專利名稱：鋼骨－鋼管混凝土柱及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建筑構(gòu)件及其設(shè)計(jì)方法，特別是涉及一種用于土木工程中的鋼骨-鋼管混凝土柱及其軸壓比限值的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
由于高強(qiáng)混凝土具有強(qiáng)度高、變形小、抗?jié)B抗腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)，可以大幅度地提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的承載能力、降低混凝土結(jié)構(gòu)自重、減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，因此在高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)中，為了減少柱截面尺寸，而廣泛地應(yīng)用高強(qiáng)混凝土。但是高強(qiáng)混凝土的延性較差，影響結(jié)構(gòu)的抗震性能。為了解決這一問(wèn)題，先后出現(xiàn)了能夠改善延性的“鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)”、“鋼管混凝土結(jié)構(gòu)”和“鋼骨-鋼管混凝土組合柱”這三種形式1.“鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)”是在混凝土內(nèi)部設(shè)置型鋼的一種結(jié)構(gòu)，鋼骨的形式有很多種，空腹式鋼骨混凝土柱即是其中的一種形式，鋼骨由角鋼經(jīng)過(guò)水平和斜向綴板焊接而成整體，可以不配置鋼筋。由于鋼骨對(duì)混凝土的約束作用，其承載力比相同含鋼率的鋼筋混凝土柱的承載力提高超過(guò)了10％，延性得到了明顯改善。但是這種結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土的約束有限，因此其承載能力和延性的改善是有限的。
2.在“鋼管混凝土結(jié)構(gòu)”中，鋼管混凝土柱可以分為鋼管在柱外側(cè)的鋼管混凝土柱和鋼管在柱內(nèi)側(cè)的鋼管混凝土柱，前者通常稱為鋼管混凝土柱，后者通常稱為鋼管混凝土組合柱。鋼管混凝土組合柱內(nèi)設(shè)有多條鋼筋，鋼管置于柱中心部位，其直徑小于柱截面邊長(zhǎng)。由于鋼管混凝土柱施工復(fù)雜、鋼管需要防火、防銹處理等問(wèn)題，所以在建造高層建筑及橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，目前大多采用鋼管混凝土組合柱的形式。在鋼管混凝土組合柱中，鋼管內(nèi)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)通常等于或高于鋼管外的混凝土強(qiáng)度等級(jí)。由于鋼管對(duì)核心區(qū)的混凝土提供了約束作用，產(chǎn)生了套筒效應(yīng)，所以鋼管混凝土組合柱可減少結(jié)構(gòu)的塑性位移、增加結(jié)構(gòu)的耗能能力、提高建筑物的整體抗震性能，其耗能能力明顯高于普通鋼筋混凝土柱，耗能指標(biāo)約為后者的兩倍左右。但是鋼管混凝土組合柱也存在許多不足之處，如當(dāng)建造房屋層數(shù)越多時(shí)，柱承擔(dān)的載荷將加大，需要的柱的截面尺寸就越大，為了減小柱的截面尺寸，就需要壁厚較厚的鋼管以提供給混凝土足夠的“套筒”效應(yīng)，所以需要工廠特殊加工，必然提高工程造價(jià)，同時(shí)在工程中實(shí)現(xiàn)比較困難；對(duì)于截面尺寸比較大的柱，選用大直徑的鋼管，固然能夠提高鋼管含率，但是這樣可能造成鋼管用量的增加，提高工程造價(jià)，增加施工，尤其是節(jié)點(diǎn)的施工難度；由于鋼管混凝土組合柱主要是通過(guò)縱向鋼筋來(lái)提供延性的，所以往往需要較多的縱向鋼筋，造成施工的困難。
3.在“鋼骨-鋼管混凝土組合柱”中，鋼管內(nèi)設(shè)有鋼骨，鋼管內(nèi)澆筑混凝土。在現(xiàn)有的這種“鋼骨-鋼管混凝土組合柱”中，雖然鋼管和鋼骨對(duì)混凝土都起到約束的作用，提高其承載能力和抗震性能，但是由于鋼骨位于鋼管內(nèi)，不但增大了鋼管的直徑，同時(shí)不方便施工時(shí)操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鋼管和鋼骨分別對(duì)混凝土起約束作用、提高承載能力和抗震性能，鋼管直徑小的鋼骨-鋼管混凝土柱及其軸壓比限值的計(jì)算方法，該方法確定了軸心受壓和小偏心受壓承載力計(jì)算公式及軸壓比限值系數(shù)。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的鋼骨-鋼管混凝土柱由鋼骨及鋼管并混凝土組合而成，鋼管設(shè)在混凝土柱的中心部位，鋼骨位于鋼管外側(cè)混凝土柱內(nèi)的四個(gè)角上，鋼管和鋼骨均被澆筑于混凝土內(nèi)。
鋼骨-鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)方法鋼骨-鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)用的軸壓比限值的計(jì)算公式為1)按鋼筋混凝土柱軸壓比限值的概念進(jìn)行分析軸壓比限值的試驗(yàn)值[nao]=Nuofcobh]]>軸壓比限值的實(shí)用計(jì)算公式[na]=α(1.62ξbo+1.27ξbo·twb·fyfc+0.34fafc·ρa)]]>2)按型鋼混凝土柱軸壓比限值的方法進(jìn)行分析軸壓力限值的試驗(yàn)值[mao]=NuofcoAc+faoAa=Nuo(1+faoAafcoAc)fcoAc=η·NuofcoAc]]>軸壓力限值的實(shí)用計(jì)算公式[ma]=α·η[1.62ξbo+1.42ξbo·twb·fyfc+0.34fafc·ρa]]]>
所述的鋼骨-鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)方法偏心荷載作用下鋼骨-鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)方法為1)當(dāng)忽略外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)時(shí)，鋼筋混凝土柱的計(jì)算方法為Nu＝α1fcbx+∑fy′As′+fa′Aa′-∑σsAs-∑σaAa+(fc，c-fc)Acor′Mu=Nue=α1fcbx(h2-x2)+Σfy′As′ys′+fa′Aa′ya′+ΣσsAsys+ΣσaAaya]]>+(fc,c-fc)Acor′ycor′]]>2)當(dāng)考慮外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)時(shí)，在混凝土項(xiàng)乘以一承載力提高系數(shù)；3)鋼骨混凝土構(gòu)件疊加的計(jì)算方法為當(dāng)忽略外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)時(shí)，承載力公式為Nu＝fcbf′x+∑σs′As′-∑σsAs+NaMu=Nue=fcbf′x(h2-x2)+Σσs′As′ys′+ΣσsAsys+Ma]]>本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果是1.本發(fā)明的鋼管設(shè)在混凝土柱內(nèi)，鋼管外側(cè)設(shè)有鋼骨，鋼管和鋼骨分別對(duì)混凝土提供約束作用，提高了混凝土柱的承載力、抗震性能及延性，從而減小柱的截面尺寸，增加使用面積，利于地震區(qū)抗震設(shè)計(jì)。
2.本發(fā)明在合理地選擇鋼骨后可以減少鋼管的直徑，在施工時(shí)方便操作。
3.確定了軸心受壓和小偏心受壓承載力計(jì)算公式，其承載力比(將角鋼的面積等換為鋼筋的面積后的)鋼管混凝土組合柱提高15％～20％左右。
4.確定了軸壓比限值系數(shù)，其軸壓比限值較(將角鋼的面積等換為鋼筋的面積后的)鋼管混凝土組合柱提高12％左右。


圖1是本發(fā)明的截面示意圖；圖2是本發(fā)明鋼筋混凝土柱軸壓比限值的計(jì)算簡(jiǎn)；圖3是本發(fā)明的型鋼混凝土柱軸壓比限值的計(jì)算簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明包括鋼骨2及鋼管1，在混凝土柱的中心部位設(shè)置鋼管1，在鋼管1的外側(cè)設(shè)置鋼骨2，鋼骨2位于混凝土柱內(nèi)的四個(gè)角上，最后澆筑混凝土，使鋼管1和鋼骨2置于混凝土中。
如圖2、3所示1.鋼骨-鋼管混凝土軸壓比限值的計(jì)算方法從界限破壞時(shí)的平衡條件出發(fā)，根據(jù)平截面假定，推導(dǎo)出鋼骨-鋼管混凝土組合柱軸壓比限值的理論計(jì)算公式和供設(shè)計(jì)用的軸壓比限值的計(jì)算公式，結(jié)合本試驗(yàn)分別給出了鋼骨-鋼管混凝土組合柱在不同鋼骨下的軸壓比限值和軸力比限值系數(shù)。其軸壓比限值較鋼管混凝土組合柱(將角鋼的面積等換為鋼筋的面積后的)提高12％左右。
1)按鋼筋混凝土柱軸壓比限值的概念進(jìn)行分析1.1軸壓比限值的試驗(yàn)值[nao]=Nuofcobh]]>1.2軸壓比限值的實(shí)用計(jì)算公式 =α(1.62ξbo+1.27ξbo·twb·fyfc+0.34fafc·ρa)]]>2)按型鋼混凝土柱軸壓比限值的方法進(jìn)行分析2.1軸壓力限值的試驗(yàn)值[mao]=NuofcoAc+faoAa=Nuo(1+faoAafcoAc)fcoAc=η·NuofcoAc]]>2.2軸壓力限值的實(shí)用計(jì)算公式[ma]=α·η[1.62ξbo+1.42ξbo·twb·fyfc+0.34fafc·ρa]]]>表1鋼骨-鋼管混凝土組合柱設(shè)計(jì)軸壓比與軸力比限值

2.偏心荷載作用下鋼骨-鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)方法鋼骨-鋼管混凝土組合柱正截面承載力的鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算方法，基于平截面假定的計(jì)算理論，需要進(jìn)行迭代計(jì)算，與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；鋼骨-鋼管混凝土組合柱正截面承載力的鋼骨混凝土構(gòu)件疊加計(jì)算方法，可以較準(zhǔn)確地對(duì)鋼骨-鋼管混凝土組合柱進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。每種方法分別按忽略外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)、考慮外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)和按鋼管混凝土核心柱三種情況，計(jì)算其極限承載力，經(jīng)比較其承載力比(將角鋼的面積等換為鋼筋的面積后的)鋼管混凝土組合柱提高15％～20％左右。
1)鋼筋混凝土柱的計(jì)算方法當(dāng)忽略外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)時(shí)Nu＝α1fcbx+∑fy′As′+fa′Aa′-∑σsAs-∑σaAa+(fc，c-fc)Acor′Mu=Nue=α1fcbx(h2-x2)+Σfy′As′ys′+fa′Aa′ya′+ΣσsAsys+ΣσaAaya]]>+(fc,c-fc)Acor′ycor′]]>當(dāng)考慮外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)時(shí)，在混凝土項(xiàng)乘以一承載力提高系數(shù)。
2)鋼骨混凝土構(gòu)件疊加的計(jì)算方法當(dāng)忽略外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)時(shí)，承載力公式為Nu＝fcbf′x+∑σs′As′-∑σsAs+NaMu=Nue=fcbf′x(h2-x2)+Σσs′As′ys′+ΣσsAsys+Ma]]>式中Na，Ma——鋼管混凝土部分承受的軸力和彎距。
當(dāng)考慮外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)時(shí)，在混凝土項(xiàng)上乘以一承載力提高系數(shù)。
本發(fā)明的鋼管和鋼骨分別對(duì)混凝土提供約束作用，因此能提高其承載力和抗震性能，同時(shí)還可提高延性，從而減小柱的截面尺寸，增加使用面積，利于地震區(qū)抗震設(shè)計(jì)。此外，在合理的選擇鋼骨后可以減小鋼管的直徑，便于施工。
權(quán)利要求
1.鋼骨—鋼管混凝土柱，由鋼骨及鋼管并混凝土組合而成，其特征在于，鋼管設(shè)在混凝土柱的中心部位，鋼骨位于鋼管外側(cè)混凝土柱內(nèi)的四個(gè)角上，鋼管和鋼骨均被澆筑于混凝土內(nèi)。
2.鋼骨—鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，鋼骨—鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)用的軸壓比限值的計(jì)算公式為1)按鋼筋混凝土柱軸壓比限值的概念進(jìn)行分析軸壓比限值的試驗(yàn)值[nao]=Nuofcobh]]>軸壓比限值的實(shí)用計(jì)算公式[na]=α(1.62ξbo+1.27ξbo·twb·fyfc+0.34fafc·ρa)]]>2)按型鋼混凝土柱軸壓比限值的方法進(jìn)行分析軸壓力限值的試驗(yàn)值[mao]=NuofcoAc+faoAa=Nuo1+(faoAafcoAc)fcoAc=η·NuofcoAc]]>軸壓力限值的實(shí)用計(jì)算公式[ma]=α·η[1.62ξbo+1.42ξbo·twb·fyfc+0.34fafc·ρa].]]>
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼骨—鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)方法，其特征在于偏心荷載作用下鋼骨—鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)方法為1)當(dāng)忽略外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)時(shí)，鋼筋混凝土柱的計(jì)算方法為Nu=α1fcbx+Σfy′As′+fa′Aa′-ΣσsAs-ΣσaAa+(fc,c-fc)Acor′]]>Mu=Nue=α1fcbx(h2-x2)+Σfy′As′ys′+fa′Aa′ya′+ΣσsAsys+ΣσaAaya]]>+(fc,c-fc)Acor′ycor′]]>2)當(dāng)考慮外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)時(shí)，在混凝土項(xiàng)乘以一承載力提高系數(shù)；3)鋼骨混凝土構(gòu)件疊加的計(jì)算方法為當(dāng)忽略外包鋼的環(huán)箍效應(yīng)時(shí)，承載力公式為Nu=fcbf′x+Σσs′As′-ΣσsAs+Na]]>Mu=Nue=fcbf′x(h2-x2)+Σσs′As′ys′+ΣσsAsys+Ma.]]>
全文摘要
鋼骨－鋼管混凝土柱及其設(shè)計(jì)方法，涉及一種建筑構(gòu)件及其設(shè)計(jì)方法，鋼管設(shè)在混凝土柱的中心部位，鋼骨位于鋼管外側(cè)混凝土柱內(nèi)的四個(gè)角上，鋼管和鋼骨均被澆筑于混凝土內(nèi)。鋼骨—鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)用的軸壓比限值的計(jì)算公式為按鋼筋混凝土柱軸壓比限值的概念進(jìn)行分析軸壓比限值的試驗(yàn)值，軸壓比限值的實(shí)用計(jì)算公式；本發(fā)明的鋼管和鋼骨分別對(duì)混凝土提供約束作用，提高了混凝土柱的承載力、抗震性能及延性，從而減小柱的截面尺寸，增加使用面積，利于地震區(qū)抗震設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)E04B1/30GK1837537SQ200610046379
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者徐亞豐, 赫芳, 向常艷 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)建筑大學(xué)