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1、钢- -混凝土混凝土组合合结构的特点构的特点及及发展展主讲人：周立钢钢-混凝土结构的简介混凝土结构的简介n是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的的新型是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的的新型结构结构n结合了钢结构和混凝土结构的各自优点，易于满足结合了钢结构和混凝土结构的各自优点，易于满足现代土木工程结构对功能的要求，综合效益显著。现代土木工程结构对功能的要求，综合效益显著。n已经成为结构体系重要的发展方向之一。已经成为结构体系重要的发展方向之一。混凝土柱破坏（一）混凝土柱破坏（二）美国世贸大厦受到破坏的钢结构柱n满足平衡条件，传力路径明确，直接满足平衡条件，传力路径明确，直接n符合基本的抗
2、震设计原则符合基本的抗震设计原则n整体性好，多道防线整体性好，多道防线n合理用材，自重轻，使用性、耐久性要好合理用材，自重轻，使用性、耐久性要好n构造简单，施工方便构造简单，施工方便n避免或减少裂缝问题避免或减少裂缝问题u合理的结构设计原则深圳赛格广场n深圳赛格广场是我国深圳赛格广场是我国第一座采用钢管高强第一座采用钢管高强混凝土柱的钢结构体混凝土柱的钢结构体系超高层建筑，它也系超高层建筑，它也是目前世界最高的一是目前世界最高的一座钢管混凝土高层建座钢管混凝土高层建筑。筑。1999m,是目前世界上最高的全钢管混凝土高层建筑。钢钢- -混凝土组合结构的定义混凝土组合结构的定义n型钢、板材制品与混
3、凝土组合型钢、板材制品与混凝土组合 组合构件组合构件n含有钢含有钢-混凝土组合构件的结构混凝土组合构件的结构 组合结构组合结构n组合构件组合构件-组合梁、组合柱、组合拱、组合板等组合梁、组合柱、组合拱、组合板等n组合结构体系：建筑结构、桥梁结构等组合结构体系：建筑结构、桥梁结构等钢管混凝土结构（Concrete Filled Steel Tube)钢管混凝土结构实例钢管混凝土的优点n核心混凝土受约束核心混凝土受约束-受力性能好，截面减小，自受力性能好，截面减小，自重减轻，施工方便。重减轻，施工方便。n避免混凝土开裂。避免混凝土开裂。钢管混凝土柱与普通混凝土柱破坏形态万县长江公路大桥n主桥采用以
4、钢管高强混凝土为劲性骨架的上承式高主桥采用以钢管高强混凝土为劲性骨架的上承式高强混凝土箱形拱桥，净跨强混凝土箱形拱桥，净跨420m420m，净矢高，净矢高84m84m，矢跨，矢跨比比1 15 5，一跨过江，无水下基础。，一跨过江，无水下基础。台北101大楼钢管混凝土结构101层，508m西单地铁车站大王路地铁车站钢管混凝土柱的工作性能钢管混凝土柱的工作性能n1.1.钢管混凝土柱的几个影响参数钢管混凝土柱的几个影响参数(1) (1) 含钢率含钢率(2) (2) 约束效应系数约束效应系数一般在之间，宜大于等于钢管混凝土规程称为套箍系数（招标）(3) 径厚比或高厚比 (4) 长细比 2. 轴心受压的
5、钢管混凝土短柱（） 钢管混凝土短柱的钢管混凝土短柱的一次压缩工作曲线分一次压缩工作曲线分为三个阶段为三个阶段: :（1 1）弹性阶段）弹性阶段 oa oa（2 2）弹塑性阶段）弹塑性阶段 ab ab（3 3）强化阶段）强化阶段 bc bc n 1.01.0时，核心混凝土因紧箍效应纵向承载力的时，核心混凝土因紧箍效应纵向承载力的提高恰好弥补钢管因异号应力场使纵向承载力的减提高恰好弥补钢管因异号应力场使纵向承载力的减小，所以出现了塑性的水平段小，所以出现了塑性的水平段bcbc。n 1.0 1.0时，核心混凝土承载力的提高超过了钢管时，核心混凝土承载力的提高超过了钢管纵向承载力的减小，纵向承载力的减
6、小， 出现了曲线上升的强化阶段出现了曲线上升的强化阶段bcbc。n 1.0 1.0时，核心混凝土承载力的提高不足以弥补时，核心混凝土承载力的提高不足以弥补钢管纵向承载力的减小，曲线出现下降段。钢管纵向承载力的减小，曲线出现下降段。n 0.40.4，曲线无塑性段，呈脆性破坏。，曲线无塑性段，呈脆性破坏。圆钢管混凝土柱的计算圆钢管混凝土柱的计算 圆钢管混凝土柱中的核心混凝土的紧箍效应，圆钢管混凝土柱中的核心混凝土的紧箍效应，受力性能比矩形钢管混凝土柱好，相比而言承载力受力性能比矩形钢管混凝土柱好，相比而言承载力提高最大，也最经济。提高最大，也最经济。 钢管混凝土结构设计与施工规程承载力设计钢管混凝
7、土结构设计与施工规程承载力设计方法（方法（CECS28:90CECS28:90）。）。 1.1.单肢柱承载力计算单肢柱承载力计算 N N轴向压力设计值；轴向压力设计值；N Nu u钢管混凝土单肢柱的承载力设计值；钢管混凝土单肢柱的承载力设计值；N N0 0钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值；钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值； 钢管混凝土的套箍指标；钢管混凝土的套箍指标；f fc c 混凝土的抗压强度设计值；混凝土的抗压强度设计值；A Ac c 、A Aa a钢管内混凝土、钢管的横截面面积；钢管内混凝土、钢管的横截面面积；f fa a 钢管的抗拉，抗压强度设计值；钢管的抗拉，抗压强度设计值
8、； 考虑长细比影响，偏心率影响的承载力折系考虑长细比影响，偏心率影响的承载力折系数。数。0 按轴心受压柱考虑的1值2. 2. 格构柱的承载力计算格构柱的承载力计算 N Nu u * * 格构柱的整体承载力设计值格构柱的整体承载力设计值N N0i 0i 格构柱各肢的轴心受压短柱承载力设计值，格构柱各肢的轴心受压短柱承载力设计值，按公式确定按公式确定1 1* * ，e e* * 考虑长细比影响，偏心率影响的整考虑长细比影响，偏心率影响的整体承载力折减系数。体承载力折减系数。在任何情况下都应满足下列条件：在任何情况下都应满足下列条件： 1 1* *e e* * 0 0* *0 0* * 按轴心受压柱
9、考虑的按轴心受压柱考虑的1 1* *值值3.3.变形计算变形计算 （1 1）压缩和拉伸刚度）压缩和拉伸刚度 （2 2）弯曲刚度）弯曲刚度 A Aa a I Ia a 钢管横截面的面积和对其重心轴的惯性矩钢管横截面的面积和对其重心轴的惯性矩 A Ac c I Ic c 钢管内混凝土横截面的面积和对其重心轴的钢管内混凝土横截面的面积和对其重心轴的惯性矩惯性矩 E Ec c E Ec c 钢管和混凝土的弹性模量钢管和混凝土的弹性模量 4. 4.钢管混凝土柱考虑偏心影响的承载力折减系数钢管混凝土柱考虑偏心影响的承载力折减系数对单肢柱对单肢柱 当当e e0 0/r/rc c时时 当当e e0 0/r/r
10、c c 时时 e0柱两端轴向压力偏心距较大者；rc核心混凝土横截面的半径；M2柱两端弯矩设计值的较大者； N轴向压力设计值。5.5.钢管混凝土柱考虑长细比影响的承载力折减系数钢管混凝土柱考虑长细比影响的承载力折减系数 对单肢柱：对单肢柱： D钢管的外径； Le柱子的等效计算长度，按规程公式计算。矩形钢管混凝土柱的计算矩形钢管混凝土柱的计算1.轴心受力构件的计算轴心受力构件的计算（1 1）轴心受压构件的强度）轴心受压构件的强度 NNNNu uN N轴心压力设计值轴心压力设计值N Nu u轴心受压时截面抗压承载力设计值，按下式计算轴心受压时截面抗压承载力设计值，按下式计算 N Nu ufAfAs
11、s+f+fc cA Ac cf ，fc 分别为钢材和混凝土的抗压强度设计值，考虑地震作用组合时应除以抗震调整系数REAs Ac分别为钢管和管内混凝土的截面面积*当钢管截面有削弱时，应按下式计算净截面强度 NNun NunfAsn+fcAc Asn钢管的净截面面积（2 2）轴心受压构件的稳定性计算）轴心受压构件的稳定性计算 轴心受心受压杆件的杆件的稳定系数定系数 N Nu u轴心受压时截面抗压承载力设计值轴心受压时截面抗压承载力设计值 相对长细比，按下式计算：相对长细比，按下式计算： 钢材的屈服强度；钢材的屈服强度； 钢材的弹性模量；钢材的弹性模量； 矩形钢管混凝土轴心受压构件的长细比矩形钢管混
12、凝土轴心受压构件的长细比, ,计算如下计算如下 轴心受压构件的计算长度；轴心受压构件的计算长度； 矩形钢管混凝土轴心受压构件截面的折算回转半矩形钢管混凝土轴心受压构件截面的折算回转半径，按下式计算径，按下式计算 分别为钢管和管内混凝土截面对形心轴的惯性分别为钢管和管内混凝土截面对形心轴的惯性矩；矩； 管内混凝土的弹性模量。管内混凝土的弹性模量。（3 3）矩形钢管混凝土轴心受拉构件的强度应按下式计）矩形钢管混凝土轴心受拉构件的强度应按下式计算算 轴心拉力设计值；轴心拉力设计值； 钢材的抗拉强度设计值钢材的抗拉强度设计值2.2.压弯、拉弯构件的计算压弯、拉弯构件的计算（1 1）弯矩作用在一个主平面
13、内的矩形钢管混凝土压）弯矩作用在一个主平面内的矩形钢管混凝土压弯构件的强度弯构件的强度 同时满足下式同时满足下式 轴心压力设计值； 弯矩设计值； 混凝土工作承担系数，按下式计算； 净截面抗压承载力设计值净截面抗压承载力设计值 只有弯矩作用时净截面的抗弯承载力设计值，按下只有弯矩作用时净截面的抗弯承载力设计值，按下式计算式计算 f f 钢材抗弯强度设计值，考虑地震作用组合时应除以钢材抗弯强度设计值，考虑地震作用组合时应除以 抗震调整系数抗震调整系数 D D，B B 分别为矩形钢管截面垂直和平行弯曲轴的边长分别为矩形钢管截面垂直和平行弯曲轴的边长 t 钢管壁厚； dn 管内混凝土受压区高度，按下式
14、计算：（2 2）弯矩作用在一个主平面内（绕）弯矩作用在一个主平面内（绕x x轴）的矩形钢轴）的矩形钢管混凝土压弯构件弯矩作用平面内的稳定性：管混凝土压弯构件弯矩作用平面内的稳定性：同时满足下式：同时满足下式：并应按下列公式计算弯矩作用平面外的稳定性并应按下列公式计算弯矩作用平面外的稳定性 分分别为弯矩作用平面内和弯矩作用平面外弯矩作用平面内和弯矩作用平面外的的轴心受心受压稳定系数定系数 系数，系数，值为 欧拉欧拉临界力，按下式界力，按下式计算：算： 只有弯矩作用只有弯矩作用时截面的抗弯承截面的抗弯承载力力设计值，按下式，按下式计算：算： 等效弯矩系数，按等效弯矩系数，按钢结构构设计规范范GB5
15、0017-2003采用采用 （3 3）弯矩作用在一个主平面内的矩形钢管混凝土拉）弯矩作用在一个主平面内的矩形钢管混凝土拉弯构件：弯构件：（4 4）弯矩作用在两个主平面内的双轴压弯矩形钢管）弯矩作用在两个主平面内的双轴压弯矩形钢管混凝土构件的强度应按下列公式计算：混凝土构件的强度应按下列公式计算：同时满足下式：同时满足下式： 分别为绕主轴分别为绕主轴x x、y y轴作用的弯矩设计轴作用的弯矩设计值；值； 分别为绕分别为绕x x、y y轴的净截面抗弯承载力轴的净截面抗弯承载力设计值设计值 （5 5）双轴压弯矩形钢管混凝土构件应按下列公式计）双轴压弯矩形钢管混凝土构件应按下列公式计算绕主轴算绕主轴x
16、 x 轴的稳定性：轴的稳定性： 同时满足下式：同时满足下式：并应按下列公式计算绕主轴并应按下列公式计算绕主轴y y轴的稳定性：轴的稳定性：同时满足下式：同时满足下式： 分别为弯矩作用平面内和弯矩作用平面分别为弯矩作用平面内和弯矩作用平面外的轴心受压稳定系数；外的轴心受压稳定系数； 分别为在计算稳定的方向对分别为在计算稳定的方向对M Mx x和和M My y的弯矩等效系数，参见钢结构设计规范的弯矩等效系数，参见钢结构设计规范GB50017-2003GB50017-2003； 分别为绕分别为绕x x、y y轴的抗弯承载轴的抗弯承载 力设计值。力设计值。（6 6）弯矩作用在两个主平面内的双轴拉弯矩形
17、钢管）弯矩作用在两个主平面内的双轴拉弯矩形钢管混凝土构件应按下式计算混凝土构件应按下式计算 式中式中 、 、 、 等代号与（等代号与（5 5）条相）条相同。同。 钢管混凝土柱节点钢管混凝土柱节点1.1.一般规定一般规定设计节点式一般应满足以下设计原则：设计节点式一般应满足以下设计原则：(1)(1)节点应具有足够的整体刚度和承载力，能满足强节点应具有足够的整体刚度和承载力，能满足强柱弱梁，节点更强的原则。柱弱梁，节点更强的原则。(2)(2)节点构造应满足实际中采用的计算模型。刚接或节点构造应满足实际中采用的计算模型。刚接或铰接，明确而不含糊。铰接，明确而不含糊。(3)(3)节点应满足传递内力的功
18、能要求，传力途径明确，节点应满足传递内力的功能要求，传力途径明确，简洁而可靠。简洁而可靠。(4)(4)在满足以上三项原则的基础上，尽可能使节点构在满足以上三项原则的基础上，尽可能使节点构造简单，节约钢材和施工方便。造简单，节约钢材和施工方便。2. 2. 钢管混凝土柱节点钢管混凝土柱节点（1 1）外加强环刚接节点（外隔板节点）外加强环刚接节点（外隔板节点）横梁为工字型截面钢梁的刚性节点横梁为工字型截面钢梁的刚性节点 （2）内加强环刚性节点（内隔板节点）（3 3）铰接节点）铰接节点 （4）方（矩形）钢管混凝土柱节点内隔板节点外隔板节点3.3.钢管混凝土柱的对接接头钢管混凝土柱的对接接头（1 1）变直径的对接接头）变直径的对接接头（2）不变直径的对接接头4.4.钢管混凝土柱柱脚钢管混凝土柱柱脚课程程结束束 谢谢！
