钢管混凝土

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钢管混凝土柱受力性能分析

李海锋

河海大学土木工程学院，南京（210098）

E-mail：lihai_feng@

摘要：本文分析了钢管混凝土结构的基本力学性能找出了此结构形式承载力高的原因，并

用算例比较了钢管混凝土结构与普通混凝土结构的差异，得出了一些结论并对工程建设提出

了几点建议。

关键词：钢管混凝土结构；承载力；受压

中图分类号：TU17

1.前言

近年来由于钢管混凝土结构承载力高，塑性和韧性好，经济效果显著和施工快速方便等

优点而越来越受到工程界的重视[1]。在我国钢管混凝土结构主要应用于单层和多层工业厂房

柱，高炉和锅炉构造柱，各种设备支架柱以及送变电杆塔结构等，近年来随着工程技术水平

提高已被广泛应用于桥梁和多，高层建筑中，取得了很好的经济效益。钢管混凝土结构与钢

结构相比在不增加或少许增加结构自重条件下，可大幅节省钢材；与混凝土结构相比，可大

幅减轻结构自重，空钢管骨架的吊装重量大为减轻，不需模板和钢筋，施工大为简化。在高

层建筑中采用钢管混凝土结构可发挥它的抗压和抗剪性能好，承载力高，抗震性能优越，延

性好，控制构件长细比后可以不限制轴压比，并能充分发挥高强混凝土的承载力防止其脆性

破坏等一系列优点[2]。多年来的研究表明，钢管混凝土结构中的钢管具有套箍，支架，模板

三打作用，使钢管混凝土结构表现出用钢量小，刚度大，安装重量轻，承载力高，施工快速

方便，经济效益明显等一系列突出优点。由于以上钢管混凝土结构各种优点，应该大力推广

这种结构形式，使其为我国社会主义现代化工程建设做出更突出的贡献。

2.钢管混凝土柱力学性能

钢管混凝土柱为钢管混凝土结构中主要结构形式，在这种结构中可以充分发挥钢材和混

凝土这两种材料的性能。下面主要分析钢管混凝土柱力学性能，找出其力学上受力合理的原

因。

2.1组成材料的力学性能

[3]

钢管混凝土柱是有钢管和混凝土两种材料组成，而钢管混凝土柱的承载力并不是钢

管和混凝土两种构件承载力简单的加和，从后面的算例可以看出钢管混凝土柱的承载力是钢

管和混凝土两种构件承载力加和的1.61倍左右。

①混凝土材料的基本力学性能为抗压不抗拉。三向受压强度远大于单向受压强度也是

混凝土材料受力性能的另一特点。具体原因为：在混凝土形成过程中不可避免的在内部会留

下大小不等的空隙和在水泥石和骨料结合界面形成微细裂缝。当混凝土单向受压时在这些空

隙处会产生应力集中并会产生新的微细裂缝。当荷载增加时，微细裂缝显著增加并相连通，

将混凝土分割成若干与轴向压力方向大致平行的微柱，混凝土会因微柱失稳或折断而完全破

坏。破坏后粗骨料基本完好，破坏面大都沿粗骨料的表面发展。而当混凝土三向受压时，由

于侧压力影响顺纵微裂缝有闭合的趋势。若侧压力足够大，则沿骨料与水泥砂浆结合面形成

的微柱始终不会失稳，混凝土的破坏将进入第二层次的破坏，即粗骨料的破坏。混凝土的粗

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骨料将如同处于三轴压力下的岩石一样，在更高的轴压力下，在平行于最大主应力的平面形

成第二层次的微柱，最后第二层次的微柱失稳导致混凝土破坏。混凝土的构造及破坏体过程

见图1。

孔隙

微裂缝

微柱

裂缝

图1混凝土的构造及破坏示意图

②钢材的抗拉强度和抗压强度相等，但由于钢结构受压时有稳定性问题并且其稳定承载

力比强度承载力低的多，所以在结构设计时应尽量使钢材料受拉，这样才能充分发挥钢材的

力学性能。对于薄壁钢管来说，在轴心压力作用下，其承载力是极不稳定的，远比理论计算

值低，因为它对局部缺陷很敏感。实验证明：实际承载力往往只是理论计算值的1/3～1/5，

当有残余应力存在时，影响则更大。在管中灌混凝土形成轴心受压钢管混凝土柱后，钢管保

护了混凝土，使它三向受压，延缓了受压时的纵向开裂。而混凝土却保护了薄壁钢管的局部

稳定，相互弥补了彼此的弱点，也充分发挥了彼此的长处。

2.2钢管混凝土柱的基本工作性能

上面从钢管混凝土柱组成材料角度分析了钢管混凝土柱承载力提高的原因。下面分析二

者组合起来后形成钢管混凝土短柱的力学性能。

一般情况下钢管混凝土柱轴心受压可分为三个阶段[4][5]，即如下图所示，弹性阶段oa

段，弹塑性阶段ab段，强化阶段bc段。钢管混凝土柱轴心受压过程图见图2。

o

a

b

c

图2钢管混凝土柱轴心受压过程图

①弹性阶段

在钢管混凝土柱受荷初期，钢管的横向变形率小于核心混凝土，钢管壁荷混凝土之间产

生拉应力。随着荷载的增大混凝土的横向变形率超过钢管，此时钢管和混凝土之间的作用力

由拉应力转为挤压应力钢管中产生环向拉应力，而核心混凝土受到环向和径向压力的作用，

加上纵向压力，处于三向应力状态。但此时横向压力较小，钢管和混凝土均可以认为在单向

应力作用下工作。

②弹塑性阶段

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进入弹塑性工作阶段的钢管承受的纵向压应力和环向拉应力都随外荷载增大而增大。核

心混凝土由于泊松比不断增大，其受到的侧压力也不断增大，处于三向受压状态。这时，由

于钢管的弹性模量逐渐变小而核心混凝土的模量并没有减少或减少不多，所以钢管和混凝土

之间的轴力分配比例不断变化，混凝土承受的荷载比例越来越大。这样，荷载与变形的关系

逐渐偏离直线而形成过渡曲线。

③强化阶段

由于钢管已进入塑流状态，并且随着外荷载增加环向应力不断增加的同时其纵向应力也

不断减小，所以紧箍力较前面阶段有所增强，使核心混凝土的承载力大大提高，不仅承担了

外荷载增量产生的压力而且承担了钢管卸载产生的压应力。此时横向变形急剧增大，核心混

凝土由于套箍作用提高的强度基本上与钢管的纵向承载力的减小相抵，所以这时的荷载－应

变曲线成水平段斜率很小的下降。

2.3影响承载力得因素

①长细比对承载力的影响

对于长细比较大的长柱，它的破坏形式不像短柱那样是由于钢管在双向压力下屈服和核

心混凝土在三向受压下压溃，而是由于弹性失稳，亦即由于发生侧向挠度和弯曲而破坏。破

坏时的纵向应变尚处于弹性范围。介于长柱和短柱之间还有一个相当范围的具有中等长细比

的中柱，其破坏既不是由于弹性失稳，又不是由于材料强度达到极限，而是由于非弹性失稳。

此外，柱的初始缺陷，荷载作用点的偶然偏心，柱端支撑的实际条件与理想条件的差异，材

料的不均匀性等随机因素，对细长柱的力学行为都有显著的影响。《规程》CECS28：90中

引用长细比影响系数

l

ϕ对短柱承载力修正的方法来体现长细比对承载力的影响。

②偏心率对承载力的影响

钢管混凝土偏心受压构件，即在长细比很大的情况下，在最大荷载时，钢管受压区的边

缘纤维均达到屈服，而另一侧的边缘纤维，则视偏心率和长细比的不同，或处于弹性阶段受

压，或处于弹性阶段受拉，或处于塑性阶段受拉，极限承载力（最大荷载）随偏心率和长细

比增大而迅速下降。同样《规程》CECS28：90中引用偏心率影响系数

e

ϕ对短柱承载力修正

的方法来体现偏心率对承载力的影响。

3算例

3.1例1

某钢管混凝土结构中，有一钢管混凝土轴心受压短柱，柱长L=1100mm，钢管

235,8300Q×φ钢，2/215mmNf

s

=。混凝土强度等级为

40

C，2/1.19mmNf

c

=，计算该短柱

的极限承载力，并设计一截面面积相等且用钢量相等的普通钢筋混凝土柱，比较二者的承载

力。

解：<1>

图3钢管混凝土柱的截面尺寸图

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300

2

5

0

钢管面积2228.7338)142150(mmA

s

=−=π

混凝土面积2263347142mmA

c

=×=π

套箍指标3041.1)1.1963347/(2158.7338)/(=××==

ccss

fAfAθ

则该短柱的极限承载力)1(

0

θθ++=

cc

fANKN5.4169304.1304.11(1.1963347=++×=

<2>设计的普通混凝土短柱尺寸如图4所示。

图4普通混凝土柱的截面尺寸图

则：4.4250/1100/

0

==bl，查表得稳定系数0.1=ϕ

2

'739023695mmA

s

=×=

26761mmA

c

=−×=

则混凝土柱极限承载力

)(9.0''

sycu

AfAfN+=ϕKN2.2592)739.19(19.0=×+×××=

分析：①钢管混凝土柱承载力为普通混凝土柱的1.61倍，即钢管混凝土柱承载力提高

61％。

②钢管混凝土柱混凝土用量节省了6.73％。

③钢管混凝土柱钢用量节省了0.7％。

本算例中钢管混凝土柱在混凝土用量节省6.73％，钢用量节省0.7％的情况下，其承载

力仍能提高61％，可见钢管混凝土柱是一种受力性能十分优良的结构形式。

3.2例2

基本资料如上例，但ml5=，两端铰支钢管混凝土柱，且两端轴压力偏心距mme100

0

=，

计算该柱极限承载力，并设计能承载该力的普通混凝土柱。

解：<1>有效长度mkll

e

5==µ，47.163.0/5/>==dl

e

则柱的长细比折减系数591.047.16115.014/115.01=−−=−−=dl

el

ϕ

核心混凝土半径mmr

c

142=，55.1704.0142/100/

0

<==

c

re

则偏心距影响折减系数434.0)704.085.11/(1)/85.11/(1

0

=×+=+=

ce

reϕ

该柱极限承载力设计值KNNN

elu

45.10695.4169434.0591.0

0

=××==ϕϕ

<2>采用对称配筋，截面尺寸如图5所示。

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350

3

0

0

图5对称配筋截面尺寸图

取mmaa35'==，mmh31535350

0

=−=，附加偏心距mme

a

20=

初始偏心距mmeee

ai

12020100

0

=+=+=

由于83.14350/5000/

0

>==hl，

故偏心距增大系数36.119376.0)3.14(

315/1201400

1

1)(

/1400

1

12

21

2

0=××

×

+=+=ςςη

h

l

he

i

其中：9376.0

1045.1069

3503001.195.0

5.0

3

1

=

×

×××

==

N

Af

cς，1

2

=ς，153.14/

0

<=hl

mmhmme

i

5.943153.03.02.16312036.1

0

=×=>=×=η

mmahee

i

2.303353505.02.1635.0=−×+=−+=η

mmhmm

bf

N

x

b

c

41.193315614.06.186

3001.191

1045.1069

0

3

1

=×=<=

××

×

==ξ

α

因

0

'2hxa

b

ξ<<，故

)(

)2/(

'

0

'

01

'

ahf

xhbxfNe

AA

y

c

ss

−

−−

==

α

=2

3

7.1448

)35315(215

)2/6.186315(6.1863001.192.3031045.1069

mm=

−

−××−××

选配)1520(2242mmφ

。

分析：①钢管混凝土柱截面面积与普通混凝土柱截面积相比减少了48.5％，在某些特别

情况下，如荷载较大且要求有较大建筑空间时可采用钢管混凝土柱结构形式。

②混凝土用量大量减少，而钢用量有增加。

③本例柱的承载力为上例1的25.6％，可以看出长细比和偏心距对钢管混凝土柱影响较

大，大大减低了它的承载力，主要是钢管对混凝土套箍作用降低，影响了材料性能的进一步

发挥。在工程中应尽量使钢管混凝土接近轴心受压这样可使二者材料性能发挥到最佳。

4结论

综合以上分析可得以下主要结论：

①钢管混凝土结构能充分发挥钢材和混凝土两种材料的力学性能，故承载力可大大提

高。

②钢管混凝土结构可以节省材料，增加建筑空间，施工方便，经济效果明显，值得在工

程建设中大力推广。

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③长细比和偏心距对钢管混凝土结构影响较大，大大减低了它的承载力，所以在工程设

计中应尽量把它设计成轴心受压或小偏心受压构件，这样才能更充分的发挥这种结构形式受

力性能上的优点。

参考文献

[1]刘清.组合结构设计原理，第一版.重庆大学出版社，2002.11

[2]韩林海，钟善桐.钢管混凝土力学.大连理工大学出版社，1996.1

[3]张良成，翟爱良.混凝土结构.中国水利水电出版社，2003

[4]聂建国等.钢－混凝土组合结构.中国建筑工业出版社，2005

[5]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构.人民交通出版社，2003

[6]蔡绍怀.钢管混凝土结构的计算与应用.中国建筑工业出版社，1989.9

Thestrengthperformanceanalysisoftheconcrete-filled

steeltubestructure

LiHaifeng

CollegeofCivilengineeringinHohaiUniversity,Nanjing(210098)

Abstract

Thisarticleanalyzedthebasicmechanicsperformanceoftheconcrete-filledsteeltubestructurein

orderththeexample

whichhascomparedthedifferencebetweentheconcrete-filledsteeltubestructureandtheplain

concretestructure,theauthorhasdrawnsomeconclusionsandputforwardveralproposalstothe

engineeringconstruction.

Keywords:concrete-filledsteeltubestructure;ultimatestrength;press