No8钢管混凝土结构

σ3 σ1 σ2 σ1 σ3
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σ2 = p
σ1≠σ2=p
8.1 钢管混凝土结构简介
三、钢管混凝土结构的特点
1．构件承载力大大提高 ①由于钢管内混凝土处于三向受压状态，因此不但提高了承载力而且 还增大了极限压缩应变，这是钢管混凝土结构承载力提高的基本原 因。 ②对于钢结构而言薄壁钢管在轴心压力作用下，管壁上存在凸凹缺陷， 因而由稳定控制的承载力较低；而钢管混凝土构件，钢管保护了混 凝土，使其三向受压，另一方面，混凝土又保证了薄壁钢管的局部 稳定，相互弥补了彼此的弱点，且充分发挥了彼此的优点，因而承 载力提高。 2．具有良好的塑性和韧性 试验表明，钢管混凝土柱在破坏时，完全无脆性破坏的性质。由于 钢管中混凝土已由脆性破坏转为塑性破坏因而整个构件呈现着弹性 工作、塑性破坏的特征。
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8.1 钢管混凝土结构简介
σ′3

由于紧箍力的存在，核心混 凝土处于三向受压（σ′1、σ′2、 σ′3）状态。
σ′1
σ′1=σ′2=p
σ′2 σ′1 σ′3
σ′2 = p

而钢管则处于三向异号应力 场（σ1、σ2、σ3），即纵向σ3 受压、径向σ2受压、圆周向 （或环向）σ1受拉的应力状 态。
3 1 2 2
1
3
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2、径向位移的变化 当钢管混凝土构件受轴 向压力N作用时，钢管 和混凝土都发生纵向压 应变ε3。根据弹性理论， 由于材料泊松比的影响 钢管壁截面中心线的伸 长量为
µ sε 3 .2π (r + )
t 2
N
t t r δ1r
r钢管壁中心线 δ2r
桥梁组合结构设计原理
Design of Composite Structure Bridge
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钢管混凝土结构
举例说明： 空易拉罐 密封易拉罐

运动员举重前勒紧腰带 螺旋配箍柱的强度 钢材与混凝土的σ-ε关系


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第三部分 钢管混凝土结构

第八章 钢管混凝土结构
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8—2 钢材性能
一、常用的钢材种类及其基本性能


在钢管混凝土拱桥中采用较多的是A 3钢、16Mn钢和16Mnq钢。其中， 在北方地区由于冬季气温较低，为增加桥梁结构的低温冲击韧性， 可以考虑采用16Mnq钢。上述国产钢材均属低碳软钢。 用于钢管混凝土的钢管可以采用直缝焊接管、螺旋形缝焊接管和无 缝钢管。钢管在焊接时必须采用对接焊缝，并达到与母材等强度的 要求。
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3．结构自重和造价均有降低 与钢结构相比钢管混凝土柱可节约钢材50% 左右，造价亦可降低。与 钢筋混凝土柱相比，节约木材100%，混凝土80%，减轻自重70%，而 耗钢量和造价基本相等。 4. 施工简单、缩短工期 ①与钢结构柱相比，构件少，焊缝短，构造简单。 ②与钢筋混凝土柱不同，钢管混凝土柱的钢管即为模板，免除了支架、 绑扎钢筋和拆模等工序；节约材料并可有效缩短施工期。 5. 防腐、防火性能好 ①由于管内有混凝土存在，钢管的锈蚀面积减少50%，仅需作外部防锈。 可采用刷漆、镀锌或镀铝等方法进行防锈处理，防腐工艺简单。 ②由于管内混凝土能吸收大量热能，钢管混凝土的耐火能力远高于钢结 构和钢筋混凝土结构。 6．结构造型美观
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8.1 钢管混凝土结构简介
式中：r——钢管内混凝土截面半径； t——钢管的壁厚； ε3——钢管混凝土的纵向压缩应变； µ s、µ c——分别为钢管和混凝土材料的泊松比。


公式中截面半径的增量Δs和Δc的相对变化和材料泊松比 µs和 µc的相对 变化决定了管内混凝土外表面的外胀还是内缩。 钢材在弹性工作阶段，其泊松比µ s变动很小，约在0.25~0.3之间，可 近似取其为常数0.28。而混凝土的泊松比µc为变量，由低应力状态下 的0.17左右逐渐增大到0.5。当接近破坏阶段，由于混凝土内部纵向微 裂缝的发展，µ c将超过0.5。 所以对于钢管混凝土来说，在轴心压力N作用下，µ c逐渐增大，并且 迅速地超过钢材的泊松比µ s。
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8—2 钢材性能

钢管纵向压应力σ3与纵向压应变ε3及环向拉应变ε1之间的应力-应变 关系
σ(MPa)
400
σ~ε1
300 200 100 0
fy=319MPa
σ~ε3
ε1 – 环向应变 ε3 – 纵向应变 εy=0.00155 εu=0.01 εy=0.00155
0.01
1 [(σ 1 − σ 2 ) 2 + (σ 2 − σ 3 ) 2 + (σ 3 − σ 1 ) 2 ] = f y 2 其中径向应力σ2（即紧箍力）与纵向及环向应力相比，数值很小(从钢 管微段的环向应力分量σ1与径向应力分量平衡考虑)，即有σ2<<σ1或 σ2<<σ3。因此可以忽略σ2的影响，近似取σ2= 0，于是折算应力σz可以 写为如下形式：

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②Δc=Δs即 µ c=µ s 此时，混凝土和钢管的径向变形一致，相互 间不产生任何作用力（即p=0），但这只能 是在某一荷载作用下瞬间发生的。 ③Δc>Δs即 µ c>µ s 此时，钢管混凝土受力较大，混凝土表面外 胀要大于钢管内壁的外移量，即钢管对混凝 土的径向膨胀产生约束作用。在这种约束作 用下，根据变形协调关系钢管将产生环向拉 力，相应地混凝土受到径向和环向的压力作 用。(分析和计算表明这发生在当钢管砼平 均应力超过fscp之后、即这时才有紧箍力出现) 将钢管由于径向变形而产生的对钢管内混凝 土的径向约束作用定义为紧箍力，并以p表 示。
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钢材泊松比变化
混凝土泊松比变化
产生紧箍力的范围 上图中不严谨之处
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在钢管内混凝土的泊松比的变化过程中， 位移增量Δs和Δc的相对变化可能出现三种 情况： ①Δc<Δs即 µc<µs 此时，混凝土应力很小，混凝土表面向外 膨胀得很小，而钢管内壁向外胀得很大。 由于钢管和混凝土之间有粘结力存在，将 使得钢管产生环向压力，而混凝土则受到 径向和环向的拉力作用。
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8—2 钢材性能
二、试验研究：长径比L/D=3的钢管混凝土试件
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σv(σh)−ε关系曲线
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Ν−ε 曲线
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8—2 钢材性能

破坏图

钢管混凝土(Concrete-filled Steel Tubes)是指在钢管中填充 混凝土而形成的构件，是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配 筋钢筋混凝土结构及钢管结构的基础上演变和发展起来的 一种新型结构。
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一、分类：

根据截面形状 圆形 方形 矩形 多边形 异形
ε

可见钢材受压时具有非常大的塑性变形能力。
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二、钢材的强度


钢管混凝土构件中的钢管，由于存在着紧箍力p，因而处于三向应力 状态。当构件受压时，钢管纵向(σ3<0)和径向(σ2<0)受压而环向受拉 (σ1>0) 。 材料由弹性工作转入塑性工作的条件可由第四强度理论即Von-Mises Failure Criteria给出，即：
σz =
式中：σz—钢管的折算应力； fy—钢材的屈服应力
σ z = σ 1 2 + σ 3 2 − σ 3σ 1 = f y
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破坏包络面的含义 静水压力轴
σ1
fy
Ⅱ
Ⅰ
fy
R=fy
fy
σ3
Ⅲ
fy
Ⅳ
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8—2 钢材性能
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ξ
-σ2
b) 偏平面 图 1-7 Mohr-Coulomb 准则 Fig. 1-7 Mohr-Coulomb failure criterion
τ = c − σ tan ϕ
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-σ1 -σ1 τoct /fc
-σ3 -σ2 a) 破坏包络面 -σ3
σoct /fc
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������������
8.1 钢管混凝土结构简介二、钢管Fra bibliotek凝土中的紧箍力
1、方向定义 为确定钢管混凝土结构中两种材 料的受力状态，建立紧箍力的计 算模型和计算方法，规定了如下 的方向定义： 钢管混凝土柱截面的圆周向为方 向1； 钢管混凝土柱截面的半径向为方 向2； 钢管混凝土柱子的纵向为方向3。
δ r 2 = − µ sε 3

钢管内表面半径的净变化量Δs为：
t 2
∆ s = δ r1 + δ r 2 = µ sε 3 (r + t / 2 ) − µ sε 3t / 2 = µ sε 3 r

同时，由于纵向压缩变形亦将引起管内混凝土外表面半径的增大，该 增大量Δc为：
∆ c = µ cε 3r
8—2 钢材性能
-σ1 -σ1 r
-σ3 -σ2 a) 破坏包络面 -σ3 c) 拉压子午线