周绪红周绪红 教授教授 兰州大学兰州大学刘界鹏刘界鹏 副研究员副研究员 兰州大学（哈尔滨工业大学）兰州大学（哈尔滨工业大学）张素梅张素梅 教授教授 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学张小冬张小冬 教授教授 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学甘甘 丹丹 博士生博士生 兰州大学兰州大学李李 江江 硕士生硕士生 兰州大学兰州大学钢管约束混凝土结构的钢管约束混凝土结构的研究与工程应用研究与工程应用20102010年年9 9月月1919日于大连日于大连一、钢管约束混凝土柱的特点一、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四、钢管约束混凝土柱典型工程应用主要内容主要内容1.1.传统钢管（传统钢管（型钢型钢）混凝土柱的不足）混凝土柱的不足SRC柱截面柱截面型钢混凝土柱型钢混凝土柱钢梁节点钢梁节点型钢混凝土柱截面型钢混凝土柱截面一、钢管约束混凝土柱的特点一、钢管约束混凝土柱的特点型钢混凝土柱型钢混凝土柱钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁型钢混凝土柱型钢混凝土柱钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁钢管混凝土柱钢管混凝土柱钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁钢管混凝土柱钢管混凝土柱钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁达承载力前，对混凝土约束不足达承载力前，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，更是如此方钢管、高强砼、高轴压比时，更是如此达到达到对混凝土约束效应低，抗震性能差对混凝土约束效应低，抗震性能差轴压比限值低轴压比限值低框架短柱层间变形能力差框架短柱层间变形能力差1 1、节点构造复杂，施工困难，节点耗材成为困扰工、节点构造复杂，施工困难，节点耗材成为困扰工 程应用的主要问题程应用的主要问题2 2、力学性能可进一步改善力学性能可进一步改善结构结构材料材料发展发展趋势趋势高强钢材高强钢材高强砼高强砼传统传统组合组合结构结构优势优势不明不明显显钢管混凝土：钢管混凝土：限制宽厚限制宽厚比，不能充分发挥高强比，不能充分发挥高强钢材性能，用钢量大钢材性能，用钢量大型钢混凝土：型钢混凝土：限制轴压限制轴压比，不能充分发挥高强比，不能充分发挥高强材料性能材料性能2. 2. 钢管约束混凝土柱钢管约束混凝土柱 钢管在节点断开钢管在节点断开, ,不直接承受荷载不直接承受荷载, ,只对核心砼起约束作用只对核心砼起约束作用钢管约束钢筋混凝土柱钢管约束钢筋混凝土柱钢管约束型钢混凝土柱钢管约束型钢混凝土柱钢筋钢筋砼梁砼梁钢梁钢梁 特点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”加载装置加载装置钢管混凝土钢管混凝土模式模式a a模式模式c c1 1、圆钢管约束素混凝土轴压短柱、圆钢管约束素混凝土轴压短柱试验内容：试验内容：l承载力比较承载力比较l钢管分隔对承载力的影响钢管分隔对承载力的影响 试验参数：试验参数：l6 6组组1818个试件个试件l加载方式：单调与反复加载方式：单调与反复l混凝土强度：混凝土强度：C70C70、C75C75l钢管径厚比：钢管径厚比：2020、2626、4242l钢管强度：钢管强度：Q345Q345二、圆钢管约束混凝土短柱的轴压力学性能二、圆钢管约束混凝土短柱的轴压力学性能ccft-133-3-70 ccft-133-3-70 c-140-3-70-ac-140-3-70-a c-140-3-70-cc-140-3-70-c 均为剪切破坏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剪切破坏面承载力对比承载力对比l短柱轴压承载力显著高于简单叠加承载力短柱轴压承载力显著高于简单叠加承载力l圆钢管约束混凝土柱轴压承载力高于钢管混凝土柱圆钢管约束混凝土柱轴压承载力高于钢管混凝土柱l钢管分隔越多，承载力高钢管分隔越多，承载力高试测承载力简单叠加承载力简单叠加承载力构件模式构件模式a a构件模式构件模式b b构件模式构件模式c c构件模式构件模式d d( (无钢筋无钢筋) )2 2、圆钢管约束钢筋混凝土轴压短柱、圆钢管约束钢筋混凝土轴压短柱 试验参数：试验参数：l5 5组组2020个试件个试件l混凝土强度：混凝土强度：C50C50、C80C80l钢管径厚比：钢管径厚比：5050、7070、100100l钢管强度：钢管强度：Q235Q235， Q345Q345试件试件应变片应变片NN位移计位移计加载装置简图c-210-3-50-a-235c-210-3-50-a-235 c-210-3-50-b-235 c-210-3-50-b-235 c-210-3-50-c-235 c-210-3-50-c-235 c-210-3-50-d-235c-210-3-50-d-235 c-150-3-80-a-235c-150-3-80-a-235 c-150-3-80-b-235c-150-3-80-b-235 c-150-3-80-c-235c-150-3-80-c-235 c-150-3-80-d-235c-150-3-80-d-235 C80混凝土试件的混凝土试件的破坏模式：剪切破坏破坏模式：剪切破坏C50混凝土试件的混凝土试件的破坏模式：混凝土压溃破坏破坏模式：混凝土压溃破坏归一化的荷载归一化的荷载- -变形曲线对比变形曲线对比构件模式对承载力、延性无明显影响构件模式对承载力、延性无明显影响h/vN (kN)钢管屈服点对应于峰值荷载点钢管屈服点对应于峰值荷载点环向应变与纵向应变之比环向应变与纵向应变之比破坏阶段主要是环向应变破坏阶段主要是环向应变构件模式构件模式aSRC对比试件对比试件AAAAAABBB-BA-ADaBa构件模式构件模式b构件模式构件模式c3 3、圆钢管约束型钢混凝土轴压短柱、圆钢管约束型钢混凝土轴压短柱试验参数：试验参数：l3 3组组1111个试件个试件l混凝土强度混凝土强度:C80:C80l钢管径厚比钢管径厚比:70,100:70,100l钢管强度钢管强度:Q235,Q345:Q235,Q345cs-210-3-80-a-235cs-210-3-80-b-235cs-210-3-80-c-235cs-210-3-80-c-235CSRC-210-80CSRC-210-80C80高强混凝土试件的破坏模式为剪切破坏高强混凝土试件的破坏模式为剪切破坏荷载荷载- -变形曲线对比变形曲线对比归一化的荷载归一化的荷载- -变形曲线对比变形曲线对比l钢管屈服点对钢管屈服点对应于峰值荷载点应于峰值荷载点l构件模式对承构件模式对承载力、延性无明载力、延性无明显影响显影响钢管屈服强度对荷载钢管屈服强度对荷载-变变形曲线的影响形曲线的影响钢管径厚比对归一化的钢管径厚比对归一化的荷载荷载-变形曲线的影响变形曲线的影响l钢管屈服强度钢管屈服强度提高，承载力提提高，承载力提高，但延性变化高，但延性变化不明显不明显l钢管径厚比对钢管径厚比对延性影响不显著延性影响不显著l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l其承载力高于简单叠加承载力其承载力高于简单叠加承载力承载力对比承载力对比试测承载力简单叠加承载力简单叠加承载力极限承载力极限承载力约束混凝土约束混凝土承载力承载力纵筋承载力纵筋承载力型钢承载力型钢承载力约束混凝土抗压强度约束混凝土抗压强度非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混凝土的约束应力承载力公式与试验结果对比承载力公式与试验结果对比基本假定：基本假定：l钢管屈服点对应于极限承载力点钢管屈服点对应于极限承载力点l极限承载力点处，钢管沿环向屈服极限承载力点处，钢管沿环向屈服4 4、圆钢管约束混凝土短柱的承载力计算、圆钢管约束混凝土短柱的承载力计算压弯构件详图压弯构件详图三、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、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试验内容l轴力、往复水平荷载作用下的性能轴力、往复水平荷载作用下的性能l与钢筋混凝土构件的抗震性能对比与钢筋混凝土构件的抗震性能对比l研究轴压比对抗震性能的影响研究轴压比对抗震性能的影响l研究砼强度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：试验参数：l5 5个试件个试件l混凝土强度：混凝土强度：C60C60、C30C30l钢管径厚比：钢管径厚比：8686l钢管强度：钢管强度：Q345Q345l试验轴压比：试验轴压比：0.34-0.80.34-0.8l剪跨比剪跨比3.03.0滞回试验加载制度滞回试验加载制度纵筋屈曲纵筋屈曲混凝土混凝土外凸外凸试验后试验后去除钢管去除钢管2混凝土混凝土外凸外凸试验后试验后去除钢管去除钢管 4(a) CRC-60-8 (b) CTRC-60-8 (c) CTRC-60-6 混凝土混凝土 外凸外凸试验后试验后去除钢管去除钢管混凝土混凝土水平裂缝水平裂缝试验后试验后去除钢管去除钢管 1(d) CTRC-30-8 (c) CTRC-60-3 试件破坏形态：在端部试件破坏形态：在端部D/2处破坏处破坏混凝土对比试件混凝土对比试件轴压比相同轴压比相同荷载荷载-位移滞回曲线位移滞回曲线骨架曲线对比骨架曲线对比钢管约束的影响钢管约束的影响轴压比的影响轴压比的影响混凝土强度影响混凝土强度影响l钢管约束混凝土承载力高、延钢管约束混凝土承载力高、延 性好性好l轴压比提高、承载力提高，但轴压比提高、承载力提高，但 不降低延性不降低延性l提高混凝土强度并不降低延性提高混凝土强度并不降低延性 和变形能力和变形能力改进的纤维模型法：改进的纤维模型法：l平截面假定平截面假定l钢筋和约束混凝土的滞回模型钢筋和约束混凝土的滞回模型l考虑钢管对核心混凝土的约束变化考虑钢管对核心混凝土的约束变化2 2、压弯构件滞回性能的数值模拟、压弯构件滞回性能的数值模拟荷载荷载(P)-(P)-位移位移()()分析程序框图分析程序框图M-N-M-N-分析程序框图分析程序框图理论与试验曲线的对比理论与试验曲线的对比3 3、压弯构件的恢复力模型、压弯构件的恢复力模型截面弯矩截面弯矩- -曲率恢复力模型曲率恢复力模型荷载荷载- -位移恢复力模型位移恢复力模型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、框架短柱滞回性能的试验研究l4 4个试件个试件l混凝土强度：混凝土强度：C70C70l钢管径厚比：钢管径厚比：7575l钢管强度：钢管强度：Q345Q345l试验轴压比：试验轴压比：0.35-0.550.35-0.55l剪跨比剪跨比1.51.5(a) CRC-70-6-1.5 (b) CTRC-70-6 -1.5(d) CTRC-70-4-1.5 (c) CTRC-70-5-1.5 l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钢管约束的影响轴压比的影响轴压比的影响l钢筋混凝土超短柱的变形能力难以满足抗震要求钢筋混凝土超短柱的变形能力难以满足抗震要求l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约束混凝土超短柱的抗剪承载力高、延性和变形能力好l钢管径厚比可进一步降低钢管径厚比可进一步降低l轴压比提高，承载力提高、延性与层间变形能力并不降低轴压比提高，承载力提高、延性与层间变形能力并不降低骨架曲线对比骨架曲线对比圆钢管约束钢筋混凝土短柱圆钢管约束钢筋混凝土短柱荷载荷载- -位移恢复力模型位移恢复力模型荷载荷载- -位移恢复力模型位移恢复力模型与试验结果的对比与试验结果的对比5、框架短柱的恢复力模型、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计算抗弯承载力与试验结果的对比基本假定：基本假定：平截面假定平截面假定极限承载力点处，钢管沿环向屈服极限承载力点处，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边缘纤维极限压应变为约束混凝土峰值应变的1.5倍倍计算方法：计算方法：采用中国规范采用中国规范GB50010或美国规范或美国规范ACI的边缘纤维极限应变计算方法的边缘纤维极限应变计算方法将约束混凝土强度代入中国规范建议的简化公式将约束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、圆钢管约束钢筋混凝土的抗弯承载力l圆钢管约束型钢混凝土框架柱的性能圆钢管约束型钢混凝土框架柱的性能l方钢管约束混凝土轴压短柱的力学性能方钢管约束混凝土轴压短柱的力学性能l方钢管约束钢筋混凝土框架柱的滞回性能方钢管约束钢筋混凝土框架柱的滞回性能l方钢管约束型钢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l 钢管约束混凝土柱的设计方法钢管约束混凝土柱的设计方法 l大连市重点工程大连市重点工程l框架柱框架柱+ +弦支穹顶弦支穹顶l低层柱子高为低层柱子高为5.4m5.4m，剪跨比，剪跨比1.51.5， 为超短柱。为超短柱。l采用普通钢筋混凝土柱，不能满采用普通钢筋混凝土柱，不能满 足罕遇地震设计要求。足罕遇地震设计要求。 l采用传统钢管混凝土柱或型钢混采用传统钢管混凝土柱或型钢混 凝土柱，节点构造困难、施工复凝土柱，节点构造困难、施工复 杂、造价偏高杂、造价偏高 结构整体计算模型结构整体计算模型 1.01.8m框架柱框架柱1 1、大连市体育馆、大连市体育馆弦支穹顶屋盖弦支穹顶屋盖四、钢管约束混凝土柱典型工程应用四、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钢管约束钢筋混凝土柱详图(a) (a) 钢管现场吊装钢管现场吊装(b) (b) 混凝土完成浇筑混凝土完成浇筑钢管约束钢筋混凝土柱施工钢管约束钢筋混凝土柱施工中国石油总公司东北销售总部。中国石油总公司东北销售总部。176m超高层，筒中筒结构，超高层，筒中筒结构，主体结构地下主体结构地下4层，地上层，地上43层，层，外筒地下外筒地下4层至地上层至地上3层为框架，层为框架，从第从第4层开始由框架结构体系层开始由框架结构体系转换为桁架筒体结构体系，转换为桁架筒体结构体系，4层至层至43层为交叉桁架筒体；群层为交叉桁架筒体；群房部分地下房部分地下4层，地上层，地上4层。地层。地下下4层至地上层至地上8层竖向柱和斜柱层竖向柱和斜柱均采用钢管约束钢筋混凝土柱均采用钢管约束钢筋混凝土柱 2 2、大连中国石油大厦、大连中国石油大厦主体结构平面布置图主体结构平面布置图主体结构立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钢管约束钢筋混凝土柱截面配筋与梁柱节点3 3、黑龙江省博物馆自然展厅、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然展厅部分。碗型自然展厅部分的底面直径为43.0m43.0m，顶面直，顶面直径为径为83.7m83.7m。碗型建筑共分。碗型建筑共分3 3层，层高层，层高7.5m7.5m。 结构体系：框架结构体系：框架- -剪力墙，空间钢结构；结构整体属大型复剪力墙，空间钢结构；结构整体属大型复杂结构杂结构6 6根竖直柱：根竖直柱：圆钢管约束型钢混凝土圆钢管约束型钢混凝土2020根弧形斜柱：根弧形斜柱：方钢管约束型钢混凝土方钢管约束型钢混凝土4 4、大连市体育场、大连市体育场大连市重点工程，大连市重点工程，20132013年全运会足球比赛场地之一。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上部钢结构悬挑桁架罩棚悬臂柱悬臂柱悬臂柱悬臂柱钢结构罩棚钢结构罩棚混凝土框架混凝土框架l支承钢结构的悬臂柱剪支承钢结构的悬臂柱剪跨比达跨比达1.51.5，是超短柱，是超短柱l罕遇地震作用下，可能罕遇地震作用下，可能发生脆性剪切破坏发生脆性剪切破坏 l136136根悬臂柱采用钢管约根悬臂柱采用钢管约束钢筋混凝土柱束钢筋混凝土柱l充分发挥其抗震性能优充分发挥其抗震性能优越和梁柱节点连接方便的越和梁柱节点连接方便的特点特点6868榀钢结构平面桁架罩棚，榀钢结构平面桁架罩棚，悬挑长度平均达悬挑长度平均达40m40m，最大，最大达达48m48m大连市体育场结构剖面图大连市体育场结构剖面图5 5、丹东奥体中心体育场、丹东奥体中心体育场20132013年全运会足球比赛场地之一年全运会足球比赛场地之一结构体系：底部框架结构体系：底部框架+ +顶部大、小钢结构拱形桁架罩棚顶部大、小钢结构拱形桁架罩棚罩棚最大跨度达到了罩棚最大跨度达到了288m288m，为超限结构，进行了抗震超限审查，为超限结构，进行了抗震超限审查 结构整体计算模型结构整体计算模型下部框架结构计算模型下部框架结构计算模型悬臂柱悬臂柱l支承上部钢结构罩棚的支承上部钢结构罩棚的3838根直径根直径1.2m1.2m的柱子为悬臂柱，的柱子为悬臂柱，高度不一致，属长短柱混用，高度不一致，属长短柱混用，是抗震薄弱环节是抗震薄弱环节l超限审查认可采用钢管约超限审查认可采用钢管约束混凝土柱束混凝土柱l概括：地下概括：地下2 2层，地上层，地上4040层，结构高度层，结构高度200m200m，为黑龙，为黑龙江省重点工程；建成后将成江省重点工程；建成后将成为哈尔滨的最高建筑，也将为哈尔滨的最高建筑，也将成为哈尔滨的标志性建筑之成为哈尔滨的标志性建筑之一，是哈尔滨发展高新技术一，是哈尔滨发展高新技术产业集群的核心建筑产业集群的核心建筑l结构体系：框架结构体系：框架- -核心筒；核心筒；顶部外形逐渐缩小部分为：顶部外形逐渐缩小部分为：钢框架钢框架- -支撑结构支撑结构l结构材料：外框架柱和内结构材料：外框架柱和内部核心筒混凝土强度等级均部核心筒混凝土强度等级均为为C60C606 6、哈尔滨科技创新大厦、哈尔滨科技创新大厦，l结构一层顶不设楼板，一层和结构一层顶不设楼板，一层和二层贯穿而形成大空间，导致结二层贯穿而形成大空间，导致结构底部形成薄弱层，是抗震薄弱构底部形成薄弱层，是抗震薄弱环节环节l底部柱截面过大，影响建筑外底部柱截面过大，影响建筑外观效果和使用功能观效果和使用功能l在地下在地下2 2层至地上层至地上3 3层采用钢管层采用钢管约束钢筋混凝土柱，对结构底部约束钢筋混凝土柱，对结构底部薄弱层有效加强，显著提高了底薄弱层有效加强，显著提高了底部大空间部分的抗震性能；同时部大空间部分的抗震性能；同时有效降低了框架柱截面尺寸，经有效降低了框架柱截面尺寸，经济效益和综合效益明显济效益和综合效益明显1 1、钢管约束混凝土结构连接简单、施工方便、钢管约束混凝土结构连接简单、施工方便2 2、钢管约束混凝土结构具有良好的力学性能、钢管约束混凝土结构具有良好的力学性能3 3、钢管约束混凝土结构具有广阔的应用前景、钢管约束混凝土结构具有广阔的应用前景结束语结束语谢谢！谢谢！