湖南大学硕士学位论文钢骨钢管混凝土柱分析方法研究姓名：刘文竞申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：何益斌20070403硕士学位论文 I摘 要 随着超高层建筑的发展对建筑物底部大空间的要求及重载结构的要求，使得柱承担的轴力越来越大，而建筑物承重柱的设计是关系到建筑物在大震下是否倒塌的关键，这就要求在重载条件下，柱不但要有足够的强度而且应有较好的延性。本文在综合考虑了钢管混凝土柱、型钢混凝土柱、外包钢混凝土柱等组合柱的优缺点后就一种新型的组合柱形式钢骨钢管混凝土柱形式研究其承载力及受力机理。这种柱是在钢管混凝土中在置入钢骨，通过钢管、钢骨和混凝土三者的协同作用，达到提高柱的承载力、延性以及耐火性能的目的。 由于钢骨钢管混凝土柱承载力计算公式可以建立在钢管混凝土柱的基础上，本文首先从国内外几部典型规程的比较出发，对八部典型规程关于钢管混凝土柱参数、承载力计算公式建立的方式和特点进行了详细的比较分析，并对规程公式的计算结果与收集到的试验数据进行了深入的比较分析。然后，利用 ANSYS有限元分析软件，得出钢骨钢管混凝土轴压短柱的荷载位移全过程曲线，并探讨了钢骨钢管混凝土轴压短柱在极限状态下钢管、钢骨和核心混凝土三者的受力机理。接着，本文在前面规程比较分析结果的基础上，采用中国钢管混凝土结构设计与施工规程 (JCJ01-89)规程和中国 钢管混凝土结构设计与施工规程(CECS28：90)公式建立的理论，建立了钢骨钢管混凝土轴压短柱的承载力计算公式，而对于核心混凝土的三轴受压约束状态，采用考虑中间主应力效应的双剪统一强度理论来考虑。同时，通过数学推导得到计算轴压长柱承载力的计算公式。最后，通过荷载位移全曲线建立了钢骨钢管混凝土柱的轴压刚度计算公式。 关键词：钢骨钢管混凝土柱；有限元；双剪统一强度理论；轴压刚度 钢骨钢管混凝土柱分析方法研究 IIAbstract With the development of high-rise and long-span buildings, columns have to bear higher and higher axial load. And because the design of the columns is the keypoint to prevent the collapse of buildings in strong earthquakes, so the columns are required to have high strength as well as high ductility. Based on the summary about the present research on steel reinforced concrete columns、concrete-filled steel tubular columns and steel eccased concrete columns, a new type of composite column-steel tubular column filled with steel-reinforced concrete is studied in this paper. In this type of composite columns, steel section is inserted into concrete-filled steel tubular column. Through the interaction among steel tubular、steel section and concrete, the column will have higher bearing capacity 、 higher ductility and fire-resistant performance. Because the formulae used for predicting the ultimate bearing capacity of the new type column could base on concrete-filled steel tubular columns, this paper starts with the comparation among eight codes. At first, Design methods and parameters of concrete-filled steel columns in different codes are introduced respectively in this paper. And the calculating results of these codes methods are compared with collected test data. Then, founded on reasonable constitutive relationship of material, obtains the load-displacement curves of short composite column subjected to axial compressive load by finite elements software-ANSYS. The working mechanics of the composite column are also discussed based on the finite elements analyzed results. Then, based on the frontal analysis among many codes, adopt the code of JCJ01-89 and CECS28:90s theory to constitute the bearing capacity formula of the new type composite column. And adopt the Twin Shear Unified Strength Theory to take into account the triaxial compression of concrete. And by mathematics method, the formula of predicting the ultimate bearing capacity of slender composite column is deduced. Finally, through the load-displacement curves, deduce the compressive stiffness of the new type composite column. Keywords: Circular Steel Tube Column Filled with Steel-reinforced Concrete; Finite elements; Twin Shear Unified Strength Theory; Compressive stiffness 湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 (请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕士学位论文 - 1 -第 1 章 绪论 1.1 钢混凝土组合柱简介 由两种不同性质的材料组成整体共同工作的构件称为组合构件。由组合构件可组成组合结构。钢与混凝土组合构件组成的结构便是组合结构中的一种。将钢和混凝土进行不同形式的组合，就有可能达到协同互补、扬长避短的目的。这种结构经过多年来的研究与应用已经得到了迅速发展，至今已成为一种公认的新的结构体系，与传统的钢结构、木结构、砌体和钢筋混凝土结构并列，称为五大结构形式。 组合柱中最常见且应用最广泛的是钢管混凝土柱、型钢混凝土柱和外包钢混凝土柱三种。 1.1.1 钢管混凝土柱的研究与应用 钢管混凝土结构是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构以及钢管结构的基础上演变和发展起来的。 钢管混凝土(Concret-filled Steel Tubes， 简称CFST)是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。按其截面形式不同分类，可分为方钢管混凝土、矩形钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土等，工程中常用的截面形式如图1.1所示1。 钢管混凝土钢管混凝土钢管混凝土(a) 方形 (b) 矩形 (c) 圆形 图1.1 钢管混凝土柱截面形式 通过钢和混凝土的组合，钢管混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能好以及经济效益好等优点。 从 1897 年美国人 John Lally 在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱(称为 Lally 柱)并获得专利算起， 钢管混凝土结构在土木工程中的应用已有百年历史2。钢管混凝土优越的力学性能，一开始就受到美欧各国土木工程界的重视，兢相开发利用。本世纪 20 年代前后，在美国的波士顿、纽约和芝加哥等地，曾将其用于单层和多层厂房建筑(最高到六层)的承重柱。1930 年在法国巴黎郊区的Ibio 地方用以建造过一座 9m 跨度的上承式拱桥。接着于 1937 年在苏联列宁格勒(圣彼得堡)用集束的小直径钢管混凝土作为拱肋，建造了横跨涅瓦河 101 m 跨度钢骨钢管混凝土柱分析方法研究 - 2 -的下承式拱桥；1939 年又在西伯利亚河上建成了跨度 140m 的上承式钢管混凝土铁路拱桥，与钢拱桥相比，节约钢材 52%，降低造价 20%。但其施工方法是将钢管拱架分段预制并浇灌混凝土以后，在支架上拼装成桥，因而钢管混凝土在施工安装方面的优越性能未得到发挥。值得注意的是，这期间，苏联开展了钢管混凝土基本力学性能的试验研究，Gvozdev 教授深刻地阐明了钢管套箍混凝土的工作机理，并成功地用极限平衡法求解了钢管混凝土轴压短柱的极限承载能力2。 60 年代前后，钢管混凝土结构技术在苏联、西欧、北美和日本等工业发达国家受到重视，开展了大量的试验研究工作，曾在一些厂房建筑、个别的多层建筑和立交桥以及特种结构工程中加以应用。但终因管内混凝土的浇灌工艺未得到很好解决，现场的施工操作显得繁琐，而使钢管混凝土在施工性能方面的潜在优势未能得到应有的发挥。相比之下，人们仍宁愿采用操作简单、质检直观的普通钢筋混凝土结构或工厂化程度高、现场劳动量少、吊装轻便、施工快速的钢结构。 80 年代后期，由于先进的泵送混凝土工艺的发展，解决了现场管内混凝土的浇灌工艺问题，加以现代高强混凝土需要用钢管套箍克服其脆性，因此在美国和澳大利亚等国的若干高层建筑工程中，钢管混凝土结构技术又悄然兴起，