钢管发泡混凝土构件径厚比的确定及应用.pdf
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1、 2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 2期 ( 总第 2 3 1 期 ) Apr 2 0 14 Vo 1 4 2 No 2( S e r No 2 3 1 ) 钢管发泡混凝土构件径厚 比的确定及应用 De t e r mi na t i on a n d App l i c a t i o n o f Di a me t e r t h i c kne s s Ra t i o o f St e e l Tub e Ce l l ul a r Co n c r e t e Co mp o n e n t 孔繁 力 , 李洪伟 , 王诚 志 , 崔 国玉 , 王 春 ( 1 东北 电力设计
2、 院, 长春 1 3 0 0 2 1 ; 2 黑龙 江省 电力经 济技 术研 究院 , 哈 尔滨 1 5 0 0 3 6 ) 摘 要 : 通过对薄 壁钢 管与 内部发泡混凝 土的相互作用分析 , 可 以得 出钢管 发泡混凝土构件 的应力一 应变关 系及 二 者问的作用力 , 推导 出钢管 出现 局部屈 曲的临界应力和临界径厚 比; 参照 以往钢 管制作工艺 的研究 成果 , 确定 出钢 管加工制作要求 的最大径厚 比。以上二者结合 , 可以确定钢管发泡混凝土构件径厚 比为 1 8 0 , 从 而突破 GB 5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范 规定的径厚 比的限制 。钢管发泡混凝
3、土构件 , 由于发泡 混凝 土很轻 ( 密度 3 0 0 5 0 0 k g m。 , 又可 以制成实心或空心钢管发泡混凝土构件 , 使得管材非常轻便 。由于采用了高强钢 , 钢材使用 量降低近 5 O , 经 济 、 社会 效益 非常显著 , 可 以广泛用于送 电工程 的钢管杆 、 变电工程的构架柱 、 构架梁 、 支架等结构 。 关键词 : 钢管发泡 昆凝土 ; 薄壁钢管 ; 径厚 比 Ab s t r a c t : Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o n i n t e r a c t i o n b e t we e n t h
4、i n wa l l c i r c u l a r s t e e l t u b e a n d i n t e r n a l c e l l u l a r c o nc r e t e, t he s t r e s s s t r a i n r e l at i on s hi p an d m u t ua l a c t i n g f or c e s h av e be e n obt a i ne dCr i t i c al s t r e s s f or l o c a l yi e l d i ng a nd c r i t i c a l d i ame t
5、e r t h i c k ne s s r a t i o ha v e be e n c ond uc t e d The ma xi mum di a me t e r t hi c kne s s r a t i o o f s t e el t ube und e r p er mi t t e d de f l e c t i on r a ng e ha s b ee n c on duc t e dTh e d i a me t e r t hi c kne s s r a t i o of s t e e l t ube c e l l ul a r c on c r e t
6、 e c o m p on e nt ha s b ee n de t e r mi ne d a s 1 8 O,wh i c h b r e a ks t he l i mi t e d r a t i o of GB 5 0 01 7- 20 03 Code f or de s i gn o f s t e e l s t r u c t u r e s Th e c o mp o n e n t o f s t e e l t u b e c e l l u l a r c o n c r e t e i s l i g h t b e c a u s e o f t h e d e
7、n s i t y o f c e l l u l a r c o n c r e t e i s l o w Th e c o n s u mp t i o n o f s t e e l h a s b e e n r e d u c e d 5 0 b e c a u s e o f t h e a p p l i c a t i o n o f h i g h s t r e n g t h s t e e 1 W i t h a p p a r e n t s o c i a l a n d e c o n o mi c b e n e f i t s ,t h i s k i n
8、d o f c o mp o n e n t c o u l d b e wi d e l y a p p l i e d a s s t e e l t u b e p o l e f r a me c o l u mn,f r a me b e a m a n d s u p p o r t e r i n p o we r t r a n s mi s s i o n a n d s u b s t a t i o n p r o j e c t s Ke y wo r ds: s t e e l t ub e c e l l ul a r c o nc r et e; t hi n w
9、a l l c i r c ul a r s t e e l t ub e; di amet e r t hi c kn e s s r at i o 中 图 分 类 号 : TU5 2 8 2 文献 标 志 码 : A 文 章 编 号 : 1 0 0 9 5 3 0 6 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 1 2 0 4 因钢管 内部发泡混凝土的存在 , 使得薄壁钢管 局部缺 陷得以“ 补偿” , 从而可以大大提高径厚 比的 限值 。而我国钢管混凝土结构相关规程 】 规定钢管 J_r_ 的径厚比d t 宜控制在 2 o 8 52 3 5 ( f y 为钢材 牌 号所指 屈 服点 ) ,
10、是 为防止 空钢 管受 力 时管壁 局部 失 稳 而定 出的 , 这 比我 国钢 结 构设 计 规 范 规 定 的 钢 管 外 径 与 壁 厚 之 比 不 应 超 过 1 0 0 ( f y 2 3 5 ) 还 严 格 。 近 年来 , 国内外 的试验 研究 表 明_ f3 。 , 由于 内填混 凝土的存在 , 径厚比远超上述 限值的薄壁钢管发泡 混 凝 土柱均 没有 发生 管壁 的局 部屈 曲破 坏 , 同样 , 钢 管 发泡 混凝 土结 构 的试验 也获 得 了类 似 的结果 。为 开展薄壁钢管发泡混凝土柱的轴压工作性能和应用 研究 , 需要从理论上分析上述现象 , 并定量给出轴心 受 压
11、薄壁 圆钢管发 泡混 凝土 柱 的管壁 临界 径厚 比。 1 钢 管及 发泡混凝 土的计 算模型 钢 管发 泡混凝 土 的工作 机 理 的关 键 是按 照发 泡 混凝 土和钢 管 2种材 料 的特点 区分 出各 自不 同 的工 作阶段 。 发泡混凝土是一种应用广泛的建筑材料 , 其 特点 是材 料组成 的不 均匀 性 , 且存在 天 生 的微 裂缝 , 由此决定了其特征性是 : 微裂缝发展、 运行从而构成 较 大的宏 观裂 缝 , 继 之宏 观裂 缝继 续发 展 , 最 终 导致 结构破坏 。发泡混凝土的这种特征决定了其工作性 能的复杂性。 在钢管发泡混凝土中, 核心发泡混凝土 受到外包钢管
12、的约束 , 钢管和发泡混凝土存在相互 收 稿 日期 : 2 0 1 4 - 0 2 1 7 作者简介 : 孔繁 力( 1 9 6 9 ) , 男, 国家一级 注册 结构 工程 师, 从 事 变电土建设计工作 。 1 2 2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 2 期 ( 总第 2 3 1期 ) Apr 20 1 4 Vo 1 4 2 No 2( S e r No 2 3 1 ) 作用 , 这种相互作用使核心发泡混凝土的工作性能 进 一步 复杂 化 。 钢管发泡混凝土是借助圆形钢管对核心发泡混 凝土的套箍约束作用 , 使核心发泡混凝土处于三向 受压状态 , 延缓其纵向微裂缝 的发生和发展 ,
13、从而使 核心发泡混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能 力; 同时借助内填发泡混凝土的支撑作用, 增强钢管 管壁的几何稳定性, 改变钢管的失稳模态, 从而提高 其承 载能力 。 薄壁 钢管 内 的发 泡 混 凝 土 采 用 由 P o p o v i c s建 议E 的 受 约 束 混 凝 土 单 轴 应 力一 应 变 关 系 , 经 Ma n d e r l 6 修正 , 同样截面的钢管发泡混凝土柱比素 发泡混凝土柱承载力约高 5 0 , 强度明显提高 。最 根本 的原因是钢管和发泡混凝土的泊桑系数不同。 在 素发 泡 混凝 土柱 中 , 其 中发 泡 混 凝 土是 处 于轴 心 受压状态的,
14、 而钢管对其 内部发泡混凝土的约束作 用使发泡混凝土处于三 向受压状态, 提高了发泡混 凝土的抗压强度; 同时钢管内部 的发泡混凝土又可 以有效地防止钢管发生局部屈曲。 两者共同作用, 大 大地提高了承载能力 , 钢管发泡混凝土柱 的承载力 高 于相应 的钢 管柱 承载力 和发 泡混凝 土柱 承载 力之 和 。 钢管和发泡混凝土都处于三向应力状态, 钢管和 发泡混凝土之间的相互作用使其物理性质发生 了变 化 , 由原 来 的脆 性 材料转 变为 塑性材 料 , 构 件 的延性 性能明显改善 , 耗能能力大大提高 , 具有优越的抗震 性 能 。 钢管发泡混凝土柱轴心受压可分为 3个阶段 , 即弹
15、性 阶段 , 弹塑 性 阶段 , 强 化 阶段 。钢 管发 泡混凝 土柱轴 心受压 过程 见 图 1 。 图 中 : O c 、 分别 为 钢管 内 发泡混凝土 的纵 向应力 和应 变; -厂 c 、 分 别为有侧 限 、 无侧 限发泡 混凝 土 的抗压 强度 ; 、 f u 分 别 为有 侧 限 、 无 侧 限发 泡 混 凝 土 极 限变 形 所 对 应 的应 力 ; e 、 分 别为 有侧 限 、 无 侧 限发 泡混 凝 土极 限强 度 的 应 变 ; 分 别 为有 侧 限 、 无 侧 限 发 泡混 凝 土极 限 变 形所 对应 的应变 。 1 1 弹 性 阶段 ( 0 , 。 ) 在 钢
16、 管发 泡 混凝 土柱 受力 初 期 , 钢 管 的横 向变 形率小于核心发泡混凝土 , 钢管壁和发泡混凝土之 间产生 拉应力 。随着荷 载 的增大发 泡混 凝土 的横 向 变形率超过钢管 , 此时钢管和发泡混凝土之 间的作 用力 由拉应力转为挤压应力, 钢管中产生环 向拉应 力 , 而核心发泡混凝土受到环 向和径 向压力的作用 , c 望 , c 藁 u l厂 u O 8 e e 8 发泡混凝土压应变 e 图 1 素发泡混凝土和 受约束发泡 混 凝 土 的 应 力一 应 变 曲线 加上纵向压力 , 处于三向应力状态 , 但此时横 向压力 较小 , 钢管和发泡混凝土均可 以认为在单向应力作 用
17、 下工 作 。 1 2弹塑性 阶段 ( , 。 , 。 ) 进入弹塑性工作阶段的钢管承受的纵向压应力 和环向拉应力都随外荷载增大而增大 。核心发泡混 凝 土 由于泊 松 比不 断增 大 , 其 受 到 的侧 压 力也 不 断 增 大 , 处于三 向受 压状态 。这 时 , 由于 钢管 的弹性模 量逐渐 变小 而核 心发 泡混凝 土 的弹性模 量 并没有 减 少或减少不多, 所 以钢管和发泡混凝土之间的轴力 分配 比例不断变化 , 发泡混凝土承受 的荷载 比例越 来越大 。 这样 , 荷载与变形的关系逐渐偏离直线而形 成过 渡 曲线 。 1 3强化 阶段 ( , 。 右 侧 的下 降段 ) 由
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