钢管混凝土框架结构

钢管混凝土框架结构（精选十篇）

钢管混凝土框架结构 篇1

海南大厦位于海口市新城市中心地带,国兴大道西端,东临新海航大厦。主楼地下4层,地上45层,高198.6 m,总建筑面积24万m2,抗震烈度8度(0.3g)。

1-伸臂桁架;2-楼层梁;3-核心筒钢骨柱4-核心筒;5-腰桁架;6-屈曲支撑

工程结构为方钢管柱钢框架-钢骨混凝土内筒体系。基础为筏板,方管柱采用埋入式柱脚。外框由30根矩形钢管混凝土柱与钢梁组成,柱最大尺寸1.5 m×1.2 m,框架梁为H截面,部分为蜂窝梁,楼板为现浇混凝土楼板。在17层和31层设置了两道伸臂桁架和腰桁架,伸臂桁架杆件为Q390GJ钢板组成,截面形式为H650 mm×400 mm×80 mm×100 mm;腰桁架斜杆全部设计为屈曲约束支撑(见图1)。除此之外,从地下一层开始在外框四根角柱两侧设置了屈曲约束支撑,以承担角柱过大荷载。屈曲约束支撑构件总计435根。

2 工程特点

本工程矩形钢管柱从基础筏板内生根,穿越地下混凝土结构,连接屈曲支撑及桁架,节点复杂多样,需处理好以下构造问题:

1)矩形钢管柱为埋入式柱脚,设计在基础筏板底筋上,需设计定位节点,处理好桩头钢筋,筏板底筋,底板防水等复杂构造关系,并保证施工简便,定位精确牢固。

2)矩形钢管柱与混凝土梁、板、墙的连接构造,在现有规范要求下,对连接节点优化创新,使其受力合理,施工简便。

3)屈曲约束支撑是一种新颖的受力构件,在地下结构中,需处理好屈曲支撑与矩形柱、混凝土梁的连接构造,并针对本工程的复杂性提出解决方案。

4)地上屈曲支撑分为矩形和圆形两种截面,与钢结构连接节点需综合考虑施工的简便性和受力合理性。

5)伸臂桁架贯穿核心筒的混凝土结构,节点复杂且为超厚板,需处理好主筋和箍筋的构造关系。

3 节点设计流程

本工程节点设计参与方主要有施工图设计方、屈曲支撑供应方、钢构件供应方、施工总包方。其中施工图设计方为主设计单位,负责节点的受力复核及确认;施工总包方为总协调单位,负责节点方案的施工可行性审核及各方协调;屈曲支撑供应方和钢构件供应方作为专业承包,负责相关构件节点的深化设计。本工程的深化设计展开流程(见图2)。

4 节点设计原则

节点设计依据现行设计规范,遵循“受力合理,施工简便”的原则。受力合理要求分析节点传力路径,设计相关构造承担相应内力。施工简便要求减小施工复杂程度和工作量,从而提高施工精度和质量。钢筋与钢结构连接方式分为:穿孔、焊接、套筒连接器;屈曲支撑与结构连接分为:焊接、销轴、高强螺栓连接。考虑到穿孔、高强螺栓、销轴对施工要求精度高,焊接工作量大,套筒施工不便的特点,针对本工程,对节点设计做出以下部署:钢筋优先采用穿孔连接,其次焊接,特殊情况用套筒连接器;屈曲支撑优先采用焊接、其次销轴、特殊情况采用高强螺栓连接。

5 节点设计方案

5.1 矩形柱埋入式柱脚设计

海南大厦基础筏板厚2 700 mm,矩形柱埋入深度为2 245 mm,设计图纸为“悬浮”在筏板中。由于筏板底部构造复杂,底筋与桩头钢筋交错,防水要求高,良好的基座设计是保证定位精度和施工简便的关键,为此专门设计了定位支架。支架根据钢柱尺寸设计,设置在钢柱底与筏板底之间,筏板底筋可自由穿入;为保证其承载力,将基础垫层加厚至350 mm;钢柱的标高则通过支架的地脚螺栓调节(见图3)。除了良好的设计外,土建和钢构的施工配合是设计理念得以实现的重要保证,此部位的施工顺序为:基底修坡→垫层浇筑→防水施工→防水保护层→定位支架→底筋绑扎→混凝土基座浇筑→调整地脚标高→柱脚安装固定→其他工序。

5.2 矩形柱与混凝土墙板节点

混凝土墙体与矩形柱的连接基本上是水平分布筋。考虑到墙体钢筋数量多、直径较小且位置精度较差;同时穿孔方式会对钢构件过多的穿孔,墙体偏柱中时纵向筋板会对锚入钢筋阻碍,无法保证锚固长度。综合以上影响因素,此部位节点采用了设置钢板与水平分布筋焊接的方式,钢板宽度大于10倍钢筋直径,厚度同钢筋直径,并在连接钢板之间每隔500 mm设置横向筋板,增强与混凝土的结合度。这一节点弥补了当前规程、图集中矩形柱与墙体连接的空白(见图4)。

混凝土板与矩形柱采用连接钢板焊接的方式,并在板中设置暗梁,将楼板边缘竖向荷载传递至混凝土梁。连接钢板厚度同板底钢筋直径,宽度为10 d;暗梁高度同板厚,宽200 mm,暗梁上下纵筋各3根Φ14钢筋(见图4)。

5.3 矩形柱与混凝土梁节点

1)通常节点做法

现行协会标准《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159:2004)针对矩形柱与混凝土梁节点提出了两种解决方案:环梁-钢承重销式和穿筋式连接(见图5)。

环梁-钢承重销式连接:在钢管外壁设置半穿心钢牛腿,柱外设置八角形钢筋混凝土环梁;梁端纵筋锚入钢筋混凝土环梁传递弯矩。这样的设计在实施过程中存在诸多不便。钢构件制作时半穿心钢牛腿需要在已完成箱体上开孔组装,开孔为手工气割,边缘缺陷大,牛腿定位不便,且与箱体内隔板冲突,焊接坡口垫板需在箱体内设置,操作环境恶劣,四面牛腿无法运输。钢筋绑扎繁杂,箍筋尺寸多,绑扎困难。模板为异型构件模板,模板损耗大,用工多。混凝土用量大。

穿筋式连接:柱外设置矩形钢筋混凝土环梁,在钢管外壁焊水平肋钢筋(或水平肋板),通过环梁和肋钢筋(或肋板)传递梁端剪力;框架梁纵筋通过预留孔穿越钢管传递弯矩。这一做法较为可行,但混凝土结构施工仍然不够简便,造价较高。

2)节点创新应用

经过设计方和施工方的深入沟通,对以上两种节点进行了优化和改进,形成了简便可行的节点方案:不采用环梁,采用穿筋,增加牛腿。

穿筋式连接:适用于梁居柱中情况,梁纵筋可在柱内自由锚固。取消混凝土环梁,设置抗剪牛腿承担梁端剪力,柱内对应抗剪牛腿设置横隔板加劲;梁纵筋与矩形柱穿孔连接,承担梁端弯矩;梁腰筋穿孔锚固。此节点施工与一般钢结构、混凝土结构施工无异,操作大为简便(见图6)。

钢牛腿连接:适用于梁偏柱中情况,由于矩形柱内隔板阻挡,梁纵筋无法自由锚固。改半穿心牛腿为外侧非穿心牛腿承受剪力,柱内设水平筋板;牛腿翼缘上侧焊接梁外排纵筋,内排纵筋通过连接器连接,腰筋通过连接钢板焊接。牛腿翼缘板同钢筋直径,宽度为10d,牛腿腹板依规范设置。此节点做法简化了钢结构与混凝土结构的施工,操作性强(见图6)。

5.4 屈曲支撑与混凝土构件节点

屈曲支撑的实际应用范例较少,一般混凝土构件需设置埋件和外包钢板,然后与支撑连接。本工程矩形柱、混凝土梁、屈曲支撑相交,其节点处理更为繁杂。为此在混凝土梁中设置劲性钢骨,与矩形柱焊接成牛腿,承受屈曲支撑轴向力和梁端剪力,混凝土梁纵筋穿孔锚固到柱内,承受梁端弯矩(见图7)。

5.5 屈曲支撑与钢构件节点

钢构件与屈曲支撑连接主要考虑施工简便性。由于屈曲支撑抗震承载力大,杆件节点尺寸小,造成高强螺栓数量多,排布困难,且高强螺栓对结构安装精度要求高,采取焊接连接更容易施工。另一方面考虑标准层支撑节点的美观性,将一部分支撑下节点改为销轴形式,上节点保留焊接接口用来调整尺寸偏差。为保证焊接可操作性,确保焊接质量,需选择合适的节点形状和焊接坡口,本工程中全部采用了焊接位置良好的十字型和H型接头(见图7)。

5.6 伸臂桁架与混凝土墙柱节点

核心筒墙体中伸臂桁架的埋入保证了桁架传力的连续,但相应带来一系列节点问题:1)桁架杆件截面宽为400 mm,将阻断一排墙体竖向纵筋。2)桁架钢板为超厚板,阻断大量暗柱箍筋。3)墙体拉结筋遇桁架杆件无法穿过等。针对第一种情况,在桁架上下弦杆设置了连接钢板,通过焊接与墙体纵筋连接;桁架内设置相应数量的钢板替代原有纵筋,同时为避免混凝土浇筑不密实,开设相应数量的孔洞。第二种情况则通过在桁架对应位置设竖向连接钢板与箍筋焊接,避免在桁架杆件穿孔。第三种情况下考虑拉筋的位置不确定性,通过拉筋设置弯钩与桁架焊接的方式来解决(见图8)。

6 结语

海南大厦工程应用了大量消能减震构件,是其在高地震烈度地区超高层建筑中应用的典型代表。通过各设计方的开放性探讨,针对屈曲约束支撑连接节点,矩形柱与混凝土构件连接节点,伸臂桁架与混凝土核心筒连接节点等进行了较为新颖的设计。随着工程的实施,证明了这些节点达到了“受力合理、施工简便”的预期目的,在工程质量、工程造价及工期等各方面起到的积极的作用,供以后类似的工程进行参考。

摘要：海南大厦主楼为矩形钢管柱钢框架-钢骨混凝土内筒体系,在体系中设置了两道伸臂桁架和腰桁架,并从地下一层开始每层设置了8根屈曲约束支撑,布置在四根角柱两侧。其节点形式复杂,如何处理好钢结构、混凝土结构、屈曲约束支撑的连接节点至关重要。结合海南大厦工程,对工程中各项节点的处理方法和创新形式进行系统的介绍。

关键词：节点设计,方钢管柱,屈曲约束支撑,伸臂桁架

参考文献

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钢管混凝土框架结构 篇2

(1)钢管混凝土排柱剪力墙的抗压和抗剪性能好，

(2)抗震性能优越、延性好，用于高层建筑的钢管混凝土排柱剪力墙时可以不限制钢管的轴压比而控制长细比。钢管混凝土剪力墙在压、弯、剪循环荷载作用下，水平力P和位移△之间的滞曲线十分的饱满，表明其吸收能量的能力很好，具有良好的抗震性能。

(3)能充分发挥高强混凝土的承载力，防止其脆性破坏。

(4)采用普通钢板料、厚度一般不超过40mm，最多50mm，取材容易，制作和安装方便。

(5)钢管混凝土排柱剪力墙施工简便，为快速施工创造了条件，

(6)耐火性能良好，与钢筋混凝土剪力墙结构相比，一般可节约2/3防火涂料，因而降低工程造价。钢管混凝土排柱剪力墙的耐火性能比钢筋混凝土剪力墙结构好。这是因为钢管内有大量的混凝土，能吸收很多的热量。混凝土的导热系数低而比热大，因此当发生火灾时，剪力墙截面中的温度分布不均匀，越到中心，温度越滞后，所以，剪力墙的承载力下降缓慢，增加了剪力墙的耐火时间，这对于结构的安全是有好处的。

钢管混凝土框架结构 篇3

关键词：钢管混凝土；高层结构；收缩徐变；施工全过程；分析模型；数值模拟方法

中图分类号：TU311 文献标志码：A 文章编号：16744764（2012）05005007

建筑结构设计通常是以完整结构作为设计对象的。然而实际结构是在经历了整个施工建造过程后成型的。在这个过程中结构从无到有、材料性能也随时间发生着变化。对于多层建筑，该区别造成的影响不是很大，可不考虑。但高层建筑对微小变形十分敏感，稍有不慎便可能引起内力过大，甚至造成结构破坏。所以，高层结构设计必须进行施工过程分析。施工过程分析属于慢速时变结构力学的范畴，可以忽略动力效应而采用时间冻结法进行处理[1]。但必须考虑2方面的时变效应：一是材料的收缩徐变、弹性模量和强度随施工过程（时间）发生变化（主要针对混凝土）[23]；二是结构形状（刚度）随施工过程发生变化。由于这2方面的时变效应，高层结构的实际受力状态与基于完整结构的设计结果相比会有较大差异[410]，忽略这样的差异将会导致设计结果不安全。

高层结构中广泛采用的钢管混凝土构件是由钢材和混凝土两种材料组成的，两者共同工作。对钢管混凝土组合构件进行时变分析时必须考虑核心混凝土时变特性对构件的影响，实现该模拟比较困难。笔者提出了分别考虑混凝土材料和钢材、通过导入主从节点约束使两者共同工作的钢管混凝土组合构件分析模型，可以精确考虑混凝土材料的收缩徐变及其对组合构件的作用效应，在此基础上提出了高层钢管混凝土结构的施工全过程数值分析方法。〖=D（〗 刘 俊，等：高层钢管混凝土结构施工全过程数值模拟〖=〗1 施工过程分析原理

完全模拟施工过程是比较困难的，很多学者提出了基于不同假定的施工过程近似模拟方法[1112]。文献[7]中提出的近似模拟施工过程的方法在中国的高层结构设计软件中广泛应用。但该方法是取全结构的刚度来计算，与实际施工过程的变结构变刚度情况不符。笔者采用了比较接近施工实际的模拟施工过程方法。把1个m层框架的荷载效应分析看作是包含m个子结构的荷载效应分析，子结构层数由1～m连续变化，每个子结构只承受相应的顶层荷载。第i层的荷载效应是第i～m个子结构中该层荷载效应的叠加。该方法与一般分析的区别见图1和图2[13]。

考虑施工过程的分析结果是考虑了结构随施工进度变化和施工找平影响的叠加结果，如图2（a）所示。施工步骤1）1层受单位荷载后的位移为1，2、3层由于未被激活，对应位移为0；2）将第2层建造到设计标高，受荷后，1层新增位移为1，2层位移为2，3层由于未被激活，对应位移为0；按上述过程完成第3步，将各层位移叠加得到最终位移值。一般分析结果见图2（b）：单位荷载作用在第1层时，由于3层构件同时处于激活状态，所以每层位移均为1；单位荷载作用在第2、3层产生的位移及叠加后的总位移如图2（b）所示。由2图分析结果的差异可以看出分析时考虑施工过程的重要性。2 混凝土时变模型

徐变是混凝土在持续荷载作用下的非弹性变形，它对静定结构和组合结构有着重要影响。通常结构最终的徐变量可达到弹性变形量的2～3倍，因此混凝土时变特性对结构的影响将是巨大的。在施工过程分析时，材料的时变模型是要首先确定的，它直接影响到施工过程分析的准确性。笔者以CEBFIP MC90的时变模型作为计算依据，采用按龄期调整的有效模量法（AEMM法）建立了混凝土时变模型。

2.1 混凝土收缩徐变模型

按龄期调整有效模量法就是用老化系数来考虑混凝土老化对最终徐变值的影响，实质是用积分中值定理将徐变计算的积分方程转化为代数方程。3 钢管混凝土时变模型

3.1 基本假定

在钢管混凝土的2种材料共同工作时，钢管和核心混凝土都处于多向应力状态。在核心混凝土收缩徐变的同时，钢管和混凝土内的应力相互影响。因此，钢管混凝土的受力分析将是一个复杂问题[15]。为简化计算，作如下基本假定：1）混凝土与钢管之间粘结可靠，协同工作；2）忽略钢管与混凝土的径向作用力，核心混凝土按单轴受力分析；3）由于钢管阻止了核心混凝土水分的丧失，所以其收缩可以忽略。基于上述原理和假设，可以建立钢管混凝土徐变模型[16]。

3.2 钢管混凝土轴心受压构件的徐变计算模型

考虑钢管与核心混凝土共同工作，当在无新的外力作用时，核心混凝土产生徐变，钢管混凝土截面产生体系内应力重分布。当核心混凝土产生自由徐变应变εcc，εcs为核心混凝土产生徐变后钢管的应变增量，εc1c为钢管和混凝土的协同变形引起的核心混凝土轴向应变恢复量，可得到式（7）。

基于上述理论，将钢管混凝土用钢管和混凝土2个单元表示，并将2个单元的两端节点取为主从约束节点，以实现在考虑混凝土单元徐变的同时实现钢管单元和混凝土单元的协调工作。

3.3 基于构件时变模型的高层建筑数值模拟软件

基于上述徐变计算模型并结合有限元理论就可模拟徐变对钢管混凝土的影响。钢管混凝土柱徐变分析流程见图3。

在上述钢管混凝土徐变模型的基础上，以Visual C++和ObjectARX为工具，研发了基于构件时变模型的高层建筑数值模拟软件。图4为软件架构图，图5为软件主界面。软件可实现施工过程数据的交互式输入、施工全过程的仿真分析、计算结果的图形显示和文本查询等功能。施工全过程数值模拟的具体流程见图6。

3.4 时变模型和模拟软件的数值验证

图7为一钢管混凝土柱施工过程示意图，柱直径500 mm，钢管壁厚15 mm，混凝土采用C40，钢管采用Q345，整个计算过程分3個工况：工况CS1、CS2持续30 d，工况CS3持续180 d，各工况受荷情况如图7所示。图8为2层平面钢管混凝土框架施工过程示意图，施工工况、柱尺寸和材料同图7中的钢管混凝土柱，框架梁采用300 mm×600 mm的矩形截面，C40混凝土，受荷情况如图8所示。为验证方法的正确性，将计算结果与Midas软件和桥梁博士软件作了对比分析。表1和表2分别为钢管混凝土柱和2层框架的计算结果，从表中可看出，计算结果基本一致，从而验证了方法的正确性。MIDAS徐变分析采用的是分时步徐变叠加法（SSM法），笔者和桥梁博士采用的是龄期调整有效模量法（AEMM法）。SSM法由于需要考虑应力历史，计算量较大；AEMM法相对来说计算量较小。

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4 工程实例分析

4.1 工程概况

广州新电视塔位于广州市海珠区赤岗塔附近，塔高450 m，天线桅杆高160 m，总建筑面积114 054 m2。广州新电视塔的结构体系为钢管混凝土外框筒和钢筋混凝土核心筒组成的混合结构体系。其结构由2个向上旋转的椭圆形变化生成，1个在基础平面，1个在450 m高的平面上，2个椭圆彼此扭转135°，2个椭圆扭转在腰部收缩变细。结构布置形式不对称，构件在施工过程中受力状态复杂。因此，为确保建造完成的结构和设计目标一致以及工程在整个施工过程中的安全性，有必要对广州新电视塔进行施工过程分析。

4.2 计算模型

本节建立了广州新电视塔的整体三维有限元模型，见图9。钢管混凝土柱和钢梁采用梁单元，采用C60的混凝土和Q345的钢材。钢筋混凝土核心筒和楼板采用板单元，其中核心筒采用C60的混凝土，楼板采用C35的混凝土。所有截面尺寸按设计值取，见图10。

塔体的施工过程分析，按照施工流程，分析了50个工况。每个工况中结构主要包括：外框筒（由外环与柱组成）、混凝土核心筒和楼板。工况1为将核心筒施工至46.2 m；工况2至工况39为每个工况将外框筒施工至一新环梁高度，同时核心筒向上施工8.4 m，让外框筒和核心筒始终保持40 m左右的高差，工况39时核心筒施工完毕；工况40至工况50为每个工况将外框筒施工至一新环梁高度，直至完工。在图11中简单列举一些施工工况。由于钢管混凝土的徐变早期发展很快，5个月后徐变曲线趋于水平，1 a后徐变基本停止[17]。故本模型分析到施工完成后1 000 d为止。

4.3 计算结果与分析

4.3.1 钢管混凝土柱竖向层间位移 图12分析数据对应于图10所示位置的钢管混凝土柱。由图12可知，考虑施工过程的分析结果与一般分析结果有很大差异。考虑施工过程的层间最大位移值发生在结构的中间部位，而一般分析的层间最大位移值发生在结构的最上部。考虑施工过程的位移曲线在后半段下降的原因是：笔者施工过程分析采用的是“分步建模技术”，即按施工步骤依次形成各施工阶段的结构刚度矩阵并施加相应荷载，未激活构件的刚度在整体刚度矩阵中并不出现，所以新激活构件的初始位移为0；针对该算例，相当于第i阶段的荷载对i+1～n阶段新激活的构件不产生变形，这与实际施工情况是相符的。由图12（a）可见，施工刚完成时钢管混凝土柱的徐变变形始终小于弹性变形，最大的徐变变形和最大的弹性变形分别为4.85 mm和22.83 mm；施工完成后1 000 d时（图12（b）），徐变变形有所增大，最大徐变变形为11.57 mm。可见，钢管混凝土的徐变变形量相对于弹性变形量较小，但随着时间的增长徐变变形的影响会有所增大，应给予一定的考虑。

4.3.2 核心筒竖向层间位移 图13分析数据对应于图10所示位置的核心筒。由图13可知，核心混凝土的分析结果与钢管混凝土柱的结果有较大不同（此时收缩变形虽然存在，但收缩变形量相对于其他变形量微乎其微，故忽略不计）。核心筒混凝土的徐变变形量为弹性变形量的3倍左右。在施工完成时，见图13（a）。最大的徐变变形和最大的弹性变形分别为88.61、35.06 mm。在施工完成后1 000 d时，見图13（b）。最大徐变变形为116.11 mm。可见，核心筒在施工过程分析时必须考虑混凝土的徐变，不然将导致分析结果误差太大。通过图12和图13还可以发现，各层层间变形值差异较大，为了使建成的实际结构与设计目标一致，应考虑逐层找平。

4.3.3 钢管混凝土柱与核心筒层间位移差 由图14可知，一般分析结果的层间位移差比较小，最大位移差为16.52 mm，不考虑徐变的施工过程分析结果与一般分析结果较接近。而考虑徐变施工过程的层间位移差较大。施工完成时，最大位移差为9635 mm，发生在结构中部。在施工完成后1 000 d时，在趋势相同的情况下差值进一步增大，最大位移差为117.98 mm。可见，荷载长期效应的影响十分大（该长期效应包括施工工期内的）。若不采取必要措施，柱与核心筒之间的楼板在如此大的位移差的影响下必将破坏。这对施工找平提出了要求，既要使施工完成后的结构符合验收标准，又要考虑验收后荷载长期效应的影响，应引起足够重视。

4.3.4 核心筒实测数据与数值模拟数据的对比 对结构进行施工过程分析的同时，对结构进行了施工现场实测。传感器的布置图见图15，传感器在核心筒的布置图见图16。图17为测点1在传感器3方向从工况29到工况38的实测应变值推得的应力值，并将其与分析结果对比。可知，实测值比模拟数值小。而造成这种差异的原因较多，主要有以下几点：

会完全一致。

2）测量误差：由于采用振弦式应变计，外界环境振动对实测值会造成一定影响。

3）模型失真：实际核心筒含有大量构造配筋，而在分析时将其简化为单一混凝土材料，造成实测值比模拟值小。

5 结论

1） 提出了按主从节点约束考虑钢管与混凝土共同工作的钢管混凝土时变分析模型，基于该模型研制了高层钢管混凝土结构施工全过程的数值模拟软件，算例表明软件具有较好的适用性。

2） 收缩徐变使高层建筑结构产生较大的竖向变形，必须对结构进行考虑收缩徐变的施工过程分析。相对于混凝土结构构件，钢管混凝土结构构件的徐变变形较小，但仍应给予考虑，否则计算结果误差较大。

3） 数值计算结果表明钢管混凝土柱和核心筒的竖向位移差很大。该差值会引起较大的附加弯矩和附加剪力，在实际工程设计中应尽量考虑该影响。

4） 为实现设计目标和保证长期使用安全，高层建筑施工时对结构应进行逐层找平，并应考虑到荷载长期效应对结构的影响。

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（编辑 王秀玲）doi：10.3969/j.issn.16744764.2012.05.009

钢管混凝土框架节点的研究现状 篇4

钢管混凝土结构是在钢管柱内填充素混凝土,实现在受力过程中充分发挥钢管和混凝土两种材料互补作用的一种钢管混凝土组合结构。该结构可使构件截面减小,承载能力提高,整体重量减轻;由于钢管壁板不需太厚,可大量使用国产钢材并实现工厂化生产;能够大幅度节约钢材和基础费用,降低结构造价;因施工中可省去大量支模板的工作,可使工期缩短1/4～1/3,环境污染小;由于柱子截面的减小,可使使用面积增加5%～8%。由于节点是诸多构件的力流交汇之处,节点的受力模式较之于一般构件更为复杂,特别是在地震作用下的节点受力尤为复杂,而且节点联系着多个构件,其失效的后果比起一般的构件更为严重,因此,在工程实践中,对节点的性能应格外重视。

1 圆钢管混凝土柱节点

目前工程应用的圆钢管混凝土梁柱节点[1],大体可分为圆钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁连接和圆钢管混凝土柱—钢梁连接两大类,其构造形式多种多样。

根据节点构造形式,圆钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁节点可分为以下几种:1)钢加强环式节点;2)钢筋环绕式节点;3)劲性环梁节点;4)抗剪环环梁节点;5)钢筋贯通暗牛腿式节点。近年来,国外对圆钢管混凝土柱—钢梁节点也进行了一定研究。各种连接形式包括局部加厚管壁、连续加强环、钢梁上下翼缘局部加劲板等,许多学者研究了这类节点不同细部构造形式的静力强度,并且还利用有限元程序进行了大量的单调加载的模拟分析,并给出了节点的经验计算公式。Schneider,J.Beutel[2],Chin-Tung Cheng等分别进行了不同细部构造形式节点的静力、抗震性能试验研究和理论分析。

2 方钢管混凝土柱节点

2.1 方钢管混凝土柱—钢筋混凝土梁节点

环梁—钢承重销式连接、穿筋式连接是我国《矩形钢管混凝土结构技术规程》推荐的两种连接形式(见图1,图2)。环梁—钢承重销式连接是在钢管外壁焊半穿心牛腿,柱外设八角形钢筋混凝土环梁,梁端纵筋锚入钢筋混凝土环梁传递弯矩;穿筋式连接是在柱外设矩形钢筋混凝土环梁,在钢管外壁焊水平肋钢筋(或水平肋板),通过环梁和肋钢筋(或肋板)传递梁端剪力,框架梁纵筋通过预留孔穿越钢管传递弯矩。

2.2 方钢管混凝土柱—钢梁节点

我国矩形钢管混凝土结构技术规程推荐了4种连接形式:带短梁内隔板式梁柱连接、外伸内隔板式梁柱连接、外隔板式梁柱连接、内隔板式梁柱连接。带短梁内隔板式梁柱连接为矩形钢管内设隔板,柱外预焊短钢梁,钢梁的翼缘与柱边预设短钢梁的翼缘焊接,钢梁的腹板与短钢梁的腹板用双夹板高强度螺栓摩擦型连接;外伸内隔板式梁柱连接为矩形钢管内设隔板,隔板贯通钢管壁,钢管与隔板焊接,钢梁腹板与柱钢管壁通过连接板采用摩擦型高强度螺栓连接,钢梁翼缘与外伸的内隔板焊接;内隔板式梁柱连接,为钢梁腹板与柱钢管壁通过连接板采用摩擦型高强度螺栓连接,矩形钢管混凝土柱内设隔板,钢梁翼缘与柱钢管壁焊接;外隔板式连接为钢梁腹板与柱外预设的连接件采用摩擦型高强度螺栓连接,柱外设水平外隔板,钢梁翼缘与外隔板焊接。

3 近年来钢框架中的新型节点形式

3.1 盖板式节点

盖板式节点是地震后最先提出的一种改进方案,也是地震后一段时间内最流行的节点形式(见图3),它的设计思想就是加强节点强度。这种节点在试验室进行的大尺寸试件研究中,延性要好于以往的节点,但有时也出现一些脆性破坏。这种节点的最大困难就是盖板与梁翼缘的焊接及其检测,特别是采用厚盖板时将使坡口焊很大,致使焊缝的收缩、复原等更加困难,同时更容易在梁翼缘和盖板的交界处产生更大的残余应力[3]。

3.2 托座式节点

托座式节点是另一种改进方案(见图4),它用两个托座分别将梁的上下翼缘和柱翼缘连接起来,托座与梁翼缘一般通过焊缝连接,托座与柱翼缘则可通过铆接、螺栓连接。这种节点形式在试验室研究中也表现出较好的延性,但造价相对较高。

3.3 梁翼缘放大节点

梁翼缘放大节点(见图5),这种节点形式是通过梁翼缘向柱连接处放大的办法来加大连接处梁断面。翼缘放大部分梁段长度一般为1 m左右,并在柱吊装前采用全熔透焊预先焊在柱上,现场通过高强螺栓将连接板与梁中段刚性拼接,避免高空施焊,保证了焊缝质量。这种节点工作性能简便可靠,适应工厂化制作,经济性较好。安徽铜陵金隆公司冶炼车间主厂房钢框架就是使用了这种节点形式,实践证明效果很好。

3.4 预应力加强型节点

预应力加强型节点是一种新型的抗弯连接节点。这种节点通过设置预应力钢索对梁和节点施加预应力来达到加强节点的目的。这一节点的初始刚度与焊接性刚性连接节点的刚度基本相同,在加载的后期,呈半刚性变化特征,因此具有较好的变形性能。由于预应力钢索的存在大大减小了结构的侧移,即使在节点出现塑性变形的情况下,梁柱仍然能够保持在弹性受力阶段,而且地震中即使被破坏,震后的修复也较为容易,但这种节点在施工、维修难度和使用的便利性方面均不如普通节点。

4 结语

由于钢管混凝土梁柱节点的多样性和受力的复杂性,国内外对这类组合结构的节点受力性能的研究相对滞后,已有规范(规程)对组合结构节点的设计规定相对于构件的设计规定粗略的多。近年来,随着钢管混凝土结构理论的日益完善和在工程中的广泛应用,钢管混凝土柱与梁的连接节点已经成为钢管混凝土结构研究和推广的关键技术问题之一,但是对节点研究的滞后和规范(规程)的不完善却制约了钢管混凝土结构体系在工程界安全、合理地推广与应用,因此,该问题有待进一步深入研究。

参考文献

[1]韩林海.钢管混凝土结构——理论与实践[M].北京:科学出版社,2004.

[2]J.Beutel,D.Thambiratnam,N.Perera.Cyclic Behavior of Con-crete Filled Steel Tubular Column to Steel Beam Connections[J].Engineering Structures,January 2002,24(1):29-38.

[3]杨强跃,郑悦.钢框架梁柱节点连接方式的介绍和分析[J].建筑结构,2004,34(6):44-48.

框架结构混凝土浇筑-施工技术交底 篇5

(一)作业条件

1、浇筑混凝土层段的模板、钢筋、预埋件及管线等全部安装完毕，经检查符合设计要求，并办完隐、预检手续。

2、浇筑混凝土用的架子及马道已支搭完毕，并经检查合格。

3、水泥、砂、石及外加剂等经检查符合有关标准要求，试验室已下达混凝土配合比通知单。

4、磅秤(或自动上料系统)经检查核定计量准确，振捣器(棒)经检验试运转合格。

5、工长根据施工方案对操作班组已进行全面施工技术交底，混凝土浇筑申请书已被批准。

(二)材质要求

1、水泥：水泥品种、强度等级应根据设计要求确定。质量符合现行水泥标准。工期紧时可做水泥快测。必要时要求厂家提供水泥含碱量的报告。

2、砂、石子：根据结构尺寸、钢筋密度、砼施工工艺、砼强度等级的要求确定石子粒径、砂子细度。砂、石质量符合现行标准。必要时做骨料碱活性试验。

3、水：自来水或不含有害物质的洁净水。

4、外加剂：根据施工组织设计要求，确定是否采用外加剂。外加剂须经试验合格后，方可在工程上使用。必要时要求厂家提供含碱量的报告。

5、掺合料：根据施工组织设计要求，确定是否采用掺合料。质量符合现行标准。必要时要求厂家提供含碱量的报告、6、钢筋：钢筋的级别、规格必须符合设计要求。质量符合现行标准。表面无老锈和油污。必要时做化学分析。

7、脱模剂：水质隔模剂。

(三)主要机具

混凝土搅拌机、磅秤(或自动上料设备系统)、双轮手推车、小翻斗车、尖锹、平锹、混凝土吊斗、插入式振捣器、木抹子、铁插尺、胶皮水管、铁板、串桶、塔式起重机、混凝土标尺杆、砂浆称量器等。

二、质量要求

(一)钢筋工程

(二)模板工程

(三)砼工程

注：(一)、(二)、(三)项具体要求请参照本书“独立柱基础工程技术交底记录”中相应部分。

三、工艺流程

作业准备→混凝土搅拌→混凝土运输→柱、梁、板、剪力墙、楼梯混凝土浇筑与振捣→养护

四、操作工艺

(一)作业准备

1、浇筑前应将模板内的垃圾、泥土等杂物及钢筋上的油污清除干净，并检查钢筋的保护层垫块是否垫好，钢筋的保护层垫块是否符合规范要求。

2、如使用木模板时应浇水使模板湿润。柱子模板的扫除口应在清除杂物及积水后再封闭。

3、施工缝的松散混凝土及混凝土软弱层已剔掉清净，已经露出石子，并浇水湿润，无明水。

4、梁、柱钢筋的钢筋定距框已安装完毕，并经过隐预检。

5、自拌砼，应在开盘前lh左右，测定砂石含水率，调整施工配合比。

(二)混凝土搅拌

混凝土现场搅拌工艺

1、每次浇筑砼前1.5h左右，由土建工长或砼工长填写“砼浇筑申请书”，一式3份，施工技术负责人签字后，土建工长留一份，交试验员一份，资料员一份归档。

2、试验员依据砼浇筑申请书填写有关资料。做砂石含水率。调整砼配合比中的材料用量，换算每盘的材料用量，写配合比板，经施工技术负责人校核后，挂在搅拌机旁醒目处。定磅秤或电子秤及水继电器。

3、材料用量、投放：水、水泥、外加剂、掺合料的计量误差为±2％，砂石料的计量误差为±3％。投料顺序为：石子→水泥→外加剂粉剂→掺合料→砂子→水→外加剂液剂。

4、搅拌时间：强制式搅拌机：不掺外加剂时不少于90秒；掺外加剂时不少于120秒。自落式搅拌机：在强制式搅拌机搅拌时间的基础上增加30秒。

5、当一个配合比第一次使用时，应由施工技术负责入主持，做砼开盘鉴定。如果砼和易性不好，可以在维持水灰比不变的前提下，适当调整砂率、水及水泥量，至和易性良好为止。

(三)混凝土运输

混凝土自搅拌机卸出后，应及时运输到浇筑地点。在运输过程中，要防止混凝土离析、水泥浆流失。如混凝土运到浇筑地点有离析现象时，必须在浇筑前进行二次拌合。

注：掺用外加剂或采用快硬水泥拌硬水泥 拌制混凝土时，应按试验确定。

泵送混凝土时必须保证混凝土泵连续工作，如果发生故障，停歇时间超过45min或混凝土出现离析现象，应立即用压力水或其他方法冲洗管内残留的混凝土。用水冲出的砼严禁用在永久建筑结构上。

(四)混凝土浇筑与振捣的一般要求

1、混凝土自吊斗口下落的自由倾落高度不得超过2m，浇筑高度如超过3m时必须采取措施，用串桶或溜管等。

2、浇筑混凝土时应分段分层连续进行，浇筑层高度应根据砼供应能力，一次浇筑方量，砼初凝时间，结构特点、钢筋疏密综合考虑决定，一般为振捣器作用部分长度的1.25倍。

3、使用插入式振捣器应快插慢拔，插点要均匀排列，逐点移动，顺序进行，不得遗漏，做到均匀振实。移动间距不大于振捣作用半径的1.5倍(一般为30--40cm)。振捣上一层时应插入下层5—lOcm，以使两层砼结合牢固。表面振动器(或称平板振动器)的移动间距，应保证振动器的平板覆盖已振实部分的边缘。

4、浇筑混凝土应连续进行。如必须间歇，其间歇时间应尽量缩短，并应在前层混凝土初凝之前，将次层混凝土浇筑完毕。间歇的最长时间应按所用水泥品种、气温及混凝土凝结条件确定，一般超过2h应按施工缝处理。(当混凝土的凝结时间小于2h时，则应当执行混凝土的初凝时间)

5、浇筑混凝土时应经常观察模板、钢筋、预留孔洞、预埋件和插筋等有无移动、变形或堵塞情况，发现问题应立即处理，并应在已浇筑的混凝土初凝前修正完好。

(五)柱的混凝土浇筑

1、柱浇筑前底部应先填5-10cm厚与混凝土配合比相同的减石子砂浆，柱混凝土应分层浇筑振捣，使用插入式振捣器时每层厚度不大于50cm，振捣棒不得触动钢筋和预埋件。

2、柱高在3m之内，可在柱顶直接下灰浇筑，超过3m时，应采取措施(用串桶)或在模板侧面开洞口安装斜溜槽分段浇筑。每段高度不得超过2m，每段混凝土浇筑后将模板洞封闭严实，并用箍箍牢。

3、柱子混凝土的分层厚度应当经过计算后确定，并且应当计算每层混凝土的浇筑量，用专制料斗容器称量，保证混凝土的分层准确，并用混凝土标尺杆计量每层混凝土的浇筑高度，混凝土振捣人员必须配备充足的照明设备，保证振捣人员能够看清混凝土的振捣情况。

4、柱子混凝土应一次浇筑完毕，如需留施工缝时应留在主梁下面。无梁楼板应留在柱帽下面。在与梁板整体浇筑时，应在柱浇筑完毕后停歇1～1.5h，使其初步沉实，再继续浇筑。

5、浇筑完后，应及时将伸出的搭接钢筋整理到位。

(六)梁、板混凝土浇筑

1、梁、板应同时浇筑，浇筑方法应由一端开始用“赶浆法”，即先浇筑梁，根据梁高分层浇筑成阶梯形，当达到板底位置时再与板的混凝土一起浇筑，随着阶梯形不断延伸，梁板混凝土浇筑连续向前进行。

2、和板连成整体高度大于1m的梁，允许单独浇筑，其施工缝应留在板底以下2～3mm处。浇捣时，浇筑与振捣必须紧密配合，第一层下料慢些，梁底充分振实后再下二层料，用“赶浆法”保持水泥浆沿梁底包裹石子向前推进，每层均应振实后再下料，梁底及梁帮部位要注意振实，振捣时不得触动钢筋及预埋件。

3、梁柱节点钢筋较密时，浇筑此处混凝土时宜用小粒径石子同强度等级的混凝土浇筑，并用小直径振捣棒振捣。

4、浇筑板混凝土的虚铺厚度应略大于板厚，用平板振捣器垂直浇筑方向来回振捣，厚板可用插入式振捣器顺浇筑方向托拉振捣，并用铁插尺检查混凝土厚度，振捣完毕后用长木抹子抹平。施工缝处或有预埋件及插筋处用木抹子找平。浇筑板混凝土时不允许用振捣棒铺摊混凝土。

5、施工缝位置：宜沿次梁方向浇筑楼板，施工缝应留置在次梁跨度的中间l/3范围内。施工缝的表面应与梁轴线或板面垂直，不得留斜搓。施工缝宜用木板或钢丝网挡牢。

6、施工缝处须待已浇筑混凝土的抗压强度不小于1.2MPa时，才允许继续浇筑。在继续浇筑混凝土前，施工缝混凝土表面应凿毛，剔除浮动石子和混凝土软弱层，并用水冲洗干净后，先浇一层同配比减石子砂浆，然后继续浇筑混凝土，应细致操作振实，使新旧混凝土紧密结合。

(七)剪力墙混凝土浇筑

1、如柱、墙的混凝土强度等级相同时，可以同时浇筑，反之宜先浇筑柱混凝土，预埋剪力墙锚固筋，待拆柱模后，再绑剪力墙钢筋、支模、浇筑混凝土。

2、剪力墙浇筑混凝土前，先在底部均匀浇筑5—lOcm厚与墙体混凝土同配比减石子砂浆，并用铁锹人模，不应用料斗直接灌人模内。(该部分砂浆的用量也应当经过计算，使用容器计量）

3、浇筑墙体混凝土应连续进行，间隔时间不应超过2h，每层浇筑厚度按照规范的规定实施，因此必须预先安排好混凝土下料点位置和振捣器操作人员数量。

4、振捣棒移动间距应小于40cm，每一振点的延续时间以表面泛浆为度，为使上下层混凝土结合成整体，振捣器应插入下层混凝土5～lOcm。振捣时注意钢筋密集及洞口部位，为防止出现漏振，须在洞口两侧同时振捣，下灰高度也要大体一致。大洞口的洞底模板应开口，并在此处浇筑振捣。

5、墙体砼浇筑高度应高出板底20～30mm。混凝土墙体浇筑完毕之后，将上口甩出的钢筋加以整理，用木抹子按标高线将墙上表面混凝土找平。

(八)楼梯混凝土浇筑

l、楼梯段混凝土自下而上浇筑，先振实底板混凝土，达到踏步位置时再与踏步混凝土一起浇捣，不断连续向上推进，并随时用木抹子(或塑料抹子)将踏步上表面抹平。

2、施工缝位置：楼梯混凝土宜连续浇筑完，多层楼梯的施工缝应留置在楼梯段1/3的部位。

(九)所有浇筑的混凝土楼板面应当扫毛，扫毛时应当顺一个方向扫，严禁随意扫毛，影响混凝土表面的观感。

(十)养护

混凝土浇筑完毕后，应在12h以内加以覆盖和浇水，浇水次数应能保持混凝土有足够的润湿状态，养护期一般不少于7昼夜。

(十一)混凝土试块留置

1、按照规范规定的试块取样要求做标养试块的取样。

2、同条件试块的取样要分情况对待，拆模试块(1.2MPa，50％，75％设计强度，100％设计强度)：外挂架要求的试块(7.5MPa)。

(十二)成品保护

1、要保证钢筋和垫块的位置正确，不得踩楼板、楼梯的分布筋、弯起钢筋，不碰动预埋件和插筋。在楼板上搭设浇筑混凝土使用的浇筑人行道，保证楼板钢筋的负弯矩钢筋的位置。

2、不用重物冲击模板，不在梁或楼梯踏步侧模板上踩，应搭设跳板，保护模板的牢固和严密。

3、已浇筑楼板、楼梯踏步的上表面混凝土要加以保护，必须在混凝土强度达到1.2MPa以后，方准在面上进行操作及安装结构用的支架和模板。

4、在浇筑混凝土时，要对已经完成的成品进行保护，对浇筑上层混凝土时流下的水泥浆要专人及时的清理干净，洒落的混凝土也要随时清理干净。

5、对阳角等易碰坏的地方，应当有措施。

6、冬期施工在已浇的楼板上覆盖时，要在铺的脚手板上操作，尽量不踏脚印。

(十三)应注意的质量问题

1、蜂窝：原因是混凝土一次下料过厚，振捣不实或漏振，模板有缝隙使水泥浆流失，钢筋较密而混凝土坍落度过小或石子过大，柱、墙根部模板有缝隙，以致混凝土中的砂浆从下部涌出而造成。

2、露筋：原因是钢筋垫缺位移、间距过大、漏放、钢筋紧贴模板、造成露筋，或梁、板底部振捣不实，也可能出现露筋。

3、孔洞：原因是钢筋较密的部位混凝土被卡，未经振捣就继续浇筑上层混凝土。

4、缝隙与夹渣层：施工缝处杂物清理不净或未浇底浆振捣不实等原因，易造成缝隙、夹渣层。

5、梁、柱连接处断面尺寸偏差过大，主要原因是柱接头模板刚度差或支此部位模板时未认真控制断面尺寸。

6、现浇楼板面和楼梯踏步上表面平整度偏差太大：主要原因是混凝土浇筑后，表面不用抹子认真抹平。

钢管混凝土框架结构 篇6

【关键词】混凝土框架；质量缺陷；补强方案

我公司在承建的XX中学·教育培训中心学生寝室楼施工过程中出现了严重的质量问题，其结构形式为钢筋混凝土框架结构，半地下自行车库四周设有钢筋混凝土挡土墙。半地下室一层，上部五层，共六层，现半地下自行车库部分钢筋混凝土结构已施工完毕，由于施工过程中混凝土振捣密实不到位，发现挡土墙、柱、楼板等构件有多处出现麻面、混凝土松散，空鼓、露筋、断柱等问题。发现问题后，我公司针对这一情况非常重视，立即组织公司领导及相关工程技术人员到现场查看，分析问题产生的原因，研究处理措施，并及时委托第三方权威检测部门采用超声法或钻芯法进行混凝土结构构件缺陷检测，并已出具检测报告书。为做好本工程混凝土结构缺陷部位整改修缮工作，本着对原有稳固结构少扰动并整改修缮到位的原则，现根据检测报告书，并结合现场实际情况，我公司拟提整改方案。

一、混凝土结构补强方案

1、以下部位混凝土构件凿除后采用细石混凝土重新浇筑。根据检测报告书，11/R柱脚轻度麻面，上段声波检测内部有缺陷且抽芯检测混凝土呈破碎状，将此柱上段凿除；13/R柱、13/R柱下段无明显缺陷，上段空鼓严重并有断层，将此柱上段凿除；12/S柱楼梯休息平台-楼面段孔洞露筋严重，应凿除空鼓至坚实部位再浇筑修复，鉴于现场实际情况，将该段柱完全凿除；10-11/S混凝土挡墙顶部露筋，上段混凝土孔洞较多，且与下段混凝土胶结差，故将上段混凝土完全凿除；11-12/S混凝土挡墙上段浇筑不到位，存在露筋现象，故将此墙顶混凝土凿除，浇筑完毕后，外侧采用防水砂浆抹面；14/P-Q墙顶梁露筋、孔洞严重，故将此墙顶梁混凝土全部凿除；11/S柱与11-12/S墙顶交接处存在孔洞露筋，故将此柱在在该位置混凝土凿除，采用细石混凝土重新浇筑。

2、以下部位混凝土构件凿除至坚实部位内，采用细石混凝土修补浇筑。根据检测报告书，1/Q柱、14/Q柱、7/R柱、8/R柱、14/R柱、2/S柱、4/S柱、7/S柱、8/S柱、10/S柱、3-4/S墙、9-10/S墙、12-13/S墙、1/R-S墙、1/Q-R墙、1/P-Q墙、1-2/P墙、2-3/P墙、3-4/P墙局部位置混凝土松散、孔洞、或露筋，故将此墙、柱有缺损位置的混凝土凿除至坚实部位内，采用灌细石混凝土修补浇筑。14/Q-R墙、14/R-S墙墙体顶部与梁交接处存在蜂窝、孔洞、露筋现象，故将交接处混凝土凿除至坚实部位内，采用细石混凝土修补浇筑。

3、1/R柱、1/P柱、1/S柱未经检测，根据检测报告书描述和现场实际情况，面层蜂窝、孔洞严重，存在露筋现象，但内部是否完好不详，为避免判断失误影响结构整体性和安全性，故先将此柱四周做好支撑，待面层破损处凿除并由各方主体现场查看讨论后再做判断。如凿除后破损面较深（>柱宽/4），则此柱整段凿除采用细石混凝土重新浇筑；如凿除后破损面较浅，则破损处采用细石混凝土修补浇筑。

4、12-14/N-T、10-12/N-R梁、板未经检测，根据检测报告书描述及实际浇筑情况，应将改处梁、板混凝土未浇捣密实处全部凿除，采用细石混凝土重新浇筑。

5、对检测报告中未涉及的柱补充检测。根据实际检测情况，如强度或密实度达不到要求，则凿除采用细石混凝土重新浇筑；如检测满足设计要求，则对面层有破损空鼓处凿除采用细石混凝土修补浇筑。

6、其余部位。根据检测报告书，并根据现场实际，到现场逐一排查，凡有蜂窝、麻面、面层混凝土酥松处，均将面层破损处进行凿除，如破损面>50mm，则采用细石混凝土修补浇筑；如破损面不大于50mm，则采用灌浆料面层修补。

7、S-U轴阳台楼面：清理面层后，采用防水砂浆抹平处理。

二、混凝土结构加固施工工艺

1、采用细石混凝土重新浇筑（11/R柱、13/R柱、12/S柱）。采用C35微膨胀细石混凝土。混凝土构件凿除前，先对构件上部楼面进行卸荷，做好临时支撑工作，支撑牢固，确保施工安全。按整改方案的要求，使用小型机具凿除柱原有混凝土，凿除面应尽量水平，且应凿除至交接面坚实部位，并将新旧混凝土交接面做凿毛处理，表面凹凸差不小于4mm；混凝土鑿除过程中，不得伤及构件内原有钢筋。混凝土凿除完毕后，应对原有钢筋进行清理，钢筋表面不得有浮浆残留，重度锈蚀处应清理，对移位的钢筋回位；对新旧混凝土交接面应清理干净，不得有浮渣粉末。清理完毕后，对柱原箍筋加密，箍筋直径和支数同原图，加密后箍筋间距为100mm。支模，并将新旧混凝土交接面采用界面剂处理，根据现场情况采用顶部或侧面开口的方式重新浇筑，浇筑过程中，做好振捣密实工作，并辅以模板外振捣，保证浇筑质量。浇筑完毕后做好养护工作。

2、采用细石混凝土重新浇筑（12-14/N-T、10-12/N-R梁、板）。采用C35微膨胀细石混凝土。混凝土构件凿除前，先对梁板下部原有支撑模板拆除。按整改方案的要求，使用小型机具凿除柱原有混凝土，凿除位置上下面应尽量平行，并将新旧混凝土交接面做凿毛处理；混凝土凿除过程中，不得伤及构件内原有钢筋。混凝土凿除完毕后，应对原有钢筋进行清理，钢筋表面不得有浮浆残留，重度锈蚀处应清理，对移位的钢筋回位；对新旧混凝土交接面应清理干净，不得有浮渣粉末。清理完毕后重新支模，并将新旧混凝土交接面采用界面剂处理，浇筑过程中，做好振捣密实工作，保证浇筑质量。浇筑完毕后做好养护工作。

3、采用细石混凝土重新浇筑（10-11/S墙、11-12/S墙、14/P-Q墙、11/S柱）。采用C35微膨胀细石混凝土。按整改方案的要求，使用小型机具凿除原有混凝土，且应凿除至交接面坚实部位，凿除位置上下面应尽量平行，并将新旧混凝土交接面做凿毛处理，表面凹凸差不小于4mm；混凝土凿除过程中，不得伤及构件内原有钢筋。混凝土凿除完毕后，应对原有钢筋进行清理，钢筋表面不得有浮浆残留，重度锈蚀处应清理，对移位的钢筋回位；对新旧混凝土交接面应清理干净，不得有浮渣粉末。支模，并将新旧混凝土交接面采用界面剂处理，根据现场情况采用顶部或侧面开口的方式重新浇筑，浇筑过程中，做好振捣密实工作，并辅以模板外振捣，保证浇筑质量。浇筑完毕后做好养护工作。

4、采用细石混凝土修补浇筑。采用C35无收缩细石混凝土。按整改方案的要求，使用小型机具将有孔洞、露筋、酥松等部位的混凝土凿除，且应凿除至坚实部位，凿除位置上下面应尽量平行，凿除深度>50mm，并将新旧混凝土交接面做凿毛处理，表面凹凸差不小于4mm；混凝土凿除过程中，不得伤及构件内原有钢筋。混凝土凿除完毕后，应对裸露在外的钢筋进行清理，钢筋表面不得有浮浆残留，重度锈蚀处应清理，对新旧混凝土交接面应清理干净，不得有浮渣粉末。支模，并将新旧混凝土交接面采用界面剂处理，采用压力灌浆的方式重新浇筑。浇筑完毕后做好养护工作。

钢管混凝土框架结构 篇7

1钢管混凝土节点受力特点及研究现状

在北岭地震和阪神地震发生以后,包括美国、日本以及我国(含香港、台湾)在内的世界上很多国家针对钢管混凝土结构节点的抗震性能开展了大量的研究工作。在传统抗震框架结构中,节点既有保证结构整体性的作用,同时还是主要的耗能部位,因此耗能能力及破坏形态是研究节点抗震能力的两个重要指标。根据构造形式及研究目标的不同,将钢管混凝土框架节点概括为基本型和改善型两类。

基本型节点包括外环板型、内隔板型、隔板贯穿型、螺栓端板型、锚固型等。从试验结果来看,基本型节点均有较高的耗能能力,但各种类型的节点均不太容易出现梁端塑性铰并保持节点完好,而是出现其它的破坏形态,具体表现为:外加强环型节点出现了环板开裂、连接焊缝拉裂、柱壁撕裂等;内隔板型节点出现了柱壁撕裂、梁端焊缝拉裂等;隔板贯穿型节点出现了焊缝开裂及梁端拉裂;螺栓端板型节点出现了螺栓脱牙、柱壁焊缝撕裂及柱端屈服等;锚固型节点出现了梁端焊缝拉裂等。

在北岭地震和阪神地震等大地震中,钢结构节点损坏后的修复花费高昂,有些建筑甚至不得不推倒重建,巨大的灾后重建费用令人难以接受。与之类似,试验中钢管混凝土框架基本型节点破坏形态同样具有不确定性,难以保证“强节点”的实现,为此研究人员对基本型节点进行了改善性研究,改善型节点可分为加强型和削弱型。加强型节点通过对节点进行特别加强,提高节点刚度,以突显“强节点”的目的。Kyung-Jae Shin等(2004)研究了梁端加设T型加劲肋节点[3],宗周红等(2005)研究了穿心螺栓-加劲端板节点[4],于旭等(2006)研究了加垂直肋板的梁端扩大型节点[5],苗纪奎等(2007)研究了外肋环板节点[6],徐礼华等(2008)研究了加肋隔板贯穿式节点[7]。削弱型节点则是在离节点端面一定距离处对梁翼缘或者腹板进行削弱处理,通过定向形成梁塑性区来达到保护节点的目的。郭彦利等(2009)研究了腹板削弱-内隔板型节点[8],周天华等(2009)研究了梁端削弱-内隔板型节点[9],Su-Hee Park等(2010)研究了翼缘削弱锚固型节点[10],作者(2010)进行了翼缘削弱改善外加强环型节点抗震性能的研究[11]。研究结果表明,改善型节点有比基本型节点更强的耗能能力,而且只要构造恰当,改善型节点能在梁端出现塑性铰,从而实现“强柱弱梁、更强节点”。不过如果使用改善型节点,对基本型节点实施改造存在施工难度大、工程量大及对建筑正常运行干扰大等弊端;如果在新建结构中使用改善型节点,若加工或施工不当仍有可能产生节点破坏;而且不管是用于加固还是新建,改善型节点也仅能满足“大震不倒”的设防要求,难以实现更精细的“可换”、“可修”等性能要求。

2金属阻尼器的研究应用

20世纪70年代发展起来的消能减震技术为解决这一难题提供了一条崭新的思路。耗能减震技术主要是通过在结构的某些部位增设耗能器或耗能部件来耗散地震作用输入结构的能量,以减轻结构的动力反应,从而更好地保护主体结构的安全。金属阻尼器是由各种不同的金属材料(软钢、低屈服点钢、铅及记忆合金等)制成,利用金属材料屈服时产生的塑性滞回变形来耗散能量的减震装置,具有稳定的滞回特性、良好的低周疲劳特性、不受环境温度影响等优点。汪家铭、中岛正爱(2005)对屈曲约束支撑(BRB)的研究进展及应用进行了概述[12,13];章丛俊、李爱群等(2006)综述了软钢阻尼器减震结构的研究与应用[14];周云等(2006)对我国大陆耗能减震技术的理论研究和应用进行了回顾和展望[15];闫维明等(2009)对铅阻尼器的发展与工程应用进行了综述[16]。

金属阻尼器通常安装于支撑或者间柱上形成耗能减震体系附着于主体结构之中。欧进萍、吴斌(2001)进行了组合钢板屈服耗能器支撑体系对高层钢结构减震效果的试验研究[17];蔡克铨等(2005)对屈曲约束支撑的抗震行为及应用进行了研究[18];裴星珠、方鹏凯(2009)研究了蜂窝式软钢阻尼器对钢结构框架的减震性能[19];Juan Andrés Oviedo A等(2010)进行了包括屈曲约束支撑(BRB)、弹塑性阻尼器等多种金属耗能器支撑体系对10层框架结构地震响应的研究[20];李钢、李宏男(2010)进行了装有双功能软钢阻尼器支撑体系的钢框架振动台试验研究[21];蔡克铨等(2001)研究了安装间柱-低屈服点钢阻尼器钢框架的抗震行为[22];李玉顺、沈世钊(2004)研究了安装了间柱-软钢阻尼器的钢框架抗震性能[23]。一系列的研究表明,应用金属阻尼器对主结构的减震效果十分明显。不过目前的结构减震效果仅以位移为指标,缺乏对结构构件及节点性能改善的细节研究。

金属阻尼器也可以直接作为梁柱节点或者梁柱节点一部分参与抗震耗能。Yuji Koetakaa等(2005)进行了钢结构框架梁柱利用Ω型阻尼器连接的研究[24];Jos′e Sep′ulveda等(2008)进行了用铜基形状记忆合金连接钢结构梁柱的研究[25];Sang-Hoon Oh等(2009)进行了钢结构梁端设置长槽型阻尼器的试验,减震效果达到了92%以上[26]。

日本较早将消能减震技术应用于钢管混凝土结构[27],但与应用于其它类型结构一样,其目的仍然是用于控制结构的变形,也没有节点细部影响的相关研究。近些年我国也有少量关于钢管混凝土结构减震的研究和应用。刘伟庆等(2004)进行了带消能支撑方钢管混凝土框架抗震性能的低周反复试验研究,验证了消能支撑优异的消能能力,并对支撑与框架连接提出了建议[28];吕西林等(2006)进行了消能减震高层方钢管混凝土框架结构振动台试验和弹塑性时程分析的对比研究[29];曹玉生等(2008)进行了设置隅撑支撑钢管混凝土框架抗震性能的研究,指出通过隅撑耗能可起到保护节点的作用[30]。这些研究为进一步进行钢管混凝土框架消能减震研究提供了有益的借鉴。

3结语

矩形钢管混凝土结构的应用研究 篇8

关键词：钢管混凝土,矩形钢管混凝土,桁架,应用研究

矩形钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,即钢管对混凝土的约束作用使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能大为改善,同时,由于混凝土的存在避免或延缓钢管发生局部屈曲,从而可以保证其材料性能的充分发挥;另外,在施工过程中,钢管还可以作为浇筑核心混凝土的模板,可节省模板费用,加快施工速度。通过钢管和混凝土组合成为钢管混凝土,不仅可以弥补两种材料各自的缺点,而且能够充分发挥二者的优点。

1 矩形钢管混凝土结构特点

作为结构构件,钢管截面剪心、形心重合,具有良好的抗压、弯、扭特性;与开口截面相比,结构的表面积小,没有尖角,具有良好的防腐蚀性能。直接焊接钢管结构由于其优越的结构性能和优美的建筑造型在国外建筑结构中得到广泛的使用。与圆钢管混凝土相比,矩形钢管混凝土构件连接构造简单,与墙体连接方便,建筑室内便于使用,并容易采用价格便宜的平板式防火板材。矩形钢管混凝土与钢结构相比,钢管混凝土结构中内填混凝土提高了钢管壁受压时的稳定性和钢管的抗腐蚀性、耐火性,而管壁对混凝土的套箍作用,则提高了混凝土的抗压强度和延性,充分地发挥了两种材料的优点。

因此,在房屋建筑工程中采用矩形钢管混凝土结构具有显著的优势。澳大利亚珀斯Forrest中心、德国法兰克福Commerzbank、日本东京Shimizu超高层、中国的香港中心大厦均采用了矩形钢管混凝土柱[1]。

目前我国正处在大力推广应用钢结构住宅时期,钢结构住宅是计划发展的重点,从建筑使用和与其他材料连接的角度来看,住宅建筑中采用矩形钢管混凝土结构具有独特的优势。

2 矩形钢管混凝土结构的研究现状

目前,对矩形截面钢管混凝土的研究主要集中在静力性能方面和在轴压、压弯和双向压弯等基本构件的力学性能方面。

2.1 试验研究概况

国外对矩形钢管混凝土的试验研究最早见于Chapman和Neogi的研究报告中,该报告较全面地总结了矩形钢管混凝土柱试验研究成果。随后,Furlong于1967年发表了5根轴压和17根压弯矩形钢管混凝土构件试验研究成果,初步阐明了矩形钢管混凝土的钢管和核心混凝土之间的相互作用情况。此后的研究范围进一步扩大,除继续对矩形钢管混凝土轴压和压弯构件进行深入的静力性能试验研究外,还对矩形钢管混凝土双向压弯及矩形钢管和混凝土之间的粘结等进行试验研究,并扩展了矩形钢管混凝土的应用研究范围[2]。

国内对矩形钢管混凝土静力性能的研究起步较晚。1985年,原郑州工学院进行了一系列矩形钢管混凝土构件的试验研究。1994年,范重报道了12个矩形钢管混凝土轴压短柱的试验研究成果,并应用塑性理论推导了矩形钢管混凝土轴压强度承载力的计算公式。1997年,哈尔滨建筑大学进行了57个矩形钢管混凝土基本构件的试验研究[3],为矩形钢管混凝土构件的荷载—变形关系全过程分析提供了必要的依据。

2.2 理论研究概况

随着矩形钢管混凝土试验研究的大量开展,相应的理论研究也日趋活跃,出现了多种不同的分析方法,但基本上都可以归结为简化方法和数值解法两类。

简化方法通过相关方程等手段直接给出构件的承载力和构件几何参数及物理参数之间的关系。1967年,Furlong在其发表的文章中给出了矩形钢管混凝土轴压强度承载力和抗弯承载力的计算表达式。1969年,Knowles和Park提出利用切线模量理论来计算轴心受压长柱的稳定承载力,在此基础上,采用直线相关方程来计算压弯构件的承载力。

Q.Q.Liang采用有限元方法研究后,提出了焊接矩形钢管混凝土短柱管壁有效宽度和矩形钢管混凝土短柱强度承载力的计算公式。2000年,B.Lakshmi和N.E.Shanmugam提出一种计算矩形钢管混凝土长柱的数值方法,在该法中建立了基于修正的拉格朗日公式的增量平衡方程,并且求解增量方程时采用了位移控制的方法。

目前,我国已经制定了《矩形钢管混凝土结构技术规程》[4]。

3 矩形钢管混凝土桁架结构的应用研究

矩形钢管混凝土受力性能优势在于其具有良好的抗压性能,比较适宜应用于长细比不大的轴心受压构件或小偏心受压构件,不宜用作受弯构件,目前人们将较多的注意力放在了钢管混凝土柱和拱的研究和工程应用中,却忽视了钢管混凝土在桁架结构中的应用。从受力角度看,桁架构件以轴心受力为主,材料的力学性能能够得到最有效的利用,是抵抗横向荷载最有效的结构形式之一。矩形钢管混凝土应用于桁架结构中有以下几种情况:

1)在桁架的受压弦杆中采用钢管混凝土构件,可以充分发挥钢管混凝土的抗压性能;

2)在桁架的受拉弦杆中采用钢管混凝土构件,有利于施加预应力,大大提高桁架的整体刚度和强度,降低桁架高度,从而减少腹杆用钢量,并满足建筑净空的使用要求;

3)在钢管桁架节点区域局部填充混凝土,可以提高节点的抗压承载力,截面尺寸较小,提高建筑的有效使用面积。

由矩形钢管直接焊接组成的矩形钢管桁架,腹杆杆端只需一次或两次平面切割即可制成,与圆管直接焊接节点的腹杆杆端空间曲线切割相比,节点构造要简单得多。而且,相同截面材料的矩形钢管构件容易取得绕截面主轴较大的抗弯刚度和抗弯承载力,矩形钢管混凝土桁架有效地解决了桁架节点构造复杂所带来的一系列问题,能够取得较好的经济效益。

4结语

矩形钢管混凝土结构的上述应用研究表明,矩形钢管混凝土结构不但可应用于受压柱中,而且可应用于桁架结构中,能够充分发挥钢管混凝土的各种优势,是拓展钢管混凝土应用空间的重要结构形式。

参考文献

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[2]P.K.Neogi,H.K.San,J.C.Chapman.Concrete Filled TubularSteel Columns under Eccentrical Loading[J].Journal of StructuralEngineering,1969,47(5):187-195.

[3]陶忠,韦灼彬,韩林海.方钢管混凝土压弯构件力学性能及承载力的研究[J].工业建筑,1998(10):10-14.

[4]CECS 159∶2004,矩形钢管混凝土结构技术规程[S].

钢管混凝土结构的特点与应用 篇9

关键词：钢管混凝土,特点,结构,应用,发展

钢管混凝土即在薄壁钢管内填充普通混凝土, 将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构, 它是将钢管结构和钢筋混凝土结构的优点结合在一起而发展起来的新型结构。钢管混凝土是在钢管中填入混凝土后形成的建筑构件, 按截面形状可分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程相互之间的组合作用, 充分地发挥了这两种材料的优点, 使混凝土的塑性和韧性大为改善, 且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲, 使钢管混凝土整体具有承载力高、塑性和韧性好、经济效益优良和施工方便等优点。

1 钢管混凝土结构的特点

1.1 承载力高、延性好, 抗震性能优越

钢管混凝土柱中, 钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态, 提高了混凝土的抗压强度;钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明, 钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏, 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。

1.2 施工方便, 工期大大缩短

钢管混凝土结构施工时, 钢管可以做为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量, 施工不受混凝土养护时间的影响;由于钢管混凝土内部没有钢筋, 便于混凝土的浇注和捣实;钢管混凝土结构施工时, 不需要模板, 既节省了支模、拆模的材料和人工费用, 也节省了时间。

1.3 有利于钢管的抗火和防火

由于钢管内填有混凝土, 能吸收大量的热能, 因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀, 增加了柱子的耐火时间, 减慢钢柱的升温速度, 并且一旦钢柱屈服, 混凝土可以承受大部分的轴向荷载, 防止结构倒塌。组合梁的耐火能力也会提高, 因为钢梁的温度会从顶部翼缘把热量传递给混凝土而降低。经实验统计数据表明:达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3一2/3甚至更多, 随着钢管直径增大, 节约涂料也越多。

1.4 耐腐蚀性能优于钢结构

钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少, 受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多, 抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。钢管混凝土构件的截面形式对钢管混凝土结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用, 使钢管内部的混凝土处于三向受压状态, 使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝土结构的施工难度大, 施工成本较高。相比之下, 方钢管混凝土结构的施工较为方便, 但钢管混凝土受到的约束作用较小, 结构的承载力较低。

2 钢管混凝土结构工程中的应用

2.1 高层建筑工程

在高层建筑结构中, 钢管混凝土柱具有很大的优势:具有承载力高, 抗震性能好的特点, 既可以取代钢筋混凝土柱, 解决高层建筑结构中普通钢筋混凝土结构底部的“胖柱”问题和高强钢筋混凝土结构中柱的脆性破坏问题;也可以取代钢结构体系中的钢柱, 以减少钢材用量, 提高结构的抗侧移刚度。钢管混凝土构件的自重较轻, 可以减小基础的负担, 降低基础的造价。全部采用钢管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”进行施工, 从而加快施工进度;钢管混凝土柱的钢材厚度较小, 取材容易、价格低。其耐腐蚀和防火性能也优于钢柱。钢管混凝土柱不易倒塌, 即使损坏, 修复和加固也比较容易。

2.2 单层和多层工业厂房柱

单层工业厂房的柱属于偏心受压构件, 为了充分发挥钢管混凝土结构的特点, 很多工程中的柱子设计成格构式组合柱, 如双肢柱、三肢柱和四肢柱, 把偏心弯矩转变为轴心力。

3 钢管混凝土结构研究的发展方向

3.1 高强度材料的应用

采用高强混凝土可以减轻结构自重、降低工程造价。随着混凝土强度的提高, 其延性下降, 这阻碍了它在实际工程中的应用。将高强混凝土灌入钢管中形成高强钢管混凝土, 由于受到钢管的约束作用, 混凝土处于三向受压状态, 其延性将大为提高, 而其构件的承载力也得到了相应的提高。因此, 高强钢管混凝土具有很大的发展潜力。

近年来, 国内外对高强钢管混凝土构件的研究表明;高强钢管混凝土的力学性能与普通钢管混凝土有所不同, 其设计不能套用普通钢管混凝土构件的设计公式。而我国现行的钢管混凝土设计施工规范和规程只适用于普通钢管混凝土结构, 因此必须加大高强钢管混凝土的研究力度, 尽快制定出相应的设计施工规范和观察。

3.2 节点动力性能的研究

节点是结构设计中的关键部位, 也是施工的难点。对于钢管混凝土节点, 其合理与否直接关系到结构的安全性和整个工程的造价。钢管混凝土节点可以分为两种;钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点和钢管混凝土柱与钢梁的连接节点。目前, 国内对于钢管混凝土节点静力性能的研究较多, 而对于节点动力性能的研究报导还较少。

3.3 耐火性能的研究

我国还没有制定针对钢管混凝土结构的防火规定。对于已经建成的钢管混凝土结构, 有的采用钢筋混凝土结构的要求外包混凝土, 有的按照钢结构的要求涂防火材料, 都没有统一规定和科学的依据。近年来, 国内学者就钢管混凝土的耐火性能问题进行了研究, 已经取得了可喜的成绩;应尽快编制出适合我国国情的钢管混凝土结构防火规范。

3.4 钢管混凝土结构体系抗震性能的研究

在对采用钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱的框架结构进行了抗震性能的对比试验研究;并从理论上分析比较了两种结构的动力性能, 得出了钢管混凝土框架结构的抗震性能明显优于钢筋混凝土框架结构的结论。但目前对钢管混凝土结构抗震性能的研究, 主要还是集中在基本构件方面, 而对于钢管混凝土整体结构的抗震性能的研究还不多。应开展这方面充分的研究, 以提供合理的抗震设计参数, 便于工程应用。

3.5 钢管混凝土施工方面的研究

钢管混凝土结构截面温度分布研究 篇10

钢管混凝土结构因其优良的结构性能被广泛应用于建造大跨度拱桥。目前, 对于钢管混凝土拱桥的极限承载力及结构稳定性等研究已基本完善。对于钢管混凝土结构的抗火性研究也取得了一定的成果, 但对于放置于自然环境中, 受日照、对流、辐射等环境因素影响而导致的结构内部温度分布的研究还未形成规范, 相关问题有待解决。基于传热学基本理论, 采用通用有限元计算程序ANSYS软件, 对置于自然环境中的钢管混凝土结构截面温度分布进行计算, 并与钢管混凝土结构截面温度的实际测量结果相对比, 计算结果与实际测量相符合。

2 计算模型

2.1 基本假定

对置于自然环境中的钢管混凝土结构, 其水化热已结束, 在分析温度分布时, 可将其简化为无内热源的温度分布。其主要热源有:与空气因对流发生热量的传递, 太阳辐射换热, 天空散射辐射, 地面反射辐射以及大气长波辐射和来自地面的长波辐射, 同时结构会向外辐射热量。对中承式钢管混凝土拱桥表面温度的实际测量表明, 靠近桥面位置时, 桥面对拱肋表面的辐射影响较大。在实际计算中, 可根据受桥面辐射影响的大小, 对拱肋进行分段计算。主要对钢管混凝土结构截面温度分布进行研究, 所以对于对于细长杆件结构的钢管混凝土拱肋, 与横向传热相比可假定沿轴线方向的传热可以忽略, 从而可近似将三维问题简化为二维问题。钢管混凝土结构由内部混凝土和表面钢管两部分组成, 在计算时, 为了计算简便, 作如下假定:2.1.1表面钢管的温度参数在计算过程中保持不变;2.1.2内部混凝土结构的温度参数在计算过程中保持不变;2.1.3忽略结构纵向温度变化对截面温度分布的影响;2.1.4温度和热流在钢管层内表面与混凝土层外表面之间连续。

2.2 热传导方程

各向同性二维无内热源的稳态温度分布满足热传导方程:

二维瞬态温度分布满足热传导方程:

式中, t为时间;为密度;c为比热容;λ为导热系数。

2.3 初始条件和边界条件。

初始条件和边界条件是热传导方程在求解时有唯一解的条件, 称为边值条件或定解条件。初始条件为初步分析时, 几面内部初始的温度分布, 边界条件为结构表面与外界传热的规律。

2.3.1 第一类边界条件:

结构边界上的温度函数T是时间的已知函数 (一般在计算时, 可以设定为固定值) , 即:

式中:Γ——为固体的边界, 方向为逆时针;

——为已知固体表面的温度;

——为已知固体表面温度函数。

2.3.2 第二类边界条件:

固体边界上的热流密度q为已知, 即:

式中:λ——导热系数;

q——已知热流密度;

f (x, y, z, t) ——已知热流密度函数;

n——表面外法线方向。

若表面绝热时, 则有

2.3.3 第三类边界条件:

结构表面的空气温度以及与结构表面的换热系数为已知, 用公式表示为:

式中:β——表面总放热系数, 考虑对流与辐射的综合热交换当 表面放热系数β趋于无限时, T趋近于Ta, 即可转化为第一类边界条件;当 又转化为绝热条件。

Ta——荫蔽处气温;

———结构表面日辐射量吸收系数;

S——日辐射强度。

2.3.4 第四类边界条件:

对于钢管混凝土结构, 表面钢管与内部混凝土紧密接触, 只发生热传导, 且在接触面上温度和热流密度是连续的, 即:

式中:T1、T2——两固体表面温度;

λ1、λ2——两种固体导热系数。

根据前文基本假设, 不管是稳态分析还是瞬态分析, 钢管与混凝土层间接触都符合第四类边界条件。当作稳态分析时, 结构表面符合第一类边界条件;当作瞬态分析时, 结构表面符合第二类和第三类边界条件的线性组合即:

式中:

kg——为钢材导热系数;

kh——为混凝土导热系数。

3 计算方法

3.1 稳态分析

首先将模型简化为符合第一类边界条件的单圆形截面混凝土内部稳态温度分布计算, 用已经实际测量的截面表面温度值进行加载, 得出截面内部各点的温度值。

3.2 瞬态分析

通过稳态分析, 得出某固定时刻截面内部温度分布, 再根据辐射量拟合公式求出某固定时段内的总辐射量, 并加载到结构表面, 进行瞬态分析, 得出瞬态温度分布。

4 实例分析

选取一段长2m的试件, 规格为530×8mm的钢管, 内填C40免振捣混凝土, 试件长度方向与地面成30度, 纵向为南北走向, 东西无建筑物遮挡, 受日光照射情况良好。

采用通用有限元计算程序ANSYS软件, 对钢管混凝土结构进行建模, 利用参数化设计语言 (APDL) , 计算得出钢管混凝土截面的温度分布。实际测量数据显示, 结构基本在下午15:0时达到最高温度, 因此计算结构下午15:00时的温度分布。下午15:00稳态温度分布图见图1。以下午13:00点时实测结构表面温度作为初始条件, 按照公式拟合出13:00至15:00点时限内的太阳辐射量, 并对结构进行加载, 求解出15:00时截面的瞬态温度分布见图2。

5 结论

5.1 基于稳态计算得出的温度分布与实测值吻合较好, 能较准确地反应钢管混凝土截面温度分布, 但前提是要测出表面温度, 这在实际应用中还是存在一定局限。对于置于自然环境中的钢管混凝土拱桥拱肋温度分布的计算, 可对拱肋结构上的几个断面的表面温度, 然后用稳态分析计算拱肋内部温度分布。

5.2 在稳态计算的基础上, 进行瞬态计算, 得出的温度分布较稳态分布均匀, 但计算温度值较实测值略微偏大, 这主要是由于未考虑结构向外辐射的原因, 但与实际测量值比较, 仍在误差允许范围之内。

5.3对于钢管混凝土拱桥降温为不利荷载, 用此方法可较准确求得结构最高温度。结构最低温度时, 截面内部温度较为均匀。以此可求得由降温引起截面内部应力, 对拱肋结构降温内力求解具有可参考意义。

5.4 根据实测数据, 在钢管混凝土构件下部温度偏高, 主要由于试件置于房屋顶, 受到房屋顶部油毡辐射影响。在对中承式钢管混凝土提篮拱桥的实测中也存在类似现象, 即在桥面以下, 因为受桥面遮挡, 拱肋表面温度较桥面以上拱肋表面温度低出许多, 一天内最高温度时高出达5度。而在靠近桥面位置时, 由于受到桥面辐射影响, 拱肋截面在未有阳光照射区域较拱肋其他位置高出3度至5度。因此, 对于靠近桥面位置拱肋截面温度分布的计算以及靠近桥面拱肋温度偏高对于整个结构的影响还有待于进一步研究。

参考文献

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