 耐火性 能好、 经济效益 论 ， 现分别做简要介 绍。 好和施 工方便等优 点在实际工程 中得到 了广泛 的应用 ， 同时也
钢筋混凝土受压构件承载力计算
3)轴心受压长柱的应力分布及破坏形态
• 由于初始偏心距的存在，构件受荷后产生附加弯矩， 伴之发生横向挠度。
• 构件破坏时，首先在靠近凹边出现大致平行于纵轴 方向的纵向裂缝，同时在凸边出现水平的横向裂缝， 随后受压区混凝土被压溃，纵筋向外鼓出，横向挠度 迅速发展，构件失去平衡，最后将凸边的混凝土拉断。
• 随着荷载的进一步增加，螺旋箍筋中的拉应力逐渐增大， 当螺旋箍筋达到屈服强度时，横向约束力不能再增大，混 凝土的抗压强度不能再提高，混凝土被压碎，构件破坏。
钢筋混凝土受压构件承载力计算
S
钢筋混凝土受压构件承载力计算
S
dcor
fyAss1
fyAss1
（2）N 承载 力N 计u 算 0 .9 ( fc A c o r 2fy A s s 0 fy A s )
（1）混凝土在间接钢筋约束下的受力性能分析 • 配螺旋式（或焊接环式）箍筋的柱在纵向钢筋屈服前受力
性能与配有纵筋和普通箍筋柱的受力性能基本相同；
• 当纵向钢筋达到屈服强度后，螺旋箍筋外面的混凝土保护 层开始脱落，受力混凝土面积减小，承载力略有下降；由 于螺旋箍筋约束了核芯混凝土，使核芯混凝土处于三向受 压状态，提高了混凝土的抗压强度，承载力开始增大，同 时在螺旋箍筋中产生拉应力；
钢筋混凝土受压构件承载力计算
f y As
f y As
(a)
σ s As
f y As
(b)
σ s As
f y As
(c)
f y As
f y As
(d)
(a)大偏心受压的破坏形态
(b)、(c)、(d)小偏心受压的破坏形态
钢筋混凝土受压构件承载力计算
• 破坏特点：截面部分受拉、 部分受压；破坏时，受拉钢 筋首先达到屈服强度，而后 受压区边缘混凝土达到极限 压应变时，受压区混凝土被 压碎而破坏,受压钢筋应力一 般都能达到屈服强度。
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采用配置螺旋式间接钢筋的钢筋混凝土受压柱
计算公式: N = 0. 9( fcAcor + f / yA/ S + 2DfyA/ SS0)
外直径 c= 800 mm 保护层厚度 c= 30 mm 核 心 混 凝 土 直 径 ccOT = 740 mm 截 面 面 积 Acor = TX 3702 = 430 084 mm2o 构 件 计 算 长 度 = L0 = 4 000 mm 长 细 比 7= L0/ c= 5 < 7 {= 1. 0o 采 用 钢 材 G235 混 凝 土 C40o 则 f/ y = 210 N /mm2 fy = 210 N/mm2 fc= 19. 1 N/mm2 间接钢筋对混凝土约束 的 折减系数 D= 1. 0o 环 筋 直 径 取 cc= 12 mm 则 螺 旋 式 间 接 钢 筋 的 截 面 面 积 ASS1 = T X 62 = 131. 1 mm2 取间距 s= 100 mm 螺旋式间接钢筋的换算截 面 面 积 ASS0 = Tccor ASS1/ S= 2 630 mm2o 拟 配 钢 筋
由于三向压应力的作用9使混凝土的工作性能 发生了质的变化9提高了承载力9增大了极限压缩应 变G 钢管混凝土轴心受压构件9钢管保护了混凝土9 使它三向受压9延缓了受压时的纵向开裂; 而混凝土
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却保证了薄壁钢管的局部稳定9相互弥补了彼此的 弱点9却充分发挥了彼此的长处G 1. 4. 2 具有良好的塑性和韧性
国外建材科技
2. 3. 1 钢管混凝土轴心受压柱的计算 计算 公 式: N = {fscAsc N 为 最 大 承 载 力o 外 直
径 c = 800 mm 钢管壁厚 t= 12 mm 组合截面面积 ASC= 502 655 mm2 钢 管 截 面 积 AS= 29 707 mm2 混凝土截面积 Ac= 472 948 mm2 含钢率 Ds= AS/ AC = 0. 062 8o 构 件 计 算 长 度 L0 = 4 000 mm 长 细 比 /= 4L0/ c= 20 在 文 献 [2]中 查 表 得 稳 定 系 数 {= 0. 99o
2 统一理论及计算方法
2. 1 统一理论的基本原理 钢管混凝土统一理论指出: 钢管混凝土构件的
工作性能9随着材料的物理参数~ 构件的几何参数和 截面形式9以及应力状态的改变而改变9变化是连续 性的~ 相关的9计算是统一的G 因而可以把钢管混凝 土构件视为统一的一种组合材料9不再区分钢管和 混凝土9用构件的整体几何特性< 全截面面积和抵抗 矩等) 和钢管混凝土的组合性能指标9来计算构件的 各项承载力G 2. 2 计算方法
N= 13 504. 74 kN 钢管总重 891 kg 混凝土体积 2. 01 m3o
3 结论
通过以上计算可以看出 在受压柱体积相同 用 钢量和混凝土的体积相差不大的情况下 钢管混凝 土的承载力比钢筋混凝土要大得多o 因此若承载力 一样 则钢管混凝土用钢量较少o 所以在大型柱中采 用钢管混凝土柱将具有很好的性价比o
2004 年 第 25 卷 第 2 期
3 32 面积 A/ S= 25 736 mm2 则承载力 N= 13 251. 39 kN
根据文献[3] 间接钢筋的换算截面面积 ASS0小于纵 向钢筋的全部截面面积的 25 时 承载力要按下式 计算: N= 0. 9{( fcA+ f / yA/ S) A 为构件截面面积;
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2004 年 第 25 卷 第 2 期
基于统一理论的钢管混凝土受压承载力计算
任晓峰1 周庆华2
< 1. 武汉船舶职业技术学院; 2. 中煤国际工程集团武汉设计研究院)
பைடு நூலகம்
摘 要: 介绍了钢管混凝土的概念9并基于统一理论举例说明钢管混凝土受压承载力的计算方法G 通过对计算结果的比
较9表明钢管混凝土比钢筋混凝土有更好的受压性能G
关键词: 钢管混凝土; 统一理论; 轴心受压
1概述
1. 1 基本概念 钢管混凝土结构是在钢管内填充混凝土而形成
的结构G 组合抗轴压强度是钢管混凝土组合截面所 能承受的最大名义压应力G 组合轴压弹性模量是钢 管混凝土组合截面在单向受压9且其纵向名义应力 和应变呈线性关系时9截面上名义正应力与对应的 正应变的比值G 套箍系数是反映钢管混凝土组合截 面的几何特征和组成材料的物理特性的综合系数G 1. 2 材料加工要求
试验结果表明9钢管混凝土柱破坏时可以压缩 到原长的 2/39没有脆性破坏的特征G 处于钢管中的 核心混凝土9已经由脆性破坏转变为塑性破坏9在基 本性质方面起了质的变化9整个构件呈现着弹性和 塑性破坏的特征G 这种新结构在承受冲击和振动荷 载时9也具有很大的韧性9因而抗震性能好9十分安 全可靠G 钢管混凝土构件的抗震性能胜过钢构件9不 会产生由于钢管局部失稳而引起的破坏G
参考文献
[1] 钟善桐. 钢管混凝土结构. 哈尔滨: 黑龙 江 科 学 技 术 出 版社 1995. 1~ 80.
[2] 陈宝春. 钢管混凝土拱桥设计与施工. 北 京: 人 民 交 通 出版社 1999. 19~ 56.
[3] 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准. 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 ( GB50010-2002) .
钢管混凝土结构是在圆钢管内充填混凝土的结
构G 钢管的外直径不宜小于 100 mm9钢管壁厚不宜 小于 4 mmG 一般是外径 d= 102~ 2 000 mm9板厚 t= 4~ 66 mmG 钢管的外直径与壁厚之比宜在 20~ 100 范 围 内 选 用9即 常 用 的 截 面 含 钢 率 Os = 0. 04~ 0. 20G 钢管混凝土宜用作轴心受压或作用力偏心较 小的受压构件G 当作用力偏心较大而采用单根构件 不够经济合理时9宜采用格构式构件G 1. 4 钢管混凝土的受力特点 1. 4. 1 构件承载力大
收稿日期: 2004-03-26. 任晓 峰: 男 1964 年 生 工 程 师; 武 汉 武 汉 船 舶 职 业 技 术 学 院基建处( 430050) .
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钢管宜采用螺旋焊接管或直缝焊接管9焊缝必 须采用对接焊缝G 混凝土宜采用普通混凝土9水灰比 应控制在 0. 45 以下G 混凝土的强度等级不宜低于
30 级9 可 参 照 下 列 材 料 组 合: G235 钢 配 30 或 40 级混凝土9G345 钢配 40 或 50 或 60 级混 凝土9G390 钢配 50 或 60 级混凝土G 构件截面的 套箍系数标准值不宜小于 0. 5G 1. 3 构造要求
根据统一理论9钢管混凝土组合轴压强度设计 值 fsc 应按下式计算:
fsc = < 1. 212 + B;2) fc 式中9;为构件截面的套箍系数9;= Osfy/ fc; B 为计 算 系 数9B = 0. 1759fy/ 235 + 0. 9740; C 为 计 算 系 数9C = - 0. 1038fck / 20 + 0. 0309; fck 9fc 为混凝土 抗压强度标准值和设计值; fy 为钢材屈服强度; Os 为 构件截面含钢率9Os = AS/ AC; AS9AC 为钢管和混凝 土的截面面积G 2. 3 算例