钢管混凝土工作机理及复合刚度计算

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1、钢管混凝土工作机理及复合刚度计算摘要：钢管混凝土应用广泛，其刚度取值的不同将对内力、变形和稳定等的 计算结果产生影响，各国规范中对钢管混凝土构件刚度的定义存在着很大差异， 我国不同部门也各自有不同的规定。对国内外规范中钢管混凝土刚度的计算进行 了对比，并提出了一些建议，可供设计及工程实践参考。关键词：钢管混凝土；刚度；0.引言钢管混凝土结构近些年来在国内外工程中得到了广泛应用，很多国家对钢管 混凝土结构都制定了相应的设计规程或规范，如ACI (1999), AISC-LRFD(1999)、 EC4(1994)、AIJ(1997)、BS 5400(1979)、DBJ 15- 51-2003(20

2、03)等；我国不同部 门也制定了不同的规程，如 CECS 28： 90、JCJ01-89、DL5099-97 等1 2。 本文对国内外规范中钢管混凝土刚度的取值进行了对比分析，并提出了一些建 议，以供相关设计及工程实践参考。1. 钢管混凝土工作机理钢管混凝土的基本原理有两个方面4:1. 用作受压构件的钢管混凝土，借助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，从而大大提高了核心混凝土的抗压强度和延性，使 其由脆性材料转变为塑性材料，基本性能起了质的变化。2. 借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性。对于薄壁钢管来说，其临界承载力不恒定，它对局部缺陷很敏感，其承载力 决定于薄壁钢管的局

3、部稳定，强度常得不到充分利用。实际承载力往往只有理论 计算值的1 /31 /5，当有残余应力存在时，影响将更大。在钢管中填充混凝土 形成钢管混凝土后，混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈 曲，增强钢管壁的稳定性。2. 复合刚度计算理论钢管混凝土柱子的工作机理如上节所说，但是实际工程的设计当中，考虑到 钢管混凝土的研究相对还不是太成熟，不同国家和我国不同部门采用的计算方法 也不尽相同。针对钢管混凝土结构设计与计算中的刚度取值问题一般采用以下几 种方法：（1）换算截面法换算截面法是基于刚度等效的原则，将钢管的面积按拉压刚度等效的原则换 算成混凝土的面积，或者将混凝土的截面面积按拉压刚

4、度等效的原则换算成钢管 的而积。或式中，一钢管和混凝土的截面面积；，钢材和混凝土的弹性模量；将钢管换算成混凝土（或将混凝土换算成钢管）后的构件截面面积。（2）直接叠加的计算方法直接叠加法，是指不考虑钢管对于核心混凝土的约束作用，单独考虑钢材与 混凝土对于轴压复合刚度的贡献，并将两者刚度简单叠加。关于钢管混凝土柱轴 压复合刚度计算的研究在一些文献中有所报道，但研究的不多，文献 中给出 的轴压复合刚度计算公式就采用上述直接叠加的方法；文献指出，在正常使 用荷载作用下，处于弹性阶段的钢管混凝土，其套箍作用尚不甚显著而可忽略， 钢管犹如普通钢筋混凝土中的纵向钢筋一样和核心混凝土保持协调变形，根据钢 管

5、与核心混凝土的弹性变形协调条件，推荐的钢管混凝土的组合刚度表达式也用 此直接叠加的方法。（3）折减系数法折减系数方法是指，考虑到钢管和混凝土由于各种原因不能同时发挥其材料 性能，将钢管混凝土的复合变形模量在方法（2）简单叠加的基础上再进行折减。（4）考虑套箍作用计算方法考虑套箍作用的计算方法，是指由于核心混凝土在荷载作用下处于钢管紧箍 的三向受力状态，即在复合弹性模量计算中考虑到钢管对于核心混凝土的套箍作 用会带来核心混凝土刚度的提高作用。3. 国内外钢管混凝土刚度计算比较基于上述不同的复合刚度计算理论，各国对于钢管混凝土结构刚度的计算方 法存在着很大的不同，现比较如下8：1、中国国家建筑材料

6、工业局标准钢管混凝土结构设计与施工规程(JCJ 0189) 9。该标准的的基本理论依据见蒋家奋、汤关祚三向应力混凝土10书。 该规程在基本构件计算中借用了混凝土结构设计理论的一些公式形式，根据钢管 混凝土构件的试验结果和理论分析建立起一套半经验半理论的计算公式和表格。规程第2.3.3条规定:钢管混凝土受压杆件的计算变形模量Esc按下式计算：式中一混凝土弹性模量；钢管钢材弹性模量；钢管混凝土杆件含钢率，按公式=4t/D计算，其中t为钢管壁厚，D为钢 管外径。根据规程的规定，可得到组合截面的轴压刚度为：可见钢管混凝土组合截面的轴压刚度等于钢管与混凝土两部分轴压刚度的 叠加，然后进行一定的折减。规程

7、中没有计算组合截面抗弯刚度的相关条文。2、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(CECS 28: 90)该规程的基本理论依据见蔡绍怀钢管混凝土结构一书。该规程在基本构 件中比JCJ 01- 89更多的沿用了钢筋混凝土结构设计规范中的公式，主要依 据钢管混凝土构件的试验结果，以经验回归公式为主。规程第2.0.2条规定:钢管混凝土构件在正常使用极限状态下的刚度可按下列 规定取值：1)压缩和拉伸刚度:2）弯曲刚度:式中,，钢管横截面的面积和对其形心轴的惯性矩，管内混凝土横截面的面积和对其形心轴的惯性矩，钢材和混凝土的弹性模量。无论是组合截面的抗压刚度还是抗弯刚度，皆为钢管与混凝土两

8、部分相应刚 度的简单叠加，没有进行折减。由于规程中没有定义组合截面的弹性模量、面积 以及惯性矩，因此组合截面的轴压、抗弯刚度只能以整体的概念出现。3、中华人民共和国电力行业标准钢-混凝土组合结构设计规程（DL/ T 5085- 1999）该规程的基本理论依据见钟善桐的钢管混凝土结构一书。该规程所依据 的基本理论视钢管混凝土为一种材料，采用统一理论，以建立在试验基础上的理 论公式为主，在公式形式方面更多的借鉴了钢结构的设计理论，对压弯构件采用 应力表达方式，而不是承载力，由于理论公式较繁琐，更多的采用了表格的形式。此规程是在定义了组合截面的截面特性（如组合截面面积Asc= As+Ac，组合 截面

9、惯性矩Isc=Is+Ic,）的基础上，定义并推导出钢管混凝土组合抗压、抗弯弹性 模量，从而得到相应组合截面刚度的计算公式。1）组合轴压刚度规程第6. 2. 8条规定:钢管混凝土组合轴压弹性模量Esc可根据钢材种类、 混凝土等级和构件截面含钢率as，查表得到，也可按规程条文说明提供的数学表 达式进行计算。钢管混凝土组合轴压刚度：钢管混凝土组合弹性模量:式中各参数详见规程。2）组合抗弯刚度钢管混凝土组合抗弯刚度：规程第629条规定：钢管混凝土组合抗弯弹性模量按下式计算:其中，K2为换算系数，可根据含钢率as和混凝土的强度等级查表得到，也 可根据条文说明介绍的数学表达式进行计算。4、日本建筑协会A1

10、J规程日本建筑学会于1997年出版了钢管混凝土构造设计施工指针此后于 2001年修订出版了钢骨混凝土结构计算标准（第五版），两本规程采用了相同 的组合刚度计算公式。（三）导师制的作用大众化教育背景下本科生导师制的实施是否有必要？调查结果显示，在被调 查的我院04、05级93人中，有79%的学生认为实行本科生导师制对于本科生培 养教育具有重要的意义，82%的教师认为有利于因材施教和学生的个性发展；有 利于教学与科研相结合；有利于充分发挥教师教书育人的主体作用；有利于密切 师生关系，增进师生友谊。可见，绝大多数师生对大众化教育背景下实施本科生 导师制的认识具有高度的一致性。（四）结论通过调查和比较

11、分析，我院本科生导师制在实行过程中仍存在不少有待解决 的问题，归纳为以下几点：一是本科生导师制形式化程度较浓厚，活动方式比较 单一，师生比例不协调，师生间沟通交流较少，本科生导师制难于真正发挥作用。 二是导师制指导内容不够规范。导师对自身职责和工作目标不够明确，部分导师 难于做到尽职尽责。三是导师制考评机制缺乏科学性，且与之配套的制度不健全 和不完善，这在很大程度上影响了本科生导师制的实施效果及导师的工作积极 性。三、完善本科生导师制的对策和建议（一）结合实际，加强针对性指导指导方式应结合我院师资条件、教学科研状况、学生素质、班主任和辅导员 制度等实际，选择不同类型。目前，本科生导师制基本上分

12、为综合导师制、年级 导师制、英才导师制等不同类型。由于我院班主任和辅导员制度的存在，与综合 导师制必然产生职能上的重复，难于协调两种制度的职能，加之生师比问题突出， 因而不适宜采用。而英才导师制由于其覆盖面过小，闲置和浪费了导师资源，因 而也不适宜采用。相对而言，年级导师制由于主要是针对低年级学生的大学生活 适应、学习方法、专业发展和职业规划的指导，可以有效地克服供需不平衡的问 题，加之高年级的学生已经具备了较强的独立自主能力，就不再需要配备导师了， 因而比较适宜。同时，为求得导师制的良好效果，应加强指导的针对性和多样性， 如利用电话相互联系或网上交流、导师经常下寝室、学生经常登门请教等加强学

13、 生与导师间的交流与了解，为导师制的顺利实施奠定基础；导师应根据学生的专 业特长、学习兴趣和个性特征，制订并实施具体计划，通过导师论坛、专题讲座、 谈心交流、学业辅导等形式，采取集中和个别相结合的方式，开展经常性的、有 针对性的教育活动；此外，在指导要求上，既要倡导导师找学生，也要要求学生 主动找导师，发挥两方面的积极性，形成良性互动，以增强指导实效。（二）强化导师队伍，明确导师职责在进行导师筛选的过程中，挑选专业业务好、政治素质高、责任心强的老师 担当本科生的导师是本科生导师制在实施过程中的一个重要环节。近几年，随着 我校扩大招生，学生数量急剧增加，但与此相对应的师资队伍建设却严重滞后， 最

14、突出的问题就是本科生导师的数量不能适应本科生导师制发展的要求。为此， 我们认为一方面应严格控制学生规模，加强师资队伍建设，提高教师工资福利待 遇，以稳定导师队伍，激发导师工作的积极性；另一方面可适当招收部分在读研 究生来充实导师队伍，使师生比保持在理想状态。此外，应明确导师职责，这既 是加强导师工作管理的必要手段。也是衡量和考评导师工作的客观依据。具体而 言，本科生导师的职责大概分为以下几项：一是根据人才培养目标和专业培养计 划，对学生的专业学习、选课过程给予指导。二是定期组织学习讨论，让学生参 与科学研究，培养学生理论联系实际的能力和创新思维能力，引导学生了解学科 前沿情况，对学生的发展方向

15、提出建议。三是及时了解学生的思想动态，对学生 进行思想品德教育，让学生树立正确的人生观和价值观，促进学生个性健康、充 分地发展。（三）加强制度建设，完善考评体系一是学院应建立导师培训制度，提供有关信息，使导师懂得如何去导。如为 保证导师能有效地指导学生选课，教学管理部门可利用课余时间让导师集中学习 学分制的有关管理规定，使导师了解学分制的管理模式、选课过程的操作；学院 和各系可组织导师学习，使其了解本专业培养计划，熟悉公共基础课、专业基础 课和专业课与选修课等课程的安排情况；学院可为导师提供所指导学生的有关信 息，如学习、奖惩、家庭情况，以便于导师因材施教；学工部门应向导师发布毕 业生就业行情

16、及市场信息，以方便导师为学生就业出谋划策。二是完善导师岗位 目标责任制和具体考评办法，对导师在任期内的德、能、勤、绩定期进行考核并 记入档案，对导师的考核要充分听取学生的意见，要把考核结果与教师年度考核、 专业技术职称、职务晋升、岗位聘任和奖酬金结合起来。学校可设立本科生导师 奖励基金，对工作突出的优秀导师进行表彰奖励，对不认真履行导师职责、考核 不合格的导师加强教育管理，甚至取消其导师资格。三是建立健全监督体制，采 取灵活多样的监督方式，如在学工或教科办设立意见箱，向广大学生做定期导师 成果调查，接受学生提出的建议和批评；加强监督网络，拓宽监督渠道，保障言 路畅通等。参考文献1李达轩，曾凡东.本科生