钢管混凝土统一理论与统一设计方法

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1、钟善桐: 钢管混凝土统一理论与统一设计方法 钢管混凝土统一理论与统一设计方法钟善桐( 哈尔滨工业大学土木工程学院哈尔滨1 5 0 0 9 0 )摘 要:自 1 9 7 6 年开始从事钢管混凝土构件的研究和推广应用以来，在总结国内外以往研究成果的基础上， 于1 9 8 8 年首次用合成法导得钢管混凝土轴压构件的荷载一 应变全过程关系曲线。由 此，得到了 钢管混凝土作为一种组合材料的强度设计指标， 以及弹性， 弹塑性和强化阶段的轴压模量。通过进一步的系 统而深入的研究， 于1 9 9 3 年形成并提出了 钢管混凝土统一理论。对钢管混凝土构件的研究提出了新的研究方法。在 统一理论的指导下， 继续研究

2、， 不断丰富和完善。到2 0 0 5 年基本形成了一个完整的统一理论体系 ， 并提出了统一设计公式。无论是实心或空心， 圆形， 多边形或方( 矩) 形截面的构件， 都可用统一设计公式来设计。这就为将来制订钢管混凝土的统一设计规范创造了 条件。关键词: 钢管混凝土统一理论统一设计公式各种截面构件T h e U n i f i e d T h e o r y a n d U n i f i e d D e s i g n F o r m u l a sZ h o n g S h a n - t o n g l ，C . D .( 1 . P r o f e s s o r , H a r b i

3、n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , R . P . C . :2 .G o o d e 2S e n i o r L e c t u r e r . D r . M a n c h e s t e r U n i v e r s i t y )A b s t r a c 七 :S i n c e 1 9 7 6 , a u t h o r e n g a g e d i n t h e r e s e a r c h w o r k s a n d t h e a p p l i c a t i o n s w i t h p o p u

4、 l a r i z a t i o n s o f c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t u b e ( C F S T ) s t r u c t u r e s . O n t h e b a s i s o f s e r i e s r e s e a r c h w o r k , i n 1 9 8 8 , a u t h o r f i r s t l yu s e d t h e c o m p o s e d m e t h o d t o g e t t h e r e l a t i o n s h i p o f l o

5、a d - s t r e s s f o r C F S T m e m b e r u n d e r a x i a l c o m p r e s s i o n .F r o m w h i c h w e g o t t h e c o m p o s i t e s t r e n g t h i n d e x f o r C F S T a n d c o m p o s i t e m o d u l u s o f i t . T h e n w e e n g a g e d i ns e r i e s d e e p e r r e s e a r c h , a

6、n d i n 1 9 9 3 , a u t h o r s s u g g e s t ( T h e U n i f i e d T h e o r y o f C F S T ).T h i s t h e o r y p o i n t so u t a r i g h t r e s e a r c h d i r e c t i o n a n d t h e U n i f i e d D e s i g n F o r m u l a o f C F S T m e m b e r s . W h i c h c a n b e u s e d t o d e s i g n

7、v a r i e s c r o s s s e c t i o n m e m b e r s , i n c l u d i n g s o l i d a n d h o l l o w c r o s s s e c t i o n s , a n d c i r c u l a r , m u l t i s i d e d , s q u a r ea n d r e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n s . F r o m w h i c h , o n l y o n e u n i f i e d d e s i g n s

8、 t a n d a r d i s n e c e s s a r y t o d r a w u p f o ra l l k i n d o f C F S T m e m b e r s .K e y w o r d s :C o n c r e t e - F i l l e d S t e e l T u b e , U n i f i e d T h e o r y , U n i f i e d d e s i g n f o r m u l a , V a r i e s c r o s s s e c t i o n s .1 .统一理论的形成1 9 7 6 年开始接触钢管

9、混凝土这一新的组合结 构。当时，钢管混凝土从前苏联引入我国不久，正向工业建筑和厂房结构大力推广中， 处于推广应用 阶段。 钢管混凝土主要是用作轴压和小偏心受压柱。:画I I I DXi XL=1 0 5 . 2 mmX3 . 0 5 mm X3 1 2 mm 一fy = 3 2 2 M P a 止= 4 6 .2 M P a 二曰百二一 下 灭 刃 U X 一i X 1 . = 10 2 .3 m m X 1.4 5户 1皿 f = 2 6 5 烨军呜4 1 M 2门I_ 111mi n X 3 1 2 n P a_ l 曰1 叮了! 一 1 . 一 网盯.r - _ 理论 曲 线- 一 实验

10、曲 线囚巨巨巨口10090吕6己芝陌2 0曰口厂曰曰 一一巨 二I -.七 ，阵一(一l一一l 矛一，f, = 322 M Pa j = 29 .11 m m X 3 1 2 m I MP a !曰 团口巨口阅40己演、陌如拍0 .0 0 2 0侧月0 . 01 6 0 .0 0 8 0 . 0 1 00 .0 0 2 0 . 0 0 4 0 .0 0 6 0 . 0 0 8 0 .0 1 0 (a )e(b ) 一;:门I I I I I!. _ DXt XL= 1 5 6 . 2 m mX3 . 6 mmX 4 7 0 m mA H 4 石= 3 5 7 M P a关 。 二 4 3 M

11、P a口 口洲口口巴 匕 巨匕 口丫厅曰口巨口口口口 匹厂巨口口80阅4020己芝、旧0 . 0 0 2 0 . 0 0 4 0 . 0 0 60 .0 0 8 0 . 0 1 0( c ) 图1理论曲 线和计算曲线的比 较1设计及标准规范篇当时国内外采用的设计方法， 主要是采用叠加法. 即 分别计算钢管和混凝土的承载力和刚度， 然后叠加 得到构件的承载力和刚度。有的在计算承载力时， 考虑了钢管和混凝土之间相互间产生的紧箍效应， 有的则忽略紧箍作用带来的承载力提高效果: 也有 的仿效钢筋混凝土的计算方法来计算其承载力。而 关于钢管混凝土在弹塑性和强化阶段的轴压刚度， 以及复杂应力状态下构件的承

12、载力则无法计算。1 9 7 8 年间我就设想， 叠加法虽然简单， 但不能反 映钢管混凝土轴压构件的真实工作情况， 而且也不 精确; 叠加刚度更不能反映构件的准确刚度， 尤其是 无法计算弹塑性阶段的刚度，也不能计算复杂应力 下构件的承载力。因此， 我就想从构件的轴压工作 曲线来找出它的承载力极限和刚度。这一设想到了1 9 8 8 年通过我第一个博士生才 得以实现。也是由于计算机技术的发展才能得以实现。在选定钢材和混凝土三向 应力状态下的本构关 系的基础上， 采用了合成法终于获得了钢管混凝土 轴压构件的荷载一 变形关系曲线， 成为通过计算得到 这种荷载一 变形关系全过程曲线的首创者。图1 是试 验

13、曲线和理论曲线的比较， 可见符合很好。图2 是合成法算得的轴压构件荷载一 应变的全过 程关系曲线示意图.顺利地获得了钢管混凝土轴压构件的承载力设计指 标，见上图中的f s c y ;和弹性与弹塑性以及强化阶 段的模量， 上图中的E s c , E s c t 和E s c 。在随后的年月里， 通过系统而深入的研究， 包括 受弯， 受扭和受剪， 在钢管混凝土构件的理论研究工 作中取得了系列的成果。终于在1 9 9 3 年完成并提出 了 钢管混凝土统一理论。 钢管混凝土统一理论的内容是:把钢管混凝土视为统一体， 是钢材和混凝土组 合成的一种组合材料。它的工作性能随着材料的物 理参数， 统一体的几何

14、参数和截面形式， 以及应力状 态的改变而改变。变化是连续的， 相关的， 计算是统 一的。概括而言， 钢管混凝土的工作性能具有统一性， 连续性和相关性。. ;2 k = 1 3 c2 .统一理论的应用和发展统一理论形成后， 在它的指引下， 继续进行理论 研究， 不断取得新的研究成果. 它已经成为我们开展 这一方面的研究工作的指路标。2 . 1 统一理论的发展在统一理论对钢管混凝土工作性能研究方法的指导下。1 9 9 4 年获得了圆钢管混凝土构件动力性能的科 研成果。得到了限制构件的长细比，可不限制轴压 比的结论。这就大大地提高了采用钢管混凝土构件 时的经济效益。2 0 0 1 年获得了实心圆形，

15、 多边形和方( 矩) 形钢 管混凝土构件工作性能的新成果 ( 图4 )。图2荷载一应变的全过程关系曲 线示意图( Q二N I A s c )圆形 Yfs I一 9 f .! a r图3 - 1轴心受压 石 一 典型曲线图3 是毛 大于1 时的荷载一变形典型曲 线 得到了荷载一 变形关系全过程曲线后，也就很b )八边形c )正方形图4各种截面形式的实心钢管混凝土构件钟善桐:钢管混凝土统一理论与统一设计方法2 0 0 5 年又获得了空心圆形， 多边形和方( 矩) 形 钢管混凝土构件工作性能的成果。见图5 0图5离心法产生的空心钢管混凝土构件B a / 2 旧s / 2 而图6 表示的是当空心率变化

16、时的系列N - e 关系曲线。图7 表示的则是空面形式。N!4 l心钢管混凝土构件的各种截V=0 w = 0 ., , w = 0 . 4 V = 0 . 6图7各种截面形式的空心钢管混凝土构件成和发展并非我个人的力量， 它是五十多位博士和 硕士辛勤劳动与共同奋斗和努力的结果。同时， 科 学发展是永无止境的， 它的进一步发展还有待于后 人的继续努力。 2 . 2 统一理论的应用钢管混凝土结构非常适合我国国情， 因而深受 我国工程技术界的青睐， 在我国得到广泛的推广和 应用。迄今为止， 我国己成为钢管混凝土结构应用 最广，理论研究最深的国家。钢管混凝土3 0 0 伽实心钢管混凝土构件空心钢管混凝土构件圆形方形矩形多边形圆形方形矩形多边形铆 . 9Vf = 0qf = 0 . 4 W = O . 63 0 0 伽图s空心钢管混凝土构件空心率变化时的系列N 一