钢管混凝土柱论文范文

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2填充工艺

2.1准备工作

完成体系转换。当拱轴线线型调整检查合格后，即可对各个钢管拱肋拼装节段进行体系转换施工。各个钢管拱肋拼装节段体系转换主要包括：

（1）完成各个接头的焊接（从拱顶往拱脚方向对称进行焊接）；

（2）完成拱肋接头焊接后，将拱脚弦管与拱脚预埋管焊接，将上、下弦管与预埋管焊牢，使铰接初步固结。

2.2施工阶段

2.2.1下层系杆张拉。钢管拱节段体系转换完成后，完成下层系杆第一次张拉，张拉力由监控单位提供。张拉系杆前，三角区所有横梁预应力和三角区纵向预应力均必须张拉压浆完成。

2.2.2配合比设计。本桥设计要求管内顶升灌注混凝土C50微膨胀混凝土。根据现场实际施工条件，如法兰处管径变小、顶升高度较高，距离较长等诸多因素，致使顶升灌注混凝土施工难度大，因此，对顶升灌注泵送混凝土配合比必须达到如下要求：

（1）具有良好的可泵性，即塌落度大（入泵22～26cm）、和易性好、流动性高（扩展度55～65cm）、不泌水、不离析、自密性好；

（2）具有补偿收缩性，微膨胀，水中养护14天的最小限制膨胀率≥2.5×10-4；

（3）初凝时间大于16小时，终凝时间大于18小时；

（4）胶凝材料最少用量不得小于350kg/m3，水胶比不宜大于0.5。

2.2.3出浆孔、出气孔、灌注孔以及出渣孔的布置：

（1）出浆孔：在每根钢管拱拱顶处开一个Φ125mm的孔，孔周铁板加强处理，并外函一节内径为125mm钢管（壁厚6mm，长150cm），钢管竖直向上，用于排气出浆孔；

（2）出气孔：为了确保压注混凝土流动顺利，方便观察管内混凝土流动进展情况，沿钢管轴线方向的上方每隔15～20m设置一个Φ50mm钢管出气孔。当出气孔冒混凝土时，马上用钢板焊接盖住封闭出气孔，防止出气孔外流混凝土泄压；

（3）灌注孔：下弦管灌注孔设在离拱脚约1.5m处的钢管侧面，以方便接泵管。灌注孔外接一节混凝土输送泵管，输送泵管与钢管焊接固定，同时保证钢管轴线呈30°～50°夹角。上弦管灌注孔设在离拱脚约2.5m处的钢管顶部，同样外接一节混凝土输送泵管，与钢管轴线的焊接固定角度同下弦管。灌注孔与输送泵管管路之间设置安装一个M125截止阀；

（4）临时出渣孔：在拱肋底部设置临时出渣孔，尺寸和结构同排气孔，便于清水和渣物流出。以上开孔，均必须在合拢前开好。

2.2.4焊接质量和钢管拱线形监测。钢管拱钢管混凝土灌注前，必须对钢管拱肋各个拼装节段的焊接接头进行细致检查、检测，确保焊缝满足设计规范要求。同时对钢管拱高程、轴线进行测量，并记录好数据，作为对拱肋在混凝土灌注过程中线形变化的基础数据。

2.3混凝土供应和混凝土输送泵选用

首先，混凝土输送泵的额定泵送能力应不小于灌注速率或实际混凝土供应量的2倍；输送泵的额定压力须满足最大泵送压力，即静压力和泵送压力叠加之和。其次，混凝土输送泵的泵送高度应大于1.5倍的灌注高度（即拱脚至拱顶的高度）。秋湖里大桥要求输送泵的额定扬程大于60m。根据以上要求，选择HBT60-16-90S（最大理论垂直输送距离270m，最大理论水平输送距离1200）拖式混凝土高压输送泵，分配阀为S形摆管阀，最大理论输出量60m3/h，出口处最大压力为16MPa，电机功率为90kW，4#和5#墩上、下游附近各布置1台HBT60-16-90S输送泵。在钢管拱混凝土灌注前，混凝土搅拌站和混凝土输送泵进行联动试车，确保所有拌和输送设备正常运行。

2.4钢管混凝土灌注

2.4.1湿润输送泵管。混凝土输送泵管接通后，先全程泵送通清水，一方面利用清水湿润所有的输送泵管，另一方面检查输送泵管工作是否正常、泵管接头处是否有渗漏的情况。

2.4.2泵送水泥砂浆。混凝土从进料管出来后，在重力作用下填充管口以下的空腔直至淹没进料管口，以后混凝土在泵送压力下向上流动，此时粗骨料先下落，所以泵送混凝土前首先泵送1m3高强度水泥砂浆（即将混凝土配合比中石子扣除），以免粗骨料反弹以及接头处混凝土质量差，同时砂浆还可在泵送过程中起到管壁的作用。混凝土填充灌注接近完成时，利用混凝土将砂浆排除钢管之外。

2.4.3填充灌注混凝土。在开始压注前，将截止阀挡板抽出，在挡板两侧涂满黄油，再将挡板插入阀中但不穿入泵管内，以便压注后挡板能顺利插入混凝土中起到止浆作用。待焊缝冷却后压注少量混凝土通过压注口，继续压注混凝土直至拱顶。水泥砂浆的目的是减小混凝土与管壁之间的摩擦力。压注过程中，根据排气孔观察到的情况随时补浆。压注过程中通过调整控制两岸混凝土输送泵的泵送速度，确保压注均匀、对称，并通过锤击钢管管壁辨别管内是否空心的方法了解混凝土压注的高度，以此凭据调整混凝土的压注速度，控制两岸混凝土压注进度对称。当混凝土压注至接近拱顶面时，严格控制压注速度，以防止混凝土超过拱顶截面引起钢管拱振动。混凝土到达拱顶时，通过交替泵送两岸混凝土将砂浆从拱顶出浆孔排除，待出浆孔有混凝土溢出后，利用钢筋出浆管内的混凝土，将气体和浮浆排出，直至良好的正常混凝土从出浆管溢出，两岸输送泵停止泵送，稳压2分钟，并关闭压注管处的阀门且不得漏浆，防止混凝土回流。拆除输送泵接头，接通下一根钢管填充灌注的泵管路，开始填充灌注下一根钢管。如此循环。每次一个循环灌注完成时，钢管内混凝土均不得初凝。进行下一次钢管混凝土填充灌注前，对前一次灌注混凝土强度进行检测，确保前一次混凝土达到设计要求。

2.5出浆孔、灌注孔填充灌注后的处理

待钢管混凝土填充灌注完成并混凝土终凝后，割掉灌注用的泵管和出浆管，并用原开孔保留的钢板进行封闭焊接，并在表面进行防腐涂装处理，以防雨水进入。

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0引言

近年来，我国频繁发生地震灾害，比如2008年，汶川大地震；2010年，青海玉树大地震；2013年，四川的芦山县大地震；2014年，新疆省于田大地震，我们对现有建筑结构的抗震性能提出了更高的要求。很多建筑物和构筑物在我们的长期使用中会出现各种各样的问题，如承载力不足、地基沉降、出现裂缝等[1]。为了能够正常使用，防止结构出现严重的损害，给人们带来财产、精神和生命上的危害，应该对建筑物及时的进行可靠度鉴定，并采取相应的措施对建筑物进行加固维修。钢筋混凝土框架结构加固的方法主要包括：外包钢法、粘贴纤维复合材料加固法、粘钢加固法、增大截面法、增设翼墙加固等[2]。本文将通过Abaqus非线性有限元模拟来探究钢管混凝土翼墙的受力性能。

1构件尺寸及模型建立

1.1构件的尺寸

本文模拟中选取如下的模型作为研究对象：混凝土柱尺寸500×500mm，柱高1.8m，纵向钢筋12B16，箍筋B8@ 200mm，底端加密箍筋B8@100mm（B为钢筋直径），两侧的翼墙为钢管混凝土翼墙，用钢套箍将钢管混凝土翼墙的端部与钢筋混凝土柱固结在一起，其它部位没有连接，钢套箍为高度300mm，厚度为5mm。其中的一个构件的截面如图1.1所示。

图1.1 构件的截面尺寸

有限元数值模拟分别以钢管的厚度为参变量，对不同组的构件分别进行低周反复荷载作用下的模拟。其中L表示钢筋混凝土柱的长，B表示钢筋混凝土柱的宽；l表示钢管混凝土翼墙的长度，b表示钢管混凝土翼墙的厚度；n表示轴压比；t表示钢管的厚度。构件尺寸如表1.1。

表1.1 钢管混凝土翼墙加固构件模拟试件表

试件编号 L（mm） ×B（mm） l（mm） ×b（mm） n t（mm）

JGZ-1 500×500 300×200 0.5 3

JGZ-2 500×500 300×200 0.5 5

JGZ-3 500×500 300×200 0.5 7

1.2模型的建立

运用创建部命令件创建混凝土柱、混凝土翼墙、钢管、纵筋和箍筋各部件，其中混凝土柱、 混凝翼墙和钢管为实体单元，而纵筋和箍筋为桁架单元。如图1.2所示。

图1.2 模型建立

2不同试件的有限元分析

2.1试件的滞回曲线

在轴压比0.5时，翼墙中钢管的厚度为3mm、5mm、7mm的钢管混凝土翼墙加固柱的构件滞回曲线如图2.1所示。

图2.1 JGZ-1、JGZ-2、JGZ-3滞回曲线

从图2.1能够看出，在这组模拟中任何一个滞回曲线形状都表现为比较饱满的梭形，这反映了钢管混凝土翼墙加固钢筋混凝土柱具有良好的耗能能力以及抗震性能[3]。

从这组的滞回曲线可以看出，钢管厚度t=7mm的加固构件的滞回曲线的峰值最大，t=3mm的加固构件滞回曲线峰值最小，说明钢管厚度越大钢管混凝土翼墙加固柱的极限承载力越大。随着加载的继续进行，滞回曲环的峰值出现了下降，不同钢管厚度下降的趋势也不同，钢管厚度为3mm的加固柱下降趋势比钢管厚度为7mm的加固柱下降趋势大，说明随着钢管厚度的增大钢管混凝土翼墙加固柱的延性增加[4]。

2.2试件的骨架曲线

在轴压比为0.5时，翼墙中钢管厚度为3mm、5mm、7mm的钢管混凝土翼墙加固柱的构件骨架曲线如下图2.2所示。

图2.2JGZ-1、JGZ-2、JGZ-3骨架曲线

从图2.2可以看出，钢管混凝土翼墙中钢管厚度为7mm时加固构件的极限承载力值最大，钢管厚度为5mm次之，钢管厚度为3mm最小，说明了随着钢管厚度的增加钢管混凝土翼墙加固柱的极限承载力增大。

在骨架曲线的前期弹性阶段，钢管厚度为7mm的钢管混凝土翼墙加固的钢筋混凝土柱的斜率最大，说明随着钢管厚度的增加构件的弹性阶段的刚度增大，加载后期骨架曲线均有一段保持水平，表现出钢管混凝土翼墙加固柱具有良好的塑性性能；随着荷载继续加载，骨架曲线出现下降趋势，说明钢管混凝土加固钢筋混凝土柱的延性降低；钢管厚度为3mm的加固构件下降趋势大于钢管厚度为7mm的加固构件，说明了钢管厚度越大加固构件的延性越好[5]。

3结论

利用有限元软件ABAQUS以钢管厚度为参数建立的3个钢管混凝土翼墙加固钢筋混凝土柱模型，并进行了模拟分析，从提取的滞回曲线和骨架曲线上可以看出，钢管混凝土翼墙加固柱均具有较好的耗能能力及抗震性能。钢管厚度增加则构件的极限承载力增大，刚度增大，耗能能力良好。由于篇幅有限有些参变量没有考虑进来，在以后的研究中将重点关注。

参考文献

[1] 魏闯.增设翼墙加固功能混凝土柱受力性能研究[D]沈阳建筑大学硕士论文，2011

[2] 柳炳康，吴胜兴，周安.工程结构鉴定与加固[M].北京：中国建筑工业出版社，2008

[3] 张心令，王财全，刘洁平. 翼墙加固方法对框架结构抗震性能的影响分析[J].土木工程学报，2012

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引言

工程实践表明，钢管混凝结构是一种抗压强度高、自重轻、抗震性能突出、施工方便、外形美观和造价经济的结构。现代钢管混凝土结构的广泛应用，代替了传统的在高层结构中采用普通钢筋混凝土结构，并且避免了采用普通混凝土结构造成的“肥梁胖柱”、浪费使用空间、不美观又不经济等现象[1]。

1.钢管混凝土研究现状

方钢管混凝土结构是钢管混凝土结构的一个重要分支，1964～1965年，Chapman和Neogi对圆形、矩形、方形截面钢管混凝土柱进行了较为全面的对比实验研究，标志着对方钢管混凝土应用研究的开始。方钢管混凝土结构是在钢管内填充素混凝土，利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，内填混凝土有效地提高了钢管的局部稳定性和抗火能力，而钢管对内填混凝土的约束作用又使其强度提高、塑性和韧性性能大为改善，充分发挥了两种材料的优点和潜力，可使构件截面减小，承载力提高，整体重量减轻，钢管壁板不需太厚，可大量使用国产钢材实现工厂化生产；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，工期可缩短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%。方钢管混凝土构件外形规则，连接构造相对简单，双向受力性能较好，抗扭能力强，具有良好的经济和社会效益[2]。以方矩形钢管混凝土柱－钢梁组成的框架结构，是一种具有巨大的开发与应用前景的新型房屋体系，经国内外学者多年研究，已取得丰硕成果。

2.钢管混凝土柱节点研究

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，又由于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。随着钢管混凝土柱越来越多的被应用于多高层建筑，到了上个世纪90年代，由于工程应用的需要，日本率先开始方钢管混凝土柱与钢梁节点的受力性能和连接构造研究，并以日、美等国为代表的发达国家，于1993成立了“美－日地震工程合作研究计划：组合与杂交结构”组织，对钢－混凝土组合结构进行了有计划、有组织地跨国研究，其内容包括各种组织结构、构件、不同构造节点等的承载能力和抗震性能研究，取得了丰硕的成果，现正在向纵深发展。特别是在1994年美国Northridge和1995年日本阪神地震后，世界各国开始对钢结构、钢混凝土组合结构的连接进行了大量的研究，并定期在国际范围进行专题讨论交流，为各国制订相关规范和工程应用起了重要作用。在这种国际环境下，我国也结合工程应用开始了较大规模的钢管混凝土节点的研究，其中，以圆钢管混凝土柱节点的研究较多，而方矩形钢管混凝土柱节点的研究相对较少。

3.方钢管混凝土柱节点研究

方钢管混凝土柱节点根据应用的不同也分为“方钢管混凝土柱－钢筋混凝土梁节点”和“方钢管混凝土柱－钢梁节点”两大类，随着工程应用的发展，近年又出现了一些“方钢管混凝土柱与钢－混凝土组合梁节点”。方钢管混凝土柱外表相对规则，其连接构造也比较简单，但由于应用与研究较少，目前这类已开发的构造形式和研究成果远比圆钢管混凝土节点少。

3.1方钢管混凝土柱－钢筋混凝土梁节点

方钢管混凝土柱配合钢筋混凝土梁板体系在我国也存在较大的应用前景。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。环梁－钢承重销式连接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；穿筋式连接为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。

3.2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四种连接形式：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。这些钢管混凝土柱－钢梁的节点形式构造简单、整体性好、传力明确、安全可靠、节约材料和施工方便。

参考文献:

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中图分类号：TU352.5 文献标识码：A

Fire resistance behavior sandwich concrete filled steel tubular column to one-side fire

WANG Yu―de，ZHU Meng―long

（College of Engineering，Hebei University of Engineering，Hebei Handan 056038，China）

Abstract： Considering different performance steel coagulation material， using the finite element software modeling analysis of concrete filled double skin steel； temperature field using the heating curve indoor fire model ISO-834 standard fire model. Steel and concrete under high temperature due to the contact section separated， with or without considering slip little effect on the performance of components， it is not considering slip between steel and concrete. The results show that hollowness， slenderness ratio， load ratio， member of the side length and thickness of the protective layer is the main factor affecting steel concrete.

Keywords： one-sided by the fire； finite element method； influencing factors； thermal performance；

钢管混凝土柱是指在混凝土外包钢管而形成的构件，按截面形式可分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等（见图 1），本文的研究对象为方截面钢管混凝土柱。

图1钢管混凝土构件横截面示意图

作者简介：王育德，男，河北邯郸人，研究生学历，河北工程大学教授，从事计算智能理论技术及应用方向，主要研究内容包括建筑工程技术、建筑工程项目管理。

由于钢管和核心混凝土之间各自的优点，在其相互作用、共同工作下，使得其有如下优点：承载能力高、制作施工方便、经济性能好、耐火性能较好、抗震性能好。

1模型建立

1.1温度场的选择

火灾发生时一个升温降温的过程，现实生活中，火灾时常发生，对人类生命财产造成很大损失，甚至付出生命。本文主要对钢结构构件进行抗火分析。目前，结构的耐火极限是跟据ISO―834（1980）火灾曲线确定的，取用的是无降温段的曲线，如图所示

各阶段的数表达式如下。

（1）升温段ABB′

（2）降温段（BC）

（3）常温段（CD）

式中T为温度；t为火灾作用时间th为升降温临界时间；Th为升降温临界温度，；T0为室温，常温取20；文中所使用单位温度均为摄氏度；时间单位均是分钟。

1.2本构模型的建立

1.2.1砼的应力-应变关系模型

参考李华东和时旭东给出的高温线混凝土棱柱体抗压强度和对应应变的计算公式结合韩林海的实验结果最终确定高温下混凝土的应力-应变关系公式如下：

其中 ：

；

为常温下混凝土圆柱体轴心抗压强度。

1.2.2钢材的应力-应变关系模型

钢材的应力-应变模型子高温作用下没有统一公式，版本各不相同，本文根据Lie提出的模型作为依据进行理论研究；具体形式表示如下：

当时

当时，

其中

；

1.2.3确定砼和钢材的接触

从理论上看，高温下钢材与砼滑移比常温下显著，钢管与砼粘结比较弱，导致钢与混凝土整体工作性能降低。但在高温后钢管与砼之间的滑移和常温下有不同之处，目前对这方面的研究参考文献较少。

在建立节点热分析模型中，钢管混凝土柱与梁、板之间的连接采用束缚约束，不考虑它们之间的相对滑移。原因是在对构件热分析过程中，钢管和混凝土之间滑移很小，对温度的影响可以忽略不计，因此不用考虑他们之间的影响。在计算构件的温度场时，认为温度只沿截面径向发生变化，沿长度方向不发生变化。

1.3建立有限元模型

1.3.1选择单元类型

钢材采用四节点完全积分壳单元 S4，核心混凝土采用八节点缩减积分的三维实体单元 C3D8R。此单元精度不高，但符合计算要求，从计算经济性角度出发，采用此线性单元。模型如下

图2建立模型

1.3.2实例模型

用ANSYS12.0进行实例分析，对运行的可靠结果进行分析得出钢管混凝土柱抗火性能的主要影响因素。具体实例数据如下：柱截面边长 B=500mm，含钢率α =0.15，升温时间为 t=100min.，钢管与混凝土间的界面热阻 R=0.01℃ /w，保护层为厚涂型钢结构防火涂料，厚度分别为 a=0mm 和 a=10mm。

运行结果如下图

图3软件运行结果

2结果分析

1）影响构件抗火因素主要有以下几个方面：一是保护层厚度，保护层厚度越大，构件耐火时间越长；二是长细比，刚度会随着长细比的增大而逐渐减小。三是轴压比，轴压比越大，框架的水平承载力越小，强化阶段的刚度也越小。

2）对软件运行结果进行分析，可得出如下结论，在其他条件相同时，由于受火面的不均匀随着受火面的增加，钢管混凝土截面温度也会升高。钢管混凝土柱温度场的主要因素有截面边长、保护层的厚度以及升温时间，这些影响因素与受火方式无关。受火作用下造成双轴对称作用的截面，即相对两面或者四面，它们的最低温度出现在截面中心；受火作用下单轴对称截面，即单面或者三面，其温度最低点出现在背离受火的区域。

参考文献：

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[3]李国强，韩林海，楼国彪，蒋首超.钢结构及钢一混凝土组合结构抗火设计.北京：中国建筑工业出版社，2006.

[4] 霍静思.火灾作用后钢管混凝土柱一钢梁节点力学性能研究；2005.

[5] 吕西林，李学平，余勇.方钢管混凝土柱与钢梁的连接节点设计方法.同济大学学报，2002，30（1）：l一5

[6] J. Gardner， E. R. Jacobson. Structural behaviour of concrete filled steel tubes.ACI Structural Journal. 1967， 64 （7）： 404～413.