内配加劲件钢管混凝土构件承载力计算和设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属工业与民用建筑结构工程钢管混凝土技术领域，特别涉及内配加劲件钢 管混凝土构件（钢管内填非素混凝土构件）承载力计算和设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着钢管混凝土柱在工业与民用建筑、桥梁与塔架等结构工程中越来越广泛的应 用，工程实践及研宄成果表明，钢管混凝土既是一种高强、高性能结构材料，也是一种高效 施工技术。由于先进的泵灌混凝土工艺的发展，解决了现场管内混凝土浇灌工艺问题，加之 现代高强/高性能混凝土技术的发展，已给有百年历史的钢管混凝土结构技术注入了新的 活力，也使其得到了更广泛的发展。
[0003] 然而，随着普通钢管混凝土构件在工业厂房、高层建筑、大跨桥梁等结构工程中越 来越广泛的应用，工程结构对大跨、高耸、重载的要求也逐渐提高，这就要求构件既要有很 高的承载力，又要有较好的延性。若采用高强混凝土，尽管一定程度上减小了柱子的截面面 积，但是在高轴压比作用下高强混凝土显示出它的脆性高、延性差等缺点。
[0004] 并且，在强震区，有必要提高构件的抗弯剪能力，增强其抗震能力，减小因构件局 部抗剪不足造成的剪切破坏和抗压弯承载力不足造成的建筑物整体倒塌，提高节点延性和 耗能能力，避免节点板件的脆性断裂。
[0005] 在火宅情况下，传统形式的普通钢管混凝土构件优势逐渐消弱，尽管采取了防火 措施，当火灾剧烈时，仍存在安全隐患。一旦外钢管失效后，管内的混凝土提供的残余承载 力很难满足大跨、高耸、重载等工程结构的要求。而且，火灾一般是一种突发事故，在钢管外 部采用适当厚度的防火涂料或水泥砂浆等防火措施已不再实用。
[0006] 综上现有钢管混凝土构件主要存在以下问题和缺陷：
[0007] (1)、在大量的大跨、高耸、重载的工程结构中，承载力、延性和抗弯剪能力得不到 满足。
[0008] (2)、随着对耐火极限的提高，传统的构件也无法保证抗火的要求。
【发明内容】
[0009] 本发明针对现有普通钢管混凝土构件中存在的不足，为了保证工程结构的安全 性、方便性，同时提升施工速度，特提出内配加劲件钢管混凝土构件形式，以适应现代工程 结构向大跨、高耸、重载发展的需要，符合现代施工技术的工业化要求，具有很好的发展前 景，其中有些构件形式工程上已经出现。随着研宄工作的深入和完善，其应用范围将不断扩 大。
[0010] 本发明目的之一在于提供一种优选的内配加劲件钢管混凝土构件。
[0011] 具体地所述内配加劲件钢管混凝土构件包括两种形式：约束型和非约束型，其中， 约束型又包括单层或多重同心式和异心式。
[0012] 约束型同心式构件包括圆形内配单层或多重螺旋箍筋钢管混凝土构件（图Ia和 图lb)、圆形内配单层或多重钢管实心钢管混凝土构件（图Ic和图Id)、方形内配单层或多 重螺旋箍筋钢管混凝土构件（图Ie和图If)、方形内配单层或多重钢管实心钢管混凝土构 件（图Ig和图Ih)、圆形内配单层或多重钢管空心钢管混凝土构件（图Ii和图Ij)、方形 内配单层或多重钢管空心钢管混凝土构件（图Ik和图11)、圆形内配方形钢管实心钢管混 凝土构件（图Im)、方形内配方形钢管实心钢管混凝土构件（图In)。
[0013] 约束型异心式构件包括圆形内配多肢钢管实心或空心钢管混凝土构件（图2a和 图2b)、方形内配多肢钢管实心或空心钢管混凝土构件（图2c和图2d)、圆形内配多肢方形 钢管实心或空心钢管混凝土构件（图2e和图2f)、方形内配多肢方形钢管实心或空心钢管 混凝土构件（图2g和图2h)。
[0014] 非约束型构件包括圆形内配方形箍筋钢管混凝土构件（图3a)、方形内配方形箍 筋钢管混凝土构件（图3b)、圆形内配工字型钢钢管混凝土构件（图3c)、圆形内配十字型 钢钢管混凝土构件（图3d)、方形内配工字型钢钢管混凝土构件（图3e)和方形内配十字型 钢钢管混凝土构件（图3f)。
[0015] 此类构件截面形式多样性，可以满足不同实际工程选择需要，可以减小构件截面 大小，减少混凝土用量或者钢管厚度，减轻自重，可以对受损的受压柱进行修复加固等其它 好处。
[0016] 建筑材料包括：1)钢材：普通钢材、高强钢材、不锈钢材和特种钢材；2)混凝土 ： 普通素混凝土、高强混凝土、轻质混凝土、再生混凝土和特种混凝土。
[0017] 所述建筑材料均可通过市售及现有技术公开的手段获得。
[0018] 建筑材料的选用和设计参数的选取应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017、国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010和《钢管混凝土结构技术规范》GB50936 的有关规定。
[0019] 由于这种截面形式的钢管混凝土组合柱良好的工作效益，为了能在工程应用中得 到很好的推广，本发明对此类构件形式提出了轴心受压承载力统一计算公式，此公式形式 简单，依据合理，包含了多种截面形式，方便工程设计人员对此类构件的多种选择并进行理 论设计。
[0020] 内配约束型加劲件钢管混凝土轴压承载力计算与设计公式来源依据：
[0021] 参照极限平衡理论推导的普通钢管混凝土轴心受压短柱的极限承载力公式（蔡 绍怀，现代钢管混凝土结构（修订版），人民交通出版社，2007)，如下式（1)和（2)所示：
[0022] N=Acfc(l+i0 ),i>l (I)
【主权项】
1. 内配加劲件钢管混凝土构件，其特征在于，包括两种形式：约束型和非约束型，其 中，约束型又包括单层或多重同心式和异心式。
2. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述约束型同心式构件包括圆形内配单 层或多重螺旋箍筋钢管混凝土构件、圆形内配单层或多重钢管实心钢管混凝土构件、方形 内配单层或多重螺旋箍筋钢管混凝土构件、方形内配单层或多重钢管实心钢管混凝土构 件、圆形内配单层或多重钢管空心钢管混凝土构件、方形内配单层或多重钢管空心钢管混 凝土构件、圆形内配方形钢管实心钢管混凝土构件和方形内配方形钢管实心钢管混凝土构 件。
3. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述约束型异心式构件包括圆形内配多 肢钢管实心或空心钢管混凝土构件、方形内配多肢钢管实心或空心钢管混凝土构件、圆形 内配多肢方形钢管实心或空心钢管混凝土构件、方形内配多肢方形钢管实心或空心钢管混 凝土构件。
4. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述非约束型构件包括圆形内配方形箍 筋钢管混凝土构件、方形内配方形箍筋钢管混凝土构件、圆形内配工字型钢钢管混凝土构 件、圆形内配十字型钢钢管混凝土构件、方形内配工字型钢钢管混凝土构件和方形内配十 字型钢钢管混凝土构件。
5. 根据权利要求1所述的构件，其特征在于，所述钢材包括：优选为普通钢材、高强钢 材、不锈钢材和特种钢材；所述混凝土包括：优选为普通素混凝土、高强混凝土、轻质混凝 土、再生混凝土和特种混凝土。
6. 工业厂房、高层建筑或大跨桥梁等，其特征在于，包含有权利要求1一5任一权利要 求所述的内配加劲件钢管混凝土构件。
7. 根据权利要求2和3任一权利要求所述的构件，内配约束型加劲件钢管混凝土构件 承载力计算与设计方法，其特征在于，采用以下计算公式：
式中：Nb-一内配纵向钢筋的强度承载力设计值； Asc一一内配约束型加劲件的钢管混凝土构件的截面面积，当采用内配螺旋箍筋钢管混 凝土构件时，不包括内配纵向钢筋的面积（mm2); fsc一一多重多肢钢管和螺旋箍筋约束素混凝土截面的抗压强度设计值（MPa); fb-一内配纵向钢筋的轴向抗压强度设计值（MPa); Ab--内配纵向钢筋的截面面积（mm2); B、C 钢材和混凝土等级对套箍效应的影响系数； f一一外钢管的抗压强度设计值（MPa); fc一一混凝土的抗压强度设计值（MPa); As,Ac一一外钢管、管内混凝土的面积（mm2); Θ y-一内配约束型加劲件钢管混凝土构件的套箍系数； Ic1一一截面形状对套箍效应的影响系数；对于圆形钢管和螺旋箍筋产生的套箍效应， 取h= 1 ;对于方形钢管产生的套箍效应，取k 0. 742 ;对于圆形空心截面，取k 0. 6 ; 对于方形空心截面，取Ic1= 0. 3 ; fyv--螺旋箍筋抗拉强度（MPa); η一一内配螺旋箍筋或钢管总层数； Assoi一一第i层螺旋箍筋等效配筋面积（mm2); Assi 第i层螺旋箍筋截面面积（_2); ds 螺旋雜筋包围混凝土柱的直径（mm); s 螺旋箍筋间距（mm); fs,i一一第i层内钢管的抗压强度设计值（MPa); As i--第i层内钢管的面积（mm2)。
8.根据权利要求4所述的构件，内配非约束型加劲件钢管混凝土构件承载力计算与设 计方法，其特征在于，采用以下计算公式：
式中：Nb-一内配非约束型加劲件轴压强度承载力设计值，包括内配纵向钢筋和开口 型钢的强度承载力设计值； Asc一一内配非约束型加劲件的钢管混凝土构件的截面面积，不包括内配非约束型纵向 钢筋和开口型钢的面积（mm2); fsc一一钢管约束素混凝土截面的抗压强度设计值（MPa); fb--内配非约束型加劲件的轴向抗压强度设计值（MPa); Ab-一内配非约束型加劲件的截面面积（mm2); B、C 钢材和混凝土等级对套箍效应的影响系数； f一一外钢管的抗压强度设计值（MPa); fc一一混凝土的抗压强度设计值（MPa); a sc--含钢率； As,Ac一一外钢管、管内混凝土的面积（mm2); Θ -一内配非约束型加劲件钢管混凝土构件的套箍系数； Ic1一一截面形状对套箍效应的影响系数；对于圆形钢管产生的套箍效应，取Ic1= 1 ;对 于方形钢管产生的套箍效应，取Ic1= 0. 742。
9. 根据权利要求7和8任一权利要求所述的计算方法，其特征在于，所述内配加劲件钢 管混凝土构件为权利要求1一5任一权利要求所述的内配加劲件钢管混凝土构件。
10. 根据权利要求7和8任一权利要求所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法用 于工业厂房、高层建筑或大跨桥梁等的内配加劲件钢管混凝土构件承载力计算。
【专利摘要】本发明提供了内配加劲件钢管混凝土构件，其特征在于，包括两种形式：约束型和非约束型。约束型分为同心式和异心式两种，其中，同心式包括圆形、方形内配单层或多重螺旋箍筋、钢管的实心或空心钢管混凝土构件；异心式包括圆形、方形内配多肢钢管的实心或空心钢管混凝土构件。非约束型包括圆形、方形内配箍筋或开口型钢的钢管混凝土构件。以及提供一种内配加劲件钢管混凝土构件承载力计算和设计方法，公式形式简单，实用性强，形式统一，采用此类的构件形式，可以满足不同实际工程需要，可以减小构件截面面积，减少混凝土用量或者钢管厚度，减轻自重，还可以对受损的受压柱进行修复加固等。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104679950
【申请号】CN201510068320
【发明人】查晓雄, 万城勇
【申请人】查晓雄
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月9日