钢管混凝土结构与应用技术的制作方法

专利名称：:钢管混凝土结构与应用技术的制作方法本发明属于钢管混凝土结构与应用技术。钢管混凝土结构的现有技术为在钢管内灌注混凝土，其应用范围仅限于承受荷载较大、对压缩变形不太敏感的、单层及低层数受压柱或单独式结构物，现有技术认为钢管服从VonMises屈服条件，其分析理论与计算方法均是以核心混凝土的承载能力被钢管中存在的紧箍力所强化，作为钢管混凝土轴向受压柱承载能力提高的主要因素来考虑的;现有技术对钢管混凝土受压杆件的极限承载能力取值偏高。对于不同含钢率以及具有不同标号核心混凝土的钢管混凝土杆件不具备相等、同一的标准，稳定计算中的承载能力曲线不连续;现有技术不能够明确区分钢管混凝土各工作阶段的应力组成，对承载能力组成分析不明确;现有技术尚未提出关于压缩变形的可行计算方法。详见建筑结构学报1卷1期、3卷1期、5卷6期。本发明的目的在于提供一种新型建筑结构，以便大量地节约钢材，加快工程施工进度，并取得最优的经济效益。本发明的特征在于1.提出了力平衡场假设钢管混凝土轴向受压柱承受荷载时，核心混凝土在三向受力状态下工作，钢管则在二向受力状态下工作。核心混凝土在轴向压力作用下不仅产生轴向压缩变形，而且还产生横向变形。由于混凝土的泊桑比v′c的增长速度大于钢管的泊桑比v′a的增长速度，且当v′c＞v′a时，迫使钢管在轴向产生压缩变形的同时，在环向也产生了拉伸变形。变形是荷载效应的结果，同时变形也迫使结构产生相对应的抗力。因此在结构内部构成了各内力的平衡状态;在垂直于轴向的任意截面上构成了内力与外力的平衡状态，亦即构成力的平衡场。因此我们也可以假设每个任意与轴向相垂直的截面中，都存在着力平衡场。结构的破坏，即力平衡场的破坏。2.关于主力场分阶段出现的假设在钢管混凝土柱中，有三种形式的力平衡场(以下简称力场)，即轴向力场，以“1”表示;环向力场，以“2”表示，及荷载效应力场以“3”表示。这三种力场在不同的应力阶段，随着横向变形系数曲线斜率的改变，分别表现为主场与次场，组成共同的结构抗力，并同时存在于与钢管混凝土杆件轴向相垂直的任意截面之中。3.本发明提出了荷载效应力场假设荷载效应力场即自应力力场。钢管混凝土轴向受压杆件在外部压力作用下，钢管与核心混凝土在产生轴向压缩变形ε’ac-1的同时，也存在着νε’ac-1的横向变形。因此钢管在环向力场内产生相似于预压应力的效果，即荷载效力场，并具有承载能力。这一承载能力主要存在于ν’ac≤0.4及ν’ac＞1.0这样两个承载能力阶段。ν’ac≤0.4是轴向力场为主力场的阶段，νε’ac-1随ε’ac-1的增大而增大，其产生的自应力处于集蓄增长阶段。因此可以在环向力场形成新的承载能力。当ν’ac＝0.5时，钢管所表现出的塑性状态，是由于环向变形影响的结果，此时环向力场上升为主力场，不能够形成新的荷载效应力场。当ν’ac＞1.0且轴向力场与环向力场的压应力与拉应力都达到屈服应力fy后，钢管的轴向力场及环向力场都不再具有继续增长的承载能力，并且在原来外部荷载的作用下将产生较大的塑性压缩变形ε’a-1，与此同时也存在着一个较大的νε’a-1值的增量，并且形成新的荷载效应力场。钢管混凝土轴向受压柱也就表现出平缓上升的承载能力曲线，这一承载能力与含钢率及屈服应力的大小成正比。4.本发明对“混凝土应力-应变全曲线的试验研究”一文提出了两点推论(参见图-1)①当ν’ac＝0.5时，无论低标号混凝土或高标号混凝土以及水泥砂浆，核心混凝土(及砂浆)必然产生裂缝。因此核心混凝土承载能力的继续提高将受到限制。②当ν’ac＝0.5时，即核心混凝土的细微裂缝开始出现时，在核心混凝土部分存在的压应力σc＝0.7R20，相当于棱柱强度值。这也就确定了变形特征点ν’ac＝0.5时，核心混凝土的实际存在的压应力数值。当ν’ac＜0.5时，核心混凝土的视体积按(1-ε+2νε)缩小。当ν’ac＝0.5时，核心混凝土的视体积按(1-ε+2νε)恢复到未承受外部荷载时的初始状态。这种体积的变化，是由于核心混凝土的应力已达到棱柱强度，并已产生细微裂缝的结果。当ν’ac＞0.5时，核心混凝土的视体积按(1-ε+2νε)增大。这是随着荷载的增大，核心混凝土本身裂缝充分发展、扩大所形成的。根据全曲线的试验研究，无约束的棱柱体混凝土，当ν’c＞0.5时，承载能力明显下降。但是由于钢管环向力场的存在，形成对核心混凝土的弹性约束，限制了核心混凝土承载能力的下降。5.本发明通过对“钢管混凝土基本力学性能的研究”一文的探讨及对文内所载Z-78-119组试件的荷载、应变、横向变形系数曲线的分析，进一步揭示了钢管在双向压一拉应力作用下的应力、应变关系。当ν’ac＝0.5时，钢管在轴向开始进入变形屈服状态，并服从VonMises屈服条件，但并不是应力屈服条件。此后随着荷载的增长，轴向压应力和环向拉应力可分别达到屈服应力fy。在ν’ac＝0.5～1.0这一阶段，应力与应变仍服从虎克定律。6.钢管混凝土轴向受压柱的计算公式①钢管混凝土轴向受压柱各阶段承载能力的分析钢管混凝土轴向受压柱的典型荷载，应变、横向变形系数曲线表明(参见图-2，附表)，当ν’ac＞1.0以后，钢管混凝土轴向受压柱呈塑性工作状态。当ν’ac＝1.0时，ε’ac-1＝2500×10-6;εac-2＝1400×10-6。其轴向压应变值已超出我们在实际工程中采用的钢结构，钢筋混凝土结构以及砖石结构的压应变数值。且ν’ac＝1.0时，σa-1＝f’y，σa-2≈fy，因此钢管混凝土轴向受压柱各阶段承载能力的计算分析，主要是讨论ν’ac≤1.0这一区段的承载能力。钢管混凝土轴向受压柱在承受荷载时，轴向力场及环向力场，始终都存在着相互影响。横向变形系数ν’ac＝0.9～1.0这一区段，钢管混凝土轴向受压柱属于弹塑性工作阶段，因其塑性应变还不太大，为了简化计算，在ν’ac＝0.3～1.0这一区段，均按弹性工作阶段计算分析承载能力。仅在ν’ac＝1.0时，作一些承载能力计算数值的调整。各阶段计算承载能力公式如下N＝Na-1+Na-2+Na-3+Nc-1Na-1＝σa-1AaNa-2＝(σa-2·2t)/(D0)AcNa-3＝(σa-3·2t)/(D0)AcNc-1＝σc-1Ac当ν’ac＝0.5时，σc-1＝0.7RNc-1＝0.7RAc附钢管混凝土轴向受压柱各阶段计算承载能力N组成分析表(附表)通过以上计算分析表明钢管混凝土轴向受压柱承载能力提高的主要因素是由于核心混凝土的钢管中开辟了环向力场，以及荷载效应力场的存在。从而充分发挥和利用了钢管这一匀质高强材料的双向强度而形成的组合承载能力。②钢管混凝土轴向受压柱计算极限承载能力的确定通过对钢管混凝土轴向受压柱承载能力组成的分析，表明钢管混凝土轴向受压柱在承受荷载的过程中，钢管在轴向和环向力场内均可达到屈服应力，在这以后的受荷过程将产生较大的塑性变形。因此应以屈服应力的出现作为计算极限承载能力的特征。承载能力组成分析表也同样进一步证明对于“混凝土应力-应变全曲线的试验研究”一文所提出的两点推论是正确的。因此钢管混凝土轴向受压柱的计算极限承载能力可按下式求算。Nu＝fyAa+(fy·2t)/(D0)Ac+0.7RAc对于Z-78-119组试件fy＝8050kgf/cm2R＝5100.7R＝357Aa＝9.71cm2Ac＝78.54cm2t＝0.3cmDl＝10cmD＝10.6cmDo＝10.3cmD＝10.6cmNu＝3050×9.71+(3050×2×0.3)/10.3×78.54+357×78.54Nu＝71.6091计算值与图示承载能力相符。③关于安全系数取值的分析钢管混凝土轴向受压柱进入塑性工作阶段，是由于钢管在轴向力场及环向力场的应力均达到屈服应力的结果。组成分析表进一步表明钢管的环向力场及荷载效应力场的存在是其承载能力得以提高的主要因素。因此钢管混凝土轴向受压杆件应属于钢结构。其安全系数应按钢结构取值。对于普通钢结构的一般构件K＝1.4。取新结构系数Kl＝1.05总安全系数Kac＝1.4×1.05＝1.47④稳定计算本发明稳定计算的特点在于分别对钢管与核心混凝土的承载能力按其各自不同的长细比λa与λc确定不同的折减系数。ψ、α与β。对于钢管除承受轴向压力的作用，还承受环向拉力的作用。但环向拉力是由于核心混凝土的横向变形所引起的，并构成均匀的径向张力。这一现象在本质上是一组平衡力系，因此对于钢管的稳定计算，可以只考虑轴向力场的作用。核心混凝土的稳定计算则不同于钢管的稳定计算。环向力场所承担的载力Na-2，及荷载效应力场所承担的载力Na-3，首先是作用于核心混凝土，只是由于外部钢管的存在，形成了对核心混凝土的弹性约束，并在一定程度上提高了核心混凝土的计算强度。(σc＝0.7R)对于Na-2及Na-3这两部分外力核心混凝土则以加大横向变形的方式转由钢管承担，因此在核心混凝土的稳定计算中的轴向压力应包含Nc-1，Na-2，Na-3这样三个部分，由于Na-3可以省略不计，所以核心混凝土的计算轴向压力由Nc-1及Na-2这样两部分组成，所以核心混凝土所受到的压应力一般都高于所用材料的比例极限。因此本方案以扩大折减系数的方法进行稳定计算，对于不同的含钢率确定了不同的折减系数。由于采用了本方案所提出的以屈服应力作为极限承载能力的计算特征，所以稳定计算中的承载能力曲线表现为连续的，计算承载能力更接近于实测值。钢管混凝土轴向受压柱承载能力的计算公式为Nu=φa·fyAa+β·α·φc(fy·2tD0·Ac+0.7RAc)Kac]]><tablesid="table1"num="001"><tablealign="center">3号钢16锰α0.820.77</table></tables><tablesid="table2"num="002"><tablealign="center">μ0.16～0.120.12～0.090.09～0.060.06～0.04β3号钢1.001.061.091.1216锰1.001.061.101.13</table></tables>7.关于小偏心受压柱的计算由于本方案提供了截面上各种应力组成的分析方法，所以对小偏心受压柱的计算采用了近似于钢筋混凝土小偏心受压柱的计算公式N(eo+ro)≤m〔0.7R(nAa+Ac)+(0.3fy·2t)/(D0)Ac+2/3(fy-0.7RnAa)〕ro其中计算公式右侧括弧中的第1、2项为钢管与核心混凝土在小偏心受压过程中所承担的内力，第3项是由于偏心压力的作用，在钢管的部分截面上存在的压应力，参见图-3。括弧右侧的m为工作条件系数。小偏心的控制条件eo/D≤0.3当小偏心受压构件考虑纵力弯曲影响时，按下式计算N(eo+ro)≤m〔ψa.0.7RnAa+αβψc(0.7RAc+(0.3fy·2t)/(D0)Ac)+2/3(fy-0.7RnAa)〕ro先对右边括弧〔〕中的第1，2项按稳定计算确定该受压杆件所能承担的荷载，然后再按小偏心受压计算。8.本发明的适用范围、控制条件及轴向受压柱与小偏心受压柱的工作曲线设计区段本方案的适用范围，①3号钢μ＝0.04～0.16②16锰钢μ＝0.04～0.12③eo/D≤0.3④l/D≤20控制条件(Nu)/(Kac)≤0.80×1.12×0.7R((Ea)/(Ec)Aa+Ac)m一般工程的钢管混凝土轴向受压柱及小偏心受压柱实际工作阶段的荷载、应变曲线对应于横向变形系数曲线ν’ac＝0.3～0.7;允许有稍大压缩变形的结构ν’ac＝0.3～1.0;允许有较大压缩变形的特殊结构物或单独式结构νac＝0.3～1.2。这是设计所选定的工作曲线。因钢管混凝土轴向受压柱在这一曲线段的工作其轴向压缩变形相对地比较小，其压缩变形值ε’ac-1接近或等于现在应用的钢结构的压缩变形值ε’a。因此选定钢管混凝土轴向受压柱的工作曲线段是很重要的，这主要由控制条件(Nu)/(Kac)≤0.80×1.12×0.7R((Ea)/(Ec)Aa+Ac)m决定。当计算不满足此条件时则应重新选择截面、含钢率及核心混凝土标号。控制条件0.7R((Ea)/(Ec)Aa+Ac)是钢管混凝土轴向受压柱在ν’ac＝0.5这一特征点时轴向力场所具有的承载能力;根据对图-2、附表的分析环向力场，荷载效应力场所具有的承载能力在ν’ac＝0.3～0.5阶段大约相当于各阶段对应承载能力之和的百分之十一左右即(Na-2+Na-3)/(Na-1+Nc-1)＝0.11;因此在确定了ν’ac＝0.5这一特征点的轴向力场的承载能力之后，再乘以1.12即可认为是这一特征点各力场承载能力之和;系数0.80是将这一特征点的承载能力降低至ν’ac＝0.4时钢管混凝土轴向受压柱所具有的承载能力，目的是减小轴向压缩变形;m是工作条件系数。所以控制条件也可以按下式表达(Nu)/(Kac)≤0.627R((Ea)/(Ec)Aa+Ac)m9.钢管混凝土轴向受压柱压缩变形的计算计算压缩变形首先应验算外力NF≤(Nu)/(Kac)，当满足控制条件时即可进行压缩变形的计算。压缩变形的计算首先要确定轴向力场的压应力。σ’c-1＝(0.89NF)/(nAa+Ac)n＝(Ea)/(Ec)σ’a-1＝nσ’c-1ε’a-1＝(σa-1)/(Ea)Na-2＝(vεa-1·Ea·2t')/(D0)Acσa-2＝(Na-2D0)/(2tAc)εa-2＝(σa-2)/(Ea)εa-1·2＝νεa-2εa-1·2·由环向拉伸变形引起的轴向收缩变形ε’acl＝(ε’a-1+εa-1·2)l10.容许应力设计法的提出①由于钢管混凝土轴向受压柱实际工作阶段的荷载，应变曲线位于横向变形系数曲线ν’ac＝0.3～1.0所对应的区段内，且Na-1+Nc-1＝0.89(Nu)/(Kac);②由于各力场计算承载能力之和的误差一般地可控制在小于或等于2%的范围之内;③由于钢管混凝土结构属于钢结构;④由于ν’ac＝0.5时核心混凝土的轴向压应力σc-1＝0.7R;所以本发明提出了一种容许应力设计法。本方法适用范围①3号钢或2号钢②Ea≮2.0×106控制条件①0.7R(Ea)/(Ec)≥1900kg3号钢②0.7R(Ea)/(Ec)≥1700kg2号钢设计工作状态ν’ac＝0.3～1.0变形计算状态ν’ac＝0.3～1.0计算公式Nu＝0.80×1.12×0.7R(nAa+Ac)m稳定计算与小偏心受压计算各种折减系数同前面特征6;7;所述本发明的积极效果在于1.能够比较准确判定钢管混凝土受压杆件工作曲线所处的区段;2.能够明确分析力场组成、应力状态、及各力场的承载能力;3.能够比较准确地计算压缩变形;4.在特定条件下可以按容许应力法设计受压杆件;5.可以应用于受拉杆件;6.比现有技术精确度提高8%以上。7.可以将钢管混凝土结构广泛推广，代替现在采用的大部分钢结构，因而可以取得节约钢材60%左右的效果。8.可以部分代替钢筋混凝土结构并取得节约全部钢木模板的效果。9.可以加快工程施工进度(与钢筋混凝土结构相比)。权利要求1.钢管混凝土结构的现有技术是在钢管内灌注混凝土；其应用范围仅限于承受荷载较大，对压缩变形不太敏感的部分受压柱，如桥墩、单层工业厂房柱、高炉平台框架柱、三层以下工业厂房框架柱、七层以下公共建筑框架柱、地下铁道车站柱及输电塔一类结构。本发明的特征是在钢管内灌注混凝土、也可以灌注高标号水泥砂浆；其应用范围是可以应用于各种不同结构的受压杆件以及小偏心受压杆件，因而为钢管混凝土结构的扩展提供了技术条件。一种钢管混凝土桁架(屋架)结构有相平行或不相平行的上弦和下弦、其腹杆为斜杆或竖直杆。上弦和全部受压或部分受压腹杆采用钢管并在其中浇注混凝土；下弦可采用钢管也可采用预应力钢管混凝土杆件；也可以在整榀屋架组装完成之后再施加预应力。钢管混凝土杆件也可以预制。2.如权项要求1所述，一种可为复盖大面积空间的结构、侧边敞开或不敞开的钢管混凝土网架结构;特征在于有相平行或不相平行的上弦和下弦，其全部或部分受压杆件为在钢管内灌柱混凝土或高标号水泥砂浆组成，下弦或部分受拉腹杆可采用钢管，并以钢质球节点相连接。3.如权项要求1所述，一种钢管混凝土拱架结构、穹窿状结构以及悬索结构的拱架和用于特殊结构的连拱结构;其特征在于弯曲的钢管内灌注混凝土而制成的无铰拱、三铰拱、和带有拉杆的双铰拱，以及各种环状受压杆件等等。4.如权项要求1所述，一种塔桅结构，其特征在于全部或部分受压杆件均在钢管内灌注混凝土或水泥砂浆构成，可以现制也可以预制然后在现场组装连接，其余杆件可采用角钢、型钢或钢管。5.如权项要求1所述，一种公路及铁路桥梁以及支撑管道的桥、城市行人过街桥。其特征在于有相平行或不相平行的上弦与下弦，或有弯曲的上弦，其上弦及全部或部分受压腹杆采用钢管并在其内灌注混凝土，下弦可采用钢管，也可采用预应力钢管混凝土杆件，其桥墩立柱可以采用钢管混凝土杆件。6.如权项要求1所述，一种钢管混凝土结构应用于地下人防工程、抗震工程及类似结构。其特征在于对承受该种类型荷载的受压杆件采用钢管混凝土杆件。并采用较小的长细比值和较高的含钢率。7.如权项要求1所述，一种20层以上框架结构的民用建筑以及5层以上框架结构的工业厂房，其特征在于框架的各层柱子均采用在钢管内浇灌混凝土的杆件组成，水平向的主梁和次梁可采用钢梁或钢筋混凝土梁。整个框架可以全部为地上结构，也可为部分地下部分地上或全部是地下的框架结构。钢筋混凝土立柱也可以按建筑要求在其外部再浇注一层混凝土，以使其呈设计所要求的断面。8.如权项要求1所述，一种钢筋混凝土柱子的修复加固技术;其特征为在需要加固的柱子(圆形、正方形、长方形、多边形)外围焊接加工成一个钢管，梁下焊加强环及支托，然后在钢管与柱子的空隙处再灌注混凝土或高标号水泥砂浆。9.如权项要求1所述，一种钢管混凝土桩基的应用其特征在于桩的下部有一个呈圆锥状的钢靴，并与其上边的钢管相连接。桩的最顶端有加强环，并以钢盖板封顶焊牢。施工阶段先将该空心钢管桩打入地下至设计标高。然后再按设计要求截桩，放入承台连接钢筋，再灌注混凝土即完成钢管桩的制作。10.如权项要求1所述，一种予应力钢管混凝土杆件;其特征在于钢管的内部中心位置设置一个直径稍大于张拉索直径的细钢管，其两端均长于主钢管若干毫米;中心有一个圆孔的圆形钢盖板密封一端，然后盖板与突出的细钢管之间焊接若干块加劲板，其中间呈下凹状以便安放垫圈和钢索的锚具。另一端先以圆钢做Y形连接，以固定中心钢管位置，待此工序完成之后，就可以向钢管内灌注混凝土，该端也有一个中间有孔带有加劲板、中间呈下凹状的钢盖板。其中间有一束可供张拉的钢索。其特征在于穿过钢索的细钢管设置在钢管的内壁上，它们位于两条(或若干条)相交直径的两端。细钢管长于主钢管两端若干毫米，钢索出孔设于钢盖板上相邻两块加劲板之间，钢管中灌混凝土，另一端也有相同的钢盖板一块，张拉钢索设于钢管壁内侧的细钢管中，张拉索锚具设于相邻两块加劲板之间。11.如权项要求1所述，一种采用钢管内填入混凝土的非伸缩式的支撑或支柱。12.一种本质上采用了如权项要求1所述方案而组合成的构筑物，如水下支撑、容器、水工构筑物等。13.一种本质上采用了如权项要求1所述方案而构成的结构物，例如螺栓球节点网架以及各种可拆装、运输的由预制杆件拼装的结构。专利摘要现有技术为在钢管内灌浇混凝土其应用范围仅限于承受荷载较大，对压缩变形不太敏感的受压柱。现在技术认为钢管服从VonMises屈服条件；钢管混凝土轴向受压柱工作机理的现有分析理论与计算方法均是以核心混凝土的承载能力被钢管中存在的紧箍力所强化，作为钢管混凝土轴向受压柱承载能力提高的主要因素来考虑的。文档编号E04B1/00GK85104444SQ85104444公开日1985年11月10日申请日期1985年6月13日发明者王维奇申请人:王维奇导出引文BiBTeX,EndNote,RefMan