钢管约束混凝土结构的研究和工程应用研究

1、钢管约束混凝土结构的研究和工程应用研究一、钢管约束混凝土柱的特点二、圆钢管约束混凝土短柱的轴压力学性能三、圆钢管约束钢筋混凝土框架柱的滞回性能四、钢管约束混凝土柱典型工程应用主要内容1.传统钢管（型钢）混凝土柱的不足SRC柱截面型钢混凝土柱钢梁节点型钢混凝土柱截面一、钢管约束混凝土柱的特点型钢混凝土柱钢筋混凝土梁型钢混凝土柱钢筋混凝土梁钢管混凝土柱钢筋混凝土梁钢管混凝土柱钢筋混凝土梁达承载力前，对混凝土约束不足达承载力时，钢管易屈曲，延性较低钢管直接承载，防火保护费用高方钢管、高强砼、高轴压比时，更是如此达到对混凝土约束效应低，抗震性能差轴压比限值低框架短柱层间变形能力差1、节点构造复杂，施工

2、困难，节点耗材成为困扰工 程应用的主要问题2、力学性能可进一步改善结构材料发展趋势高强钢材高强砼传统组合结构优势不明显钢管混凝土：限制宽厚比，不能充分发挥高强钢材性能，用钢量大型钢混凝土：限制轴压比，不能充分发挥高强材料性能2. 钢管约束混凝土柱 钢管在节点断开,不直接承受荷载,只对核心砼起约束作用钢管约束钢筋混凝土柱钢管约束型钢混凝土柱钢筋砼梁钢梁 特点连接方便约束效果好，抗震性能优越，轴压比限值高抗火性能好，无需防火保护钢管无屈曲问题充分利用高强混凝土和高强钢材的强度可不配钢筋笼，混凝土浇筑方便提高纵筋率，保证“强剪弱弯”加载装置钢管混凝土模式a模式c1、圆钢管约束素混凝土轴压短柱试验内容

3、：承载力比较钢管分隔对承载力的影响 试验参数：6组18个试件加载方式：单调与反复混凝土强度：C70、C75钢管径厚比：20、26、42钢管强度：Q345二、圆钢管约束混凝土短柱的轴压力学性能ccft-133-3-70 c-140-3-70-a c-140-3-70-c 均为剪切破坏骨架曲线对比归一化骨架曲线对比圆钢管约束混凝土延性与钢管混凝土无明显差别剪切破坏面承载力对比短柱轴压承载力显著高于简单叠加承载力圆钢管约束混凝土柱轴压承载力高于钢管混凝土柱钢管分隔越多，承载力高试测承载力简单叠加承载力构件模式a构件模式b构件模式c构件模式d(无钢筋)2、圆钢管约束钢筋混凝土轴压短柱 试验参数：5组2

4、0个试件混凝土强度：C50、C80钢管径厚比：50、70、100钢管强度：Q235， Q345试件应变片NN位移计加载装置简图c-210-3-50-a-235 c-210-3-50-b-235 c-210-3-50-c-235 c-210-3-50-d-235 c-150-3-80-a-235 c-150-3-80-b-235 c-150-3-80-c-235 c-150-3-80-d-235 C80混凝土试件的破坏模式：剪切破坏C50混凝土试件的破坏模式：混凝土压溃破坏归一化的荷载-变形曲线对比构件模式对承载力、延性无明显影响h/vN (kN)钢管屈服点对应于峰值荷载点环向应变与纵向应变之比

5、破坏阶段主要是环向应变构件模式aSRC对比试件AAAAAABBB-BA-ADaBa构件模式b构件模式c3、圆钢管约束型钢混凝土轴压短柱试验参数：3组11个试件混凝土强度:C80钢管径厚比:70,100钢管强度:Q235,Q345cs-210-3-80-a-235cs-210-3-80-b-235cs-210-3-80-c-235CSRC-210-80C80高强混凝土试件的破坏模式为剪切破坏荷载-变形曲线对比归一化的荷载-变形曲线对比钢管屈服点对应于峰值荷载点构件模式对承载力、延性无明显影响钢管屈服强度对荷载-变形曲线的影响钢管径厚比对归一化的荷载-变形曲线的影响钢管屈服强度提高，承载力提高，但

6、延性变化不明显钢管径厚比对延性影响不显著圆钢管约束型钢混凝土柱的承载力高于型钢混凝土柱的承载力其承载力高于简单叠加承载力承载力对比试测承载力简单叠加承载力极限承载力约束混凝土承载力纵筋承载力型钢承载力约束混凝土抗压强度非约束混凝土抗压强度混凝土的约束应力承载力公式与试验结果对比基本假定：钢管屈服点对应于极限承载力点极限承载力点处，钢管沿环向屈服4、圆钢管约束混凝土短柱的承载力计算压弯构件详图三、圆钢管约束钢筋混凝土框架柱的滞回性能1、压弯构件滞回性能的试验研究框架柱滞回试验的加载和测量装置框架柱滞回试验的加载和测量装置试验内容轴力、往复水平荷载作用下的性能与钢筋混凝土构件的抗震性能对比研究轴压

7、比对抗震性能的影响研究砼强度对抗震性能的影响试验参数：5个试件混凝土强度：C60、C30钢管径厚比：86钢管强度：Q345试验轴压比：剪跨比滞回试验加载制度纵筋屈曲混凝土外凸试验后去除钢管2混凝土外凸试验后去除钢管 4(a) CRC-60-8 (b) CTRC-60-8 (c) CTRC-60-6 混凝土 外凸试验后去除钢管混凝土水平裂缝试验后去除钢管 1(d) CTRC-30-8 (c) CTRC-60-3 试件破坏形态：在端部D/2处破坏混凝土对比试件轴压比相同荷载-位移滞回曲线骨架曲线对比钢管约束的影响轴压比的影响混凝土强度影响钢管约束混凝土承载力高、延 性好轴压比提高、承载力提高，但

8、不降低延性提高混凝土强度并不降低延性 和变形能力改进的纤维模型法：平截面假定钢筋和约束混凝土的滞回模型考虑钢管对核心混凝土的约束变化2、压弯构件滞回性能的数值模拟荷载(P)-位移()分析程序框图M-N-分析程序框图理论与试验曲线的对比3、压弯构件的恢复力模型截面弯矩-曲率恢复力模型荷载-位移恢复力模型P (kN)(mm)P (kN)(mm)P (kN)(mm)P (kN)(mm)恢复力模型与试验的比较4、框架短柱滞回性能的试验研究4个试件混凝土强度：C70钢管径厚比：75钢管强度：Q345试验轴压比：剪跨比(a) CRC-70-6-1.5 (d) CTRC-70-4-1.5 (c) CTRC-

9、70-5-1.5 钢筋混凝土超短柱发生剪切破坏，钢管约束钢筋混凝土超短柱不发生剪切破坏钢管约束的影响轴压比的影响钢筋混凝土超短柱的变形能力难以满足抗震要求钢管约束混凝土超短柱的抗剪承载力高、延性和变形能力好钢管径厚比可进一步降低轴压比提高，承载力提高、延性与层间变形能力并不降低骨架曲线对比圆钢管约束钢筋混凝土短柱荷载-位移恢复力模型荷载-位移恢复力模型与试验结果的对比5、框架短柱的恢复力模型计算抗弯承载力与试验结果的对比基本假定：平截面假定极限承载力点处，钢管沿环向屈服边缘纤维极限压应变为约束混凝土峰值应变的倍计算方法：采用中国规范GB50010或美国规范ACI的边缘纤维极限应变计算方法将约束

10、混凝土强度代入中国规范建议的简化公式6、圆钢管约束钢筋混凝土的抗弯承载力圆钢管约束型钢混凝土框架柱的性能方钢管约束混凝土轴压短柱的力学性能方钢管约束钢筋混凝土框架柱的滞回性能方钢管约束型钢混凝土框架柱的滞回性能 钢管约束混凝土柱的设计方法 大连市重点工程框架柱+弦支穹顶低层柱子高为，剪跨比， 为超短柱。采用普通钢筋混凝土柱，不能满 足罕遇地震设计要求。 采用传统钢管混凝土柱或型钢混 凝土柱，节点构造困难、施工复 杂、造价偏高 结构整体计算模型框架柱1、大连市体育馆弦支穹顶屋盖四、钢管约束混凝土柱典型工程应用钢管约束钢筋混凝土柱详图(a) 钢管现场吊装(b) 混凝土完成浇筑钢管约束钢筋混凝土柱施

11、工中国石油总公司东北销售总部。176m超高层，筒中筒结构，主体结构地下4层，地上43层，外筒地下4层至地上3层为框架，从第4层开始由框架结构体系转换为桁架筒体结构体系，4层至43层为交叉桁架筒体；群房部分地下4层，地上4层。地下4层至地上8层竖向柱和斜柱均采用钢管约束钢筋混凝土柱 2、大连中国石油大厦主体结构平面布置图主体结构立面布置图钢管约束钢筋混凝土柱截面配筋与梁柱节点3、黑龙江省博物馆自然展厅 右侧的狭长多边形部分为历史展厅，左侧的碗型部分为自然展厅部分。碗型自然展厅部分的底面直径为，顶面直径为。碗型建筑共分3层，层高。 结构体系：框架-剪力墙，空间钢结构；结构整体属大型复杂结构6根竖直

12、柱：圆钢管约束型钢混凝土20根弧形斜柱：方钢管约束型钢混凝土4、大连市体育场大连市重点工程，2013年全运会足球比赛场地之一。结构体系：下部混凝土框架结构看台+上部钢结构悬挑桁架罩棚悬臂柱悬臂柱钢结构罩棚混凝土框架支承钢结构的悬臂柱剪跨比达，是超短柱罕遇地震作用下，可能发生脆性剪切破坏 136根悬臂柱采用钢管约束钢筋混凝土柱充分发挥其抗震性能优越和梁柱节点连接方便的特点68榀钢结构平面桁架罩棚，悬挑长度平均达40m，最大达48m大连市体育场结构剖面图5、丹东奥体中心体育场2013年全运会足球比赛场地之一结构体系：底部框架+顶部大、小钢结构拱形桁架罩棚罩棚最大跨度达到了288m，为超限结构，进行了抗震超限审查 结构整体计算模型下部框架结构计算模型悬臂柱支承上部钢结构罩棚的38根直径的柱子为悬臂柱，高度不一致，属长短柱混用，是抗震薄弱环节超限审查认可采用钢管约束混凝土柱概括：地下2层，地上40层，结构高度200m，为黑龙江省重点工程；建成后将成为哈尔滨的最高建筑，也将成为哈尔滨的标志性建筑之一，是哈尔滨发展高新技术产业集群的核心建筑结构体系：框架-核心筒；顶部外形逐渐缩小部分为：钢框架-支撑结构结构材料：外框架柱和内部核心筒混凝土强度等级均为C606、哈尔滨科技创新大厦，结构一层顶