钢管混凝土统一理论与统一设计方法

1、钢管混凝土统一理论与统一设计方法 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 (哈尔滨工业高校土木工程学院哈尔滨 109) 500 设计及标准规范篇 当时国内外采纳的设计方法，主要是采纳叠加法.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，有的则忽视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，以及简单应力状态下构件的承载力则无法计算。 17年间我就设想， 98叠加法虽然简洁，但不能反映钢管混凝

2、土轴压构件的真实工作状况，而且也不精确；叠加刚度更不能反映构件的精准刚度，尤其是无法计算弹塑性阶段的刚度，也不能计算简单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18年通过我第一个博士生才 98得以实现。也是由于计算机技术的进展才能得以实现。 顺当地获得了钢管混凝 土轴压构件的承载力设计指标，见上图中的fc;和弹性与弹塑性以及强化阶 sy 段的模量，上图中的Ec Ec和Ec s, t s'。 s在随后的年月里， 通过系统而深化的讨论，包括受弯，受扭和受剪，在钢管混凝土构件的理论讨论工作中取得了系列的成果。最终在19年完成并提出 93了钢

3、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，统一体的几何参数和截面形式，以及应力状态的转变而转变。改变是连续的，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。 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，采纳了合成法最终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. 3.;2c 2 .统一理论的

4、应用和进展统一理论形成后， 在它的指引下，连续进行理论讨论，不断取得新的讨论成果.它已经成为我们开展 这一方面的讨论工作的指路标。 2统一理论的进展 . 1在统一理论对钢管混凝土工作性能讨论方法的 指导下。 19年获得了圆钢管混凝土构件动力性能的科 94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纳钢管混凝土构件时的经济效益。 20年获得了实心圆形， 01多边形和方 (形钢矩)管混凝土构件工作性能的新成果 ( )。图4 k1= 图2荷载一应变的全过程关系曲线示意图 ( I s) Q二N A c 圆形 fa s9 Yr I一 f .! 图31轴心受压石典型曲线 -一

5、图3大于1是毛时的荷载一变形典型曲线也就很得到了荷载一变形关系全过程曲线后， 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年又获得了空心圆形， 05多边形和方 (形矩) 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旧 s2 2/ 而图6表示的是当空心率改变时的系列N e -关系曲线。 图7各种截面形式的空心钢管混凝土构件 图7 表示的则是空心钢管混凝土构件的各种截面形式。N ! l 4 成和进展并非我个人的力气，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，科学进展是永无

6、止境的，它的进一步进展还有待于后人的连续努力。22 .统一理论的应用 0= V w0=. w 04,= ., 钢管混凝土结构特别适合我国国情， 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，理论讨论最深的国家。实心钢管混凝土构件圆形方形矩形多边形空心钢管混凝土构件圆形方形矩形多边形 V 06=. 30 0伽 钢管混凝土 铆 . 9 f V0= q 04 f .= W O6=.30 0伽图s空心钢管混凝土构件空心率改变时的系列N关系曲线一 在我国， 钢管混凝土结构的进展非常快速，从开头时的实心圆形构件进展到方形和矩形构件；又由实心构件进展到

7、空心构件等等。如下图所示。图中除了实心多边形构件外，其他各种形式的 钢管混凝土构件在工程中都有采纳。而且，在实心中的圆形，方形和矩形钢管混凝土，以及空心圆形钢管混凝土方面，也都先后制订了设计规程。这些规程采纳的构件设计方法多种多样。在统一理论的指导下， 获得了统一设计公式。由于以受压为主的构件总是决定于稳定，故只需用以下公式二 至此，钢管混凝土统一理论基本上形成一个完整的理论体系应当指出的是 钢管混凝土统一理论的形 (当/A.1 To-/)/c 0 (T 2Vo 1y 1 N, 2- ) V22时 ),- 5/ ( 1f(N+m0M1./)1 T0十 V M17,-4N.(T/) N巾O旦/.

8、1(0NE+ )( 0/ ) 4 2V 2/ 设计及标准规范篇毛1. . . ( A) (当/A- o2Vo 1.s 2 Nb,1(T -/)/ 2。 ), T ) V22 f时/ (0 (. 4 m( . 4/ 2/ 2 N 14 0, NF+ T+ V/ ) ) MM1 4N ( 0 ( 0 N+/ 0/) T ) V ) o -12 10 08 06 04 02 0蕊1二 n/o二NN0 3 C0 2 5 3 () B 这是一个四维方程。当T0成为三项式 (=时，图8 ); S M=/G M ' M/o二NN0 4 C 0 3 5 4 0B 06 04 02MI p M( o 0

9、 c M=/O M ' 图8三向应力状态下的相关曲面 TV O 变为压弯构件的两项式 ( );=时，图9 图9压弯构件的相关关系曲线 TVMO变为轴心受压的设计公式。=时，式中：N, M T V分别是构件所受的轴，,向压力，弯矩，扭矩和剪力；扭矩和剪力设计承载力；不同的构件有不同的值；构件的长细比。 的塑性进展系数。 A是截面面积， s c实心截面和空心截面不同。 N M T V分别是构件的轴向 a o00,压力，弯矩，面模树，实心和空心截面时，其值也不同。 W和 S S WT C C分别是构件的抗弯截面模数和抗扭截f S分别是钢管混凝土构件的轴压强度设 S c C和f N一 E欧拉临

10、界力，N 311E,X x .一， .,是= 46 j,/ N=S、 oY f二 TSf M= s S oY TS; OA f;,。 m cC w;T Wc c V V Y S; 0 vcc= s v Af0是等效弯矩系数， 。按钢结构设计规范的规定采纳。 计值和抗剪强度设计值。轴压强度设计值： 实截： c 1 1B 2 f 5 ( 2+ 2 k,心面 f . k O 2 0= 2+ 2 C )B 01 9/ 5 .7; y 3 094= 7 f 2+ . 5C 0 1 8c 000; 3f+. 9二一., 3 0 Y, Y,分别是构件抗弯， v m T和Y抗扭和抗剪时截面形 空截面： s f

11、 f f s k。I心 c。 x一= V,正方形 八边形圆形和 1边形 6Q3和 25Q4 35a .= 0 0 508 .9 Q9 3001 . 009 .0 1 . 5 Q3, 5 30 25Q4和Q9 302 .0 式 k 21 。= . 00 507 .4 01 . 0 01 . 5 02 .0 08 . 09 .3 09 .8 07 . 3 07 . 2 07 . 1 系数k 实 心 截 面 空 心 截 面 圆和1边形八边形 6 方和矩形 圆和1 6边形 八边形 方和矩形08 .5 0 2 . 0 4 . 5 0 . 0 9 . 5 0 9 5 . 0 08 . k,xm 1 6边形 09 .5 09 . x二一043 96二 .+. 1 82 24 1/ 2Y . 1 181 T二一040 93 2 7+. 1/ 1 0 . 1 0 . . 10 1 0 . 1 0 . 0 1 . 0 8 5 . 5 0 8 0 8 . .5 Yx v, x二一. 28/、 025+. ' 93 91 1 2 钟善桐：钢管混凝土统一理论与统一设计方法 抗剪强度设计值： 的特点。 由于有了统一的设计公式， 全部的钢管混凝土实截：, (3+2