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钢管混凝土局部受压时的工作机理研究一、本文概述钢管混凝土作为一种新型、高效的建筑结构材料，因其优异的力学性能和经济效益，在桥梁、高层建筑、地下工程等领域得到了广泛应用。
其中，钢管混凝土在局部受压工况下的工作机理研究，对于理解其整体受力性能、优化结构设计、提高工程安全性等方面具有重要意义。
本文旨在深入研究钢管混凝土在局部受压时的工作机理，通过理论分析、数值模拟和实验研究等多种方法，探讨其受力特性、破坏模式、承载能力及其影响因素。
文章首先回顾了钢管混凝土结构的发展历程和研究现状，总结了目前关于局部受压问题的主要研究成果和存在的不足。
在此基础上，提出了本文的研究思路、方法和技术路线，为后续研究奠定理论基础。
通过本文的研究，旨在揭示钢管混凝土在局部受压工况下的受力特点和破坏机理，提出合理的计算模型和设计方法，为工程实践提供科学依据。
本文的研究也有助于推动钢管混凝土结构理论的发展和完善，为相关领域的学术研究和技术创新做出贡献。
二、钢管混凝土基本性能钢管混凝土，作为一种复合建筑材料，其基本性能主要体现在其优越的承载能力和良好的变形性能上。
钢管与混凝土之间的相互作用，使得这种材料在受力时能够充分发挥两种材料的优点，实现优势互补。
钢管对混凝土起到了约束作用。
在受到外部压力时，钢管能够有效地防止混凝土的横向变形，从而提高混凝土的抗压强度。
同时，钢管的约束还能改善混凝土的脆性，使其在受力时表现出更好的延性。
混凝土对钢管起到了填充和支撑作用。
混凝土填充在钢管内部，能够有效地防止钢管在受力时发生局部屈曲，从而提高钢管的承载能力。
混凝土还能够吸收钢管在受力时产生的应力集中，减少钢管的应力腐蚀和疲劳破坏的可能性。
钢管与混凝土的协同工作，使得钢管混凝土在受力时表现出良好的整体性能。
在轴向受压时，钢管混凝土能够充分发挥其承载能力，实现高效的能量传递和分散。
在受到弯曲、剪切等复杂应力作用时，钢管混凝土也能够表现出良好的变形性能和耗能能力，从而有效地保护结构的安全。
局部承压局部承压是指在构件的表面上，仅有部分面积承受压力的受力状态（图10-1）。
图10-1 全部受压和局部承压a)全截面受压 b)局部承压如图10-2所示，设构件截面积为A ，正方形截面的宽度为b 。
在构件端面AB 中心部分的较小面积A l （宽度为a ）上作用有压力N ，其平均压应力为1p ，此应力从构件端面向构件内逐步扩散到一个较大的截面面积上。
分析表明，在离端面距离H 约等于b 处的横截面CD 上，压应力基本上已均匀分布，其压应力集度为p ＜1p 。
也就是说，构件的CD 面以下截面已属于全截面受压。
一般把图10-2b ）中所示的ABCD 区称为局部承压区。
图10-2 构件端部的局部承受压区a)局部承压区 b)横向正应力分布示意 c)截面纵向正应力分布示意局部承压区的应力状态较为复杂。
当近似按平面应力问题分析时，局部承压区中任何一点将产生三种应力，即x σ、y σ和τ。
x σ为沿x 方向（图10-2所示试件横向）的正应力，在局部承压区的AOBGFE 部分，x σ为压应力，在其余部分为拉应力［图10-2b ）］，最大横向拉应力m ax x σ发生在局部承压区ABCD 的中点附近。
y σ为沿y 方向的正应力。
在局部承压区内，绝大部分的y σ都是压应力，OY 轴处的压应力y σ较大，其中又以O 点处为最大，即等于1p 。
当/b a 值较大时，在试件A 、B 点附近，x σ和y σ都为拉应力，但其值都不大。
局部受压区内混凝土的抗压强度情况，可用图10-3所示承压面积相同（150mm ×150mm ），而试件外形尺寸不同的混凝土轴心受压试验的抗压强度对比来说明，其中局部承压试件尺寸为450mm ×450mm ×450mm ，局部承压面积（以钢垫板计）为150mm ×150mm 。
试验结果表明，局部承压试件的抗压强度远高于同样承压面积的棱柱体抗压强度（全截面受压），这主要是垫板下直接受压的混凝土的横向变形，不仅受钢垫板与试件表面之间摩擦力的约束，而且更主要的是受试件外围混凝土的约束，中间部分混凝土纵向受压引起的横向扩张，使外围混凝土受拉，其反作用力又使中间混凝土侧向受压，限制了纵向裂缝的开展，因而其强度比棱柱体抗压强度大很多。
第一章混凝土结构用材料的性能1、在钢筋混凝土构件中钢筋的作用是替混凝土受拉或协助混凝土受压.2、混凝土的强度指标有混凝土的立方体强度、混凝土轴心抗压强度和混凝土抗拉强度。
3、混凝土的变形可分为两类：受力变形和体积变形。
4、钢筋混凝土结构使用的钢筋，不仅要强度高，而且要具有良好的塑性、可焊性，同时还要求与混凝土有较好的粘结性能。
5、影响钢筋与混凝土之间粘结强度的因素很多，其中主要为混凝土强度、浇筑位置、保护层厚度及钢筋净间距。
6、钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料能够有效地结合在一起共同工作，其主要原因是: 钢筋和混凝土之间具有良好的粘结力、钢筋和混凝土的温度线膨胀系数接近和混凝土对钢筋起保护作用.7、混凝土的变形可分为混凝土的受力变形和混凝土的体积变形 .其中混凝土的徐变属于混凝土的受力变形，混凝土的收缩和膨胀属于混凝土的体积变形。
第二章混凝土结构的设计方法1、结构设计的目的,就是要使所设计的结构，在规定的时间内能够在具有足够可靠性性的前提下，完成全部功能的要求。
2、结构能够满足各项功能要求而良好地工作，称为结构可靠，反之则称为失效，结构工作状态是处于可靠还是失效的标志用极限状态来衡量。
3、国际上一般将结构的极限状态分为三类：承载能力极限状态、正常使用极限状态和“破坏一安全”极限状态。
4、正常使用极限状态的计算,是以弹性理论或塑性理论为基础,主要进行以下三个方面的验算：应力计算、裂缝宽度验算和变形验算.5、公路桥涵设计中所采用的荷载有如下几类：永久荷载、可变荷载和偶然荷载。
6、结构的安全性、适用性和耐久性通称为结构的可靠性.7、作用是指使结构产生内力、变形、应力和应变的所有原因，它分为直接作用和间接作用两种. 直接作用是指施加在结构上的集中力或分布力如汽车、人群、结构自重等，间接作用是指引起结构外加变形和约束变形的原因，如地震、基础不均匀沉降、混凝土收缩、温度变化等。
8、结构上的作用按其随时间的变异性和出现的可能性分为三类：永久作用（恒载）、可变作用和偶然作用.9、我国《公路桥规》根据桥梁在施工和使用过程中面临的不同情况,规定了结构设计的三种状况：持久状况、短暂状况和偶然状况。
《结构设计原理》复习资料第一篇钢筋混凝土结构第一章钢筋混凝土结构的基本概念及材料的物理力学性能三、复习题(一）填空题1、在钢筋混凝土构件中钢筋的作用是替混凝土受拉或协助混凝土受压。
2、混凝土的强度指标有混凝土的立方体强度、混凝土轴心抗压强度和混凝土抗拉强度。
3、混凝土的变形可分为两类：受力变形和体积变形。
4、钢筋混凝土结构使用的钢筋,不仅要强度高,而且要具有良好的塑性、可焊性，同时还要求与混凝土有较好的粘结性能。
5、影响钢筋与混凝土之间粘结强度的因素很多，其中主要为混凝土强度、浇筑位置、保护层厚度及钢筋净间距。
6、钢筋和混凝土这两种力学性能不同的材料能够有效地结合在一起共同工作,其主要原因是: 钢筋和混凝土之间具有良好的粘结力、钢筋和混凝土的温度线膨胀系数接近和混凝土对钢筋起保护作用。
７、混凝土的变形可分为混凝土的受力变形和混凝土的体积变形。
其中混凝土的徐变属于混凝土的受力变形，混凝土的收缩和膨胀属于混凝土的体积变形。
(二）判断题1、素混凝土的承载能力是由混凝土的抗压强度控制的。
………………………………【×】2、混凝土强度愈高,应力应变曲线下降愈剧烈,延性就愈好。
………………………【×】３、线性徐变在加荷初期增长很快,一般在两年左右趋以稳定,三年左右徐变即告基本终止。
………………………………………………………………………………………………【√】4、水泥的用量愈多,水灰比较大,收缩就越小。
………………………………………【×】５、钢筋中含碳量愈高,钢筋的强度愈高,但钢筋的塑性和可焊性就愈差。
…………【√】(四)简答题1、简述混凝土应力应变曲线的三个阶段?答：在上升段，当应力小于0．３倍的棱柱体强度时,应力应变关系接近直线变化,混凝土处于弹性工作阶段。
在应力大于等于0．3倍的棱柱体强度后,随着应力增大，应力应变关系愈来愈偏离直线,任一点的应变可分为弹性应变和塑性应变两部分。
1下截面已属于全截面受压。
一般把图 10-2b ）中所示的N图10-2构件端部的局部承受压区a ）局部承压区b ）横向正应力分布示意c ）截面纵向正应力分布示意局部承压区的应力状态较为复杂。
当近似按平面应力问题分析时，局部承压区中任正应力，在局部承压区的 AOBGFE 部分，x 为压应力，在其余部分为拉应力［图10-2b ） xmax 发生在局部承压区 ABCD的中点附近。
y 为沿y 方向的正应力。
y 都是压应力，OY轴处的压应力 y 较大，其中又以 0点处为最大，即等于p 1。
当b/a 值较大时，在试件A 、B 点附近，x 和y 都为拉应力,局部承压局部承压是指在构件的表面上，仅有部分面积承受压力的受力状态 10-1 )。
4A（图•)图10-1 全部受压和局部承压a ）全截面受压b ）局部承压 如图10-2所示，设构件截面积为A ，正方形截面的宽度为b 。
在构件端面AB 中心部分 的较小面积A l （宽度为a ）上作用有压力 N ，其平均压应力为P i ，此应力从构件端面向构件内逐步扩散到一个较大的截面面积上。
分析表明，在离端面距离 H 约等于b 处的横截面CD 上，压应力基本上已均匀分布，其压应力集度为 P VP i 。
也就是说，构件的 CD 面以 brIf丄Cn11L nsL _& ____ □ABCD 区称为局部承压区。
•>何一点将产生三种应力，即x 为沿x 方向（图10-2所示试件横向）的最大横向拉应力在局部承压区内，绝大部分的但其值都不大。
局部受压区内混凝土的抗压强度情况，可用图10-3所示承压面积相同（150mm X150mm ），而试件外形尺寸不同的混凝土轴心受压试验的抗压强度对比来说明，其中局 部承压试件尺寸为 450mm X 450mm X 450mm ,局部承压面积（以钢垫板计）为 150mm X 150mm 。
试验结果表明，局部承压试件的抗压强度远高于同样承压面积的棱柱体抗压 强度（全截面受压），这主要是垫板下直接受压的混凝土的横向变形，不仅受钢垫板与 试件表面之间摩擦力的约束， 而且更主要的是受试件外围混凝土的约束，中间部分混凝土纵向受压引起的横向扩张， 使外围混凝土受拉，其反作用力又使中间混凝土侧向受压， 限制了纵向裂缝的开展，因而其强度比棱柱体抗压强度大很多。
与全面积受压相比， 混凝土构件局部承压有如下特点： （1）构件表面受（2）局部承压面积部分的混凝土抗压强度， 比全面积受压时混凝土凝土产生裂缝。
局部承压是混凝土和钢筋混凝土结构中常见的受力形式之一。
例如：桥梁墩（台）帽直接承受由支座垫板传来的局部集中荷载；拱或刚架的铰接支承点； 后张法预应力混凝土构件端部锚固区等。
在工程实践中，因局部承压区混凝土开裂或局部承压能力不足而引起的事故 也屡有发生，因此，局部承压的计算是工程设计中必须予以注意的问题之一。
10.1局部承压的破坏形态和破坏机理对于混凝土局部承压的破坏形态， 国内外进行了大量的研究。
研究表明，混凝土局部承 压的破坏形态主要与 A l /A （ A |为局部承压面积，A 为试件截面面积）以及 A 在表面上的位置有关。
对于 A 对称布置于构件端面上的轴心局部承压，其破坏形态主要有三种，即1）先开裂后破坏当试件截面积与局部承压面积比较接近时（一般 Al A < 9），在约为50%~90%破坏荷载时，试件某一侧面首先出现纵向裂缝。
随着荷载增加，裂缝逐渐延伸，其它侧面也相继出b)图10-3 局部承压试件破坏图（尺寸单位:mm)a ）全截面受压构件破坏（ CU=16 MP a ） b ）局部承压试件破坏（ 仁=60 MP a） C ）局部承压破坏时表面裂缝综合上述可知，压面积小于构件截面积;抗压强度高；（3）在局部承压区的中部有横向拉应力 x （图10-2）,这种横向拉应力可使混8I现类似裂缝。
最后承压面下的混凝土被冲切出一个楔形体［图 块而发生劈裂破坏。
2） —开裂即破坏当试件截面积与局部承压面积相比较大时（一般 9V A/ A V 36）,试件一开裂就破坏，破坏很突然，裂缝从顶面向下发展，裂缝宽度上大下小，局部承压面积外围混凝土 被劈成数块，而局部承压面下的混凝土被冲剪成一个楔形体［图3）局部混凝土下陷当试件的截面积与局部承压面积相比很大（一般 A/A >36）时，在试件整体破坏 前，局部承压面下的混凝土先局部下陷，沿局部承压面四周的混凝土出现剪切破坏，但 此时外围混凝土尚未劈裂，荷载还可以继续增加，直至外围混凝土被劈成数块而最终破 坏。
在实际工程中，前两种破坏形态较多。
在局部承压试验中，试验荷载是通过局部承 压钢垫板作用在试件上， 这是与实际工程中局部承压作用形式是一致的。
局部承压板与混凝土接触面间有摩擦阻力，在破坏时，承压垫板下将出现楔形体。
当 破坏是由于这个楔形体下陷而破坏，但这时试件并未劈裂；当 因楔形体的滑移使试件劈裂破坏；当 A/A V 9时，横向拉应力先使试件表面形成裂缝,然后形成楔形体，最后，试件由楔形体劈裂而破坏。
图10-4 局部承压的破坏形态a ）当 A/ A <9 时b ）当 9< A/ A <36 时关于混凝土局部承压的工作机理， 国内外学者提出过许多看法， 主要有两种理论，分别为1）套箍理论这个理论认为，局部承压区的混凝土可看作是承受侧压力作用的混凝土芯块。
当局部荷载作用增大时，受挤压的混凝土向外膨胀，而周围混凝土起着套箍作用而阻止其横向膨胀， 因此，挤压区混凝土处于三向受压状态，提高了芯块混凝土的抗压强度。
当周围混凝土环向拉应力达到抗拉极限强度时，试件即告破坏，其受力模型如图10-4a ）:,试件被劈成数10-4b ）］。
A/A >36 时, 9V A/ A V 36时，试件 山Hill10-5所示。
图10-5套箍理论的局部承压受力模型2）剪切理论这个理论认为，在局部荷载作用下， 局部承压区的受力特性， 结构［图10-6a ）］o 紧靠承压板下面的混凝土，亦即位于拉杆部位的混凝土,当局部承压荷载达到开裂荷载时，部分拉杆由于局部承压区中横向拉应力随着荷载继续增加， 更多的拉杆被拉断， 裂缝进一步增多和延伸， 内力进一步重分配。
当达 到破坏荷载时，承压板下的混凝土在剪压作用下形成楔形体， 产生剪切滑移面，楔形体的劈 裂为最终导致拱机构破坏［图C ）拱结构破坏剪切理论较合理地反映了混凝土局部承压的破坏机理及受力过程。
由这种理论建立的受力模型可以看到， 局部承压区在不同受力阶段存在着两种类型的劈裂力。
第一种是 拱作用引起的横向劈裂拉力， 它作用在拱拉杆部位，这种拉力自加载开始至破坏前都存在；第二种劈裂力是楔形体形成时引起的，它仅仅在接近破坏阶段才产生，作用部位在 楔形体高度范围内。
犹如一个带多根拉杆的拱 承受横向拉力。
x 大于混凝土极限抗拉强度f t 而断裂，从而产生了局部纵向裂缝，但此时尚未形成破坏机构 ［图 10-6b )：o10-6C)] o压混凝土强度提高系数 （即混凝土局部承压强度与混凝土棱柱体抗压强度之比），与剪切理论的局部承压受力模型b ）部分拉杆断裂后的拱结构T图 10-6 a ）多根拉杆拱结构模10.2混凝土局部承压强度提高系数1）混凝土局部承压提高系数局部承压时混凝土的抗压强度高于棱柱体抗压强度，试验与研究表明, 轴心局部承局部承压的分布面积 A b 和局部承压面积 A ,之比A b / A 有重要关系。
值随A b / A |增加而增大，但不按线性增大，而是接近二次曲线的规律增大。
因而, 式计算:(10-1)式中A ――局部承压面积（考虑在钢垫板中沿45°刚性角扩大的面积），当有孔道时（对圆形承压面积而言）不扣除孔道面积;关于局部承压计算底面积 A b 的确定，是采用“同心对称有效面积法” 部承压面积A 具有相同的形心位置，且要求相应对称。
具体计算时，规定沿在实际工程中，遇到混凝土局部承压时，一般都要求在局部承压区内配置间接钢筋。
大量试验证明，这样的配筋措施能使局部承压的抗裂性和极限承载能力都有显著提高。
《公路桥规》规定 按下A b局部承压的计算底面积，可根据图 10-7来确定。
，即A 应与局A ,各边向外扩大的有效距离，不超过 A 窄边尺寸b （矩形）或直径a （圆形）等, 详见图10-7。
图10-7中的c 为局部承压面到最靠近的截面边缘（又称临空面）的距离。
.1t 11r A >一 flL 上red£<.b图10-7 局部承压时计算底面积A b 的示意图2）配置间接钢筋的混凝土局部承压强度提高系数corb. h b局部承压区内配置间接钢筋可采用方格钢筋网或螺旋式钢筋两种形式（图 10-8）。
间接钢筋宜选I 级钢筋，其直径一般为（6~10） mm 。
间接钢筋应尽可能接近承压表面 布置，其距离不宜大于间接钢筋体积配筋率v 是指核心面积A cor 范围内单位体积所含间接钢筋的体积，应按下列公式计算。
（1）当间接钢筋为方格钢筋网时［图 10-8a ）］:□ Aslhn2 A ;2l2A cor S式中 s ――钢筋网片层距;35mm 。
(10-2)n i , A s1 ――分别是单层钢筋网沿 l l 方向的钢筋根数和单根钢筋截面面积; n 2, A S2 ――分别是单层钢筋网沿 I 2方向的钢筋根数和单根钢筋截面面积;A cor方格网间接钢筋内表面范围的混凝土核心面积, 其重心应与A 的重心重合,计算时按同心，对称原则取值。
此外，钢筋网在两个方向的钢筋截面面积相差不应大于 少于4层钢筋网。
（2）当间接钢筋为螺旋形钢筋时 ［图10-8b ）］:50%，且局部承压区间接钢筋不应4Ass1Vd cor s(10-3)式中A ss1 ――单根螺旋形钢筋的截面面积;d cor ——螺旋形间接钢筋内表面范围内混凝土核心的直径; s ――螺旋形钢筋的间距。
螺旋形钢筋不应少于 4圈。
b)图10-8局部承压区内的间接钢筋配筋形式（尺寸单位：a ）方格网钢筋b ）螺旋形钢筋在局部承压区中配置间接钢筋，其作用类似于螺旋箍筋柱中螺旋箍筋的作用， 使得核心cor 来反映配置间接钢筋后混凝土局部承压强度提高的程度,(Acor cor式中的A cor 为间接钢筋网或螺旋钢筋范围内混凝土核心面积，其值可参照图 计算，但是，应满足A b > A cor > A 且A cor 的面积重心应与 A 的面积重心重合。
在实际工程中，若为 A or > A b 情况，贝U 应取A cor = A b 。
10.3局部承压区的计算《公路桥规》要求必须进行局部承压区承载能力和抗裂性计算。
1）局部承压区的承载力计算二mm)混凝土的抗压强度增加。
