钢管发泡混凝土构件径厚比的确定及应用.pdf

2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 2期 ( 总第 2 3 1 期 ) Apr 2 0 14 Vo 1 4 2 No 2( S e r No 2 3 1 ) 钢管发泡混凝土构件径厚 比的确定及应用 De t e r mi na t i on a n d App l i c a t i o n o f Di a me t e r t h i c kne s s Ra t i o o f St e e l Tub e Ce l l ul a r Co n c r e t e Co mp o n e n t 孔繁 力 ， 李洪伟 ， 王诚 志 ， 崔 国玉 ， 王 春 ( 1 东北 电力设计 院， 长春 1 3 0 0 2 1 ； 2 黑龙 江省 电力经 济技 术研 究院 ， 哈 尔滨 1 5 0 0 3 6 ) 摘 要 ： 通过对薄 壁钢 管与 内部发泡混凝 土的相互作用分析 ， 可 以得 出钢管 发泡混凝土构件 的应力一 应变关 系及 二 者问的作用力 ， 推导 出钢管 出现 局部屈 曲的临界应力和临界径厚 比； 参照 以往钢 管制作工艺 的研究 成果 ， 确定 出钢 管加工制作要求 的最大径厚 比。以上二者结合 ， 可以确定钢管发泡混凝土构件径厚 比为 1 8 0 ， 从 而突破 GB 5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范 规定的径厚 比的限制 。钢管发泡混凝土构件 ， 由于发泡 混凝 土很轻 ( 密度 3 0 0 5 0 0 k g m。 ， 又可 以制成实心或空心钢管发泡混凝土构件 ， 使得管材非常轻便 。由于采用了高强钢 ， 钢材使用 量降低近 5 O ， 经 济 、 社会 效益 非常显著 ， 可 以广泛用于送 电工程 的钢管杆 、 变电工程的构架柱 、 构架梁 、 支架等结构 。 关键词 ： 钢管发泡 昆凝土 ； 薄壁钢管 ； 径厚 比 Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o n i n t e r a c t i o n b e t we e n t h i n wa l l c i r c u l a r s t e e l t u b e a n d i n t e r n a l c e l l u l a r c o nc r e t e， t he s t r e s s s t r a i n r e l at i on s hi p an d m u t ua l a c t i n g f or c e s h av e be e n obt a i ne dCr i t i c al s t r e s s f or l o c a l yi e l d i ng a nd c r i t i c a l d i ame t e r t h i c k ne s s r a t i o ha v e be e n c ond uc t e d The ma xi mum di a me t e r t hi c kne s s r a t i o o f s t e el t ube und e r p er mi t t e d de f l e c t i on r a ng e ha s b ee n c on duc t e dTh e d i a me t e r t hi c kne s s r a t i o of s t e e l t ube c e l l ul a r c on c r e t e c o m p on e nt ha s b ee n de t e r mi ne d a s 1 8 O，wh i c h b r e a ks t he l i mi t e d r a t i o of GB 5 0 01 7- 20 03 Code f or de s i gn o f s t e e l s t r u c t u r e s Th e c o mp o n e n t o f s t e e l t u b e c e l l u l a r c o n c r e t e i s l i g h t b e c a u s e o f t h e d e n s i t y o f c e l l u l a r c o n c r e t e i s l o w Th e c o n s u mp t i o n o f s t e e l h a s b e e n r e d u c e d 5 0 b e c a u s e o f t h e a p p l i c a t i o n o f h i g h s t r e n g t h s t e e 1 W i t h a p p a r e n t s o c i a l a n d e c o n o mi c b e n e f i t s ，t h i s k i n d o f c o mp o n e n t c o u l d b e wi d e l y a p p l i e d a s s t e e l t u b e p o l e f r a me c o l u mn，f r a me b e a m a n d s u p p o r t e r i n p o we r t r a n s mi s s i o n a n d s u b s t a t i o n p r o j e c t s Ke y wo r ds： s t e e l t ub e c e l l ul a r c o nc r et e； t hi n wa l l c i r c ul a r s t e e l t ub e； di amet e r t hi c kn e s s r at i o 中 图 分 类 号 ： TU5 2 8 2 文献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 9 5 3 0 6 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 1 2 0 4 因钢管 内部发泡混凝土的存在 ， 使得薄壁钢管 局部缺 陷得以“ 补偿” ， 从而可以大大提高径厚 比的 限值 。而我国钢管混凝土结构相关规程 】 规定钢管 J_r_ 的径厚比d t 宜控制在 2 o 8 52 3 5 ( f y 为钢材 牌 号所指 屈 服点 ) ， 是 为防止 空钢 管受 力 时管壁 局部 失 稳 而定 出的 ， 这 比我 国钢 结 构设 计 规 范 规 定 的 钢 管 外 径 与 壁 厚 之 比 不 应 超 过 1 0 0 ( f y 2 3 5 ) 还 严 格 。 近 年来 ， 国内外 的试验 研究 表 明_ f3 。 ， 由于 内填混 凝土的存在 ， 径厚比远超上述 限值的薄壁钢管发泡 混 凝 土柱均 没有 发生 管壁 的局 部屈 曲破 坏 ， 同样 ， 钢 管 发泡 混凝 土结 构 的试验 也获 得 了类 似 的结果 。为 开展薄壁钢管发泡混凝土柱的轴压工作性能和应用 研究 ， 需要从理论上分析上述现象 ， 并定量给出轴心 受 压薄壁 圆钢管发 泡混 凝土 柱 的管壁 临界 径厚 比。 1 钢 管及 发泡混凝 土的计 算模型 钢 管发 泡混凝 土 的工作 机 理 的关 键 是按 照发 泡 混凝 土和钢 管 2种材 料 的特点 区分 出各 自不 同 的工 作阶段 。 发泡混凝土是一种应用广泛的建筑材料 ， 其 特点 是材 料组成 的不 均匀 性 ， 且存在 天 生 的微 裂缝 ， 由此决定了其特征性是 ： 微裂缝发展、 运行从而构成 较 大的宏 观裂 缝 ， 继 之宏 观裂 缝继 续发 展 ， 最 终 导致 结构破坏 。发泡混凝土的这种特征决定了其工作性 能的复杂性。 在钢管发泡混凝土中， 核心发泡混凝土 受到外包钢管 的约束 ， 钢管和发泡混凝土存在相互 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 2 1 7 作者简介 ： 孔繁 力( 1 9 6 9 ) ， 男， 国家一级 注册 结构 工程 师， 从 事 变电土建设计工作 。 1 2 2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 2 期 ( 总第 2 3 1期 ) Apr 20 1 4 Vo 1 4 2 No 2( S e r No 2 3 1 ) 作用 ， 这种相互作用使核心发泡混凝土的工作性能 进 一步 复杂 化 。 钢管发泡混凝土是借助圆形钢管对核心发泡混 凝土的套箍约束作用 ， 使核心发泡混凝土处于三向 受压状态 ， 延缓其纵向微裂缝 的发生和发展 ， 从而使 核心发泡混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能 力； 同时借助内填发泡混凝土的支撑作用， 增强钢管 管壁的几何稳定性， 改变钢管的失稳模态， 从而提高 其承 载能力 。 薄壁 钢管 内 的发 泡 混 凝 土 采 用 由 P o p o v i c s建 议E 的 受 约 束 混 凝 土 单 轴 应 力一 应 变 关 系 ， 经 Ma n d e r l 6 修正 ， 同样截面的钢管发泡混凝土柱比素 发泡混凝土柱承载力约高 5 0 ， 强度明显提高 。最 根本 的原因是钢管和发泡混凝土的泊桑系数不同。 在 素发 泡 混凝 土柱 中 ， 其 中发 泡 混 凝 土是 处 于轴 心 受压状态的， 而钢管对其 内部发泡混凝土的约束作 用使发泡混凝土处于三 向受压状态， 提高了发泡混 凝土的抗压强度； 同时钢管内部 的发泡混凝土又可 以有效地防止钢管发生局部屈曲。 两者共同作用， 大 大地提高了承载能力 ， 钢管发泡混凝土柱 的承载力 高 于相应 的钢 管柱 承载力 和发 泡混凝 土柱 承载 力之 和 。 钢管和发泡混凝土都处于三向应力状态， 钢管和 发泡混凝土之间的相互作用使其物理性质发生 了变 化 ， 由原 来 的脆 性 材料转 变为 塑性材 料 ， 构 件 的延性 性能明显改善 ， 耗能能力大大提高 ， 具有优越的抗震 性 能 。 钢管发泡混凝土柱轴心受压可分为 3个阶段 ， 即弹性 阶段 ， 弹塑 性 阶段 ， 强 化 阶段 。钢 管发 泡混凝 土柱轴 心受压 过程 见 图 1 。 图 中 ： O c 、 分别 为 钢管 内 发泡混凝土 的纵 向应力 和应 变； -厂 c 、 分 别为有侧 限 、 无侧 限发泡 混凝 土 的抗压 强度 ； 、 f u 分 别 为有 侧 限 、 无 侧 限发 泡 混 凝 土 极 限变 形 所 对 应 的应 力 ； e 、 分 别为 有侧 限 、 无 侧 限发 泡混 凝 土极 限强 度 的 应 变 ； 分 别 为有 侧 限 、 无 侧 限 发 泡混 凝 土极 限 变 形所 对应 的应变 。 1 1 弹 性 阶段 ( 0 ， 。 ) 在 钢 管发 泡 混凝 土柱 受力 初 期 ， 钢 管 的横 向变 形率小于核心发泡混凝土 ， 钢管壁和发泡混凝土之 间产生 拉应力 。随着荷 载 的增大发 泡混 凝土 的横 向 变形率超过钢管 ， 此时钢管和发泡混凝土之 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 ， 而核心发泡混凝土受到环 向和径 向压力的作用 ， c 望 ， c 藁 u l厂 u O 8 e e 8 发泡混凝土压应变 e 图 1 素发泡混凝土和 受约束发泡 混 凝 土 的 应 力一 应 变 曲线 加上纵向压力 ， 处于三向应力状态 ， 但此时横 向压力 较小 ， 钢管和发泡混凝土均可 以认为在单向应力作 用 下工 作 。 1 2弹塑性 阶段 ( ， 。 ， 。 ) 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 。核心发泡混 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 心发 泡混凝 土 的弹性模 量 并没有 减 少或减少不多， 所 以钢管和发泡混凝土之间的轴力 分配 比例不断变化 ， 发泡混凝土承受 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 。 1 3强化 阶段 ( ， 。 右 侧 的下 降段 ) 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 ， 使核心发泡混 凝 土的 承载 力 大大 提 高 ， 承担 了外 荷载 增 量 产生 的 压力 ， 此时横 向变形急 剧增 大 。 2 钢管发泡混凝 土构件 的应力分 析 根 据 虚 功原 理 ， 内部填 有 发 泡混 凝 土 的 薄壁 钢 管 的临界屈 曲应 力计 算公 式为 ： 一 一, c o s C -c o s 2 ( 1 ) z s c r 一 = = = = = = 二 L l d3 ( 1 一 ) 式中： z s c r 为钢管条形单元的竖向应力 ， E 为钢材弹 性模量 ， 为钢管壁厚 ， d为管径， 为钢材泊松 比。 假定钢管与混凝土的接触面( 正弦波状 ) 一个波长范 1 3 2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 2期 ( 总 第 2 3 1期 ) Apr 20 1 4 Vo 1 4 2 No 2 ( S e r No 2 3 1 ) 围 内接触 长度 为 2 a ， 非 接触 长度 为 2 b ， 令 ： 一 a + b 当 。时 ， O ， C 一 ， 一 2 ( 发 泡混凝土对薄壁钢管的“ 帮助” 作用为零 ) ， 此时无缺 陷空圆钢管的弹性局部屈曲应力公式为： 2 E t z s cr一 = =二 =二二 二二 3 ( 1 一 ) ( 2 ) 式 中： E 为发泡混凝土弹性模量 ， c 、 c 分别为混凝 土 受压 ( 含钢 管环 向受 压 ) 及 钢管 环 向受拉 时 的弹性 基床系数 ， r 为钢管的半径。 实际情况下 ， 薄壁钢管对局部缺陷很敏感。 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。 在管中灌发 泡混凝土形成轴心受压钢管发泡混凝土柱后 ， 钢管 保 护 了发泡 混凝 土 ， 使其三 向受 压 ， 延 缓 了受压 时 的 纵 向开裂 。而发 泡混 凝土 则保 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 。 当发 泡 混 凝 土横 向刚 度 为无 穷 大 时 ， 发 泡 混 凝 土横 向不可压缩， 钢管单元与发泡混凝土之间相互 作用 的接触可 以近似为点接触 ( 钢管 出现横 向变形 的部位才会与发泡混凝土出现有相互作用的接触) ， 即 a 一0 ， 一0 。此 时 2 E t S az s c r 一二=二二二 d( 1 一 ) ( 3) 钢 材 在 弹性 阶 段 泊 淞 比变 化 很 小 ， 在 0 2 5 0 0 3 0 0 ， 可以认为是常数 ， 一般取 0 2 8 3 ， 钢材屈服 以 后 ， 取 一0 5 0 0 。 而发泡混凝土的泊淞比 却随着 纵 向 应 力 的 增 大 而 变 大 ， 由 低 应 力 下 的 0 1 6 0 0 2 2 7 之 问 ( 数 据 离散性 较大 ) ， 逐 渐增 大 到极 限应 力 下 的 0 5 0 0 。当构 件接 近破 坏时 ， 发泡 混凝 土 内部 微 裂缝不断发展， 泊淞比将超过 0 5 0 0 。 由此可确定 内填发泡混凝土薄壁钢管的径厚比 与临界 应力 间 的关 系 。对 不 同强度 的钢 材 内部 填有 发泡混凝土的薄壁钢管临界径厚 比计算结果如表 1 所示 。 表 1 不 同强度 内部填有发泡混凝土 的 薄壁钢 管临界 径厚 比 1 4 3 发泡混凝土 圆形薄壁钢管 的径 厚 比取值 由以 上分 析 可 知 ， 圆形 薄 壁 钢 管在 内部 填 有发 泡混凝土后 ， 其轴压局部屈 曲承载力明显高于空钢 管 。例如， 对 Q6 9 0钢材、 内部填有发泡混凝土 ( 厂 0 5 MP a ) 的短 柱 构件 ， 经计 算 得钢 管 的临 界径 厚 比 在 3 5 9左右 。对 于 电力 系统 的输 变 电杆塔 、 构 架 ， 竖 向荷载都很小 ， 采用薄壁钢管发泡混凝土杆件作为 结构构 件 时 ， 从 理论计 算 角度来 看 ， 完全 可 以放宽 管 材 径厚 比的限制 。 另一 方 面 ， 过去 在 对 钢 管混 凝 土 结构 和空 心 钢 管混 凝 土结 构研 究 过 程 中， 发现 当钢 管 的径 厚 比超 过 1 8 0时， 钢管的加工曲率将不易保证 。 特别是在采 取离心工艺制作钢管空心混凝土构件时， 如果钢管 的径厚 比超过 1 8 0 ， 离心工艺将会导致钢管的 曲率 缺 陷加大 。 参 照这个 研究 成果 ， 可 以建议 对 目前 所有 型 号 的钢 材 ( Q2 3 5到 Q6 9 0 ) 与 发 泡混 凝 土 ( 厂 0 5 MP a ) 组成 的构 件 中 的钢 管 径厚 比 d t 限值 一 律 取 1 8 0 。 也就是说 ， 薄壁钢管在内部填有发泡混凝土后 ， 径厚比的限值将取决于加工制作要求 ， 而不再是受 控于钢材材质 自身缺陷的限制。 4 钢管发泡混凝 土构件在工 程 中的应用 某 5 0 0 k V 变 电 站 QG 线 出 口扩 建 工 程 ， 2 2 0 k V设备支架 中， 2 2 0 k V支柱绝缘 子支架主管采用 Q4 6 0钢材 D2 1 9 X3 ， 主管内灌 注发泡混凝土 ( 体积 干 密 度 不 低 于 3 0 0 k g m。 ， 抗 压 强 度 不 低 于 0 5 M P a ) 。 Q4 6 0钢材 D2 1 9 X3主管 内灌 注发 泡 混凝 土 ， 轴 心抗 压 承 载力 7 5 2 k N； Q2 3 5钢 材 D2 1 9 X6钢 管 的 轴 心抗 压承 载力 7 7 7 k N。二者 轴压 承载 力 基本 相 同 。 Q4 6 0钢 材 D 2 1 9 X 3主管 内灌注 发 泡 昆凝土 ， 单 位长度质量 2 6 8 k g m； Q2 3 5钢材 D2 1 9 X6钢管 ， 单 位长 度质 量 3 1 7 k g m。 Q4 6 0钢 材 D2 1 9 X3主 管 内 灌 注 发 泡 混 凝 土 的 质 量 更 轻 一 些 ， 质 量 减 少 1 5 。 Q4 6 0钢材 D2 1 9 X3主管内灌注发泡混凝土的 用 钢量 则仅 为 Q2 3 5钢 材 D2 1 9 X6 钢 管 的一半 。 每 千牛轴压 承载 力所需 结构 质量 比较 ， 采 用 Q4 6 0钢 材 D2 1 9 X3主 管 内灌 注 发 泡 混 凝 土 需 要 2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 2期( 总第 2 3 1期) Apr 2 0 1 4 Vo1 42 No 2 ( Se r No 23 1 ) 0 0 3 2 1 k g ， 采 用 Q2 3 5 钢 材 D 2 1 9 X6钢 管 需 要 0 0 3 6 7 k g ， 采 用 Q4 6 0钢 材 D2 1 9 X3主 管 内 灌 注发 泡混 凝 土构 件 比单 纯采 用 Q2 3 5钢 材 D2 1 9 X 6钢 管 构件可减少 1 5 的质量 ( 如果将钢管 内的发泡混凝 土 做成 空 心 的 ， 还会 减少 更多 ) 。可 见 采 用 Q4 6 0钢 材 D 2 1 9 X 3主管内灌注发泡混凝土不仅可以降低用 钢 量 ， 还 可 以减 轻构 件 自身质 量 。 根据 2 0 1 4年 2月市场价格 ， 发泡混凝土单价约 为 4 0 0元 m。 。单 位 长度 ( m) Q2 3 5钢材 D2 1 9 X6钢 管与 Q4 6 0 钢材 D2 1 9 X3主管 内灌注发泡混凝土造 价 对 比见表 2 。 表 2 造 价 对 比 参数 Q2 3 5 钢管 Q4 6 o钢管发泡混凝土 可见 ， 采 用 Q4 6 0钢 材 D2 1 9 X3主 管 内灌 注 发 泡 混凝 土 的 制造 成本 仅 为 Q2 3 5 钢 材 D2 1 9 X6钢 管 的 7 1 ， 可节 约近 3 O 的成 本 。 综上所述 ， 高强钢管发泡混凝土构件与同样承 载力 的钢管构件相 比， 可以减少近 5 O 的用钢量、 减少 1 5 的 自身质量 、 节约 近 3 0 的成本 ， 应用优 势显 著 。 5 结论 根据国家产业政策， 高强钢 ( Q3 9 0 ) 以上钢材将 在建筑行业采取强制性推广 ， 国家已明确提出各行 业要 节约 2 0 的能源、 2 0 钢铁 ， 减少用钢量的有 效途径是提高钢的强度 ， 所以， 高强钢会逐步替代 目 前大 量采用 的低 强钢 。 国内的各 大型 钢铁企业 ， 也 已 从 2 0 1 0年开始推广生产高强钢的计划 ， 在抓紧改进 冶炼和轧制生产设备与工艺 。 预期十年后 ， 推广采用强度级别达 8 0 0 1 5 0 0 MP a的新一代钢材产品。目前 ， 新修订的钢筋混凝 土规范钢筋 已经禁止使用 HP B 2 3 5 ( 相当于 Q2 3 5钢 材) ， 不 久后 ， 钢结 构规 范也 会作 相应 修订 ， 高强 钢 的 应用与推广 已呈必然趋势 ； 另外 ， 由于高强钢的产量 越来越大， 高强钢的价格与普通钢的差异 已经变得 越来越小 ， 所以采用高强钢替代普通钢 ， 经济效益变 得越来越显著。 然而 ， 由于薄壁钢管存在 自身的局部缺欠 ， 导致 在径厚比较大时会产生局部受压失稳现象 ， 因此钢 结构规范中有关于径厚比的限制。 GB 5 0 0 1 7 2 O 0 3 规 定 ， 钢 管 的 直 径 与厚 度 之 比不 应 超 过 1 0 0 ( 2 3 5 厂 ) ， 导致高强薄壁钢管在替代普通薄壁钢管 时， 其用 量不 仅不会 减少 反而 可 能会增 加 。 通 过采 用本 文确 定 的径厚 比为 1 8 0钢管 发泡混 凝土构件 ， 高强薄壁钢管内部填充发泡混凝 土后 ， 由 于发 泡 混凝 土很 轻 ( 密度 3 0 0 5 0 0 k g m。 ) ， 又 可 以 制成实心或空心钢管发泡混凝土构件 ， 所 以使得高 强薄壁钢管的质量很小 。 计算表明 ， 采用 Q4 6 0钢管 发泡混凝土构件替代 Q2 3 5钢材的钢管构件， 钢材 使用量降低近 5 o ， 而且管材总质量相 比更轻。就 是说 ， 相 当于用较少质量的发泡混凝土替代了更多 质量的钢材， 经济、 社会效益显著。 参 考 文 献 ： 1 徐秉业 ， 刘信 声 ， 应用 弹塑性力学 M 北京 ： 清华大学 出版 社 ， 1 9 9 5 2 G B 5 0 0 1 7 2 O O 3 ， 钢结构设计规范I s 3 王秋萍 薄壁 钢管混凝 土轴压短柱 力学 性能 的试 验研 究 D 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 2 4 Ma r t i n D O s h e a ，R u s s e l l Q B r i d g e D e s i g n o f c i r c u l a r t h i n wa l l e d c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e s J J o u r n a l o f St r u c t u r a l En g i n e e r i n g， AS CE， 2 0 0 0， 1 26( 1 1)：1 29 5 l 30 3 5 P o p o v i c s S A n u me r i c a l a p p r o a c h t o t h e c o mp l e t e s t r e s s s t r a i n c u r v e s f o r c o n c r e t e J C e me n t Co n c r e t e Re s ，1 9 7 3，3 ( 3 ) ：5 8 3 5 9 9 6 Ma n d e r J B， P r i e s t l y J N，P a r k RT h e o r e t i c a l s t r e s s s t r a i n mo d e l f o r c o n f i n e d c o n c r e t e E J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g，AS CE ，1 9 9 8 ，1 1 4( 8 )：1 8 0 4 1 8 26 7 钟善铜 ， 钢管混凝 土结 构 M 哈尔滨 ： 黑龙 江科学技 术出版社 ， 1 9 9 4 ( 编辑李健平) 】 5