学校编码：10384 分类号 密级

学 号：25320101151714 UDC

硕 士 学 位 论 文

长期轴压荷载下型钢混凝土柱的试验研究 Experimental Study of Steel-reinforced Concrete

Columns under Sustained Axial Loads

王洋

指导教师姓名： 陈周熠 副教授

专 业 名 称： 结构工程

论文提交日期： 2014 年 04 月

论文答辩日期： 2014 年 07 月

学位授予日期 2014 年 月

答辩委员会主席：

评 阅 人：

2014 年 07 月

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长期轴压荷载下型钢混凝土柱的试验研究

王洋

指导教师

陈周熠

副教授

厦门大学

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果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均

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年 月 日

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年 月 日 厦门大学博硕士论文摘要库

I

摘 要

型钢混凝土柱是由混凝土、型钢和钢筋组合而成的结构构件，具有良好的承

载性能。型钢混凝土柱结合了钢筋混凝凝土的刚度和型钢的强度，是一种非常经

济适用的结构形式。作为混凝土包钢结构不仅增加了自身刚度，同时能够保护型

钢免于遭受火灾和局部屈曲破坏。型钢混凝土结构具有抗震性能好、承载力高、

耐火性和耐久性好等诸多优点，现广泛用于高层、超高层、大跨度结构等重要建

筑中。随着型钢混凝土柱的广泛应用，国内外开展了大量的理论和试验研究。目

前，国内外对于型钢混凝土柱的研究主要集中在极限承载能力、型钢与混凝土的

共同工作性能、抗震性能等方面，而对其由混凝土收缩徐变引起的时变变形的研

究十分有限。

收缩徐变效应是混凝土的固有特性，并伴随着混凝土建筑结构及其构件自施

工开始，在其长期的使用期限内仍不断发展变化，对结构及构件的长期工作性能

有着重要影响。因此，开展混凝土收缩徐变对型钢混凝土结构力学性能影响的相

关研究，有重要工程意义。

本文开展了型钢混凝土短柱的长期轴向荷载试验研究，还进行了这些短柱的

极限承载力破坏试验。试验前后分两批次共浇注了十二根 H 型钢混凝土柱和钢管

核心混凝土柱，其中六根施加长期恒定轴向荷载，另外六根作为对比试件，未施

加长期荷载。试验监测了长期荷载下由混凝土徐变和收缩引起的柱子的轴向长期

变形。基于该实测曲线的分析表明，采用 ACI 209R-92 的收缩模型和 CEB-FIP90

的徐变模型，利用龄期调整有效模量法可以较好地模拟型钢混凝土柱在长期轴向

荷载作用下的变形发展。此外，对经历了长期荷载的加荷试件以及未经历长期荷

载的对比试件的极限承载力破坏试验还表明，长期轴向荷载对柱子的轴压承载力

没有显著影响。

关键词：型钢混凝土柱 收缩 徐变 龄期调整有效模量法 内力重分布

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II

Abstract

Steel-reinforced concrete (SRC) column is a combination of concrete, structural

steel and reinforcing steel to provide an adequate load carrying capacity of the

member. The SRC columns combine the rigidity of reinforced concrete with the

strength of structural steel to produce an economic structure. For concrete-encased

SRC columns, an additional advantage is that the concrete used for encasing a

structural steel not only increases its stiffness, but also protects it from fire damage

and local buckling failure. Steel-reinforced concrete structure has very well seismic

resistance performance, high bearing capacity, flame resistance and good durability.

Due to these advantages, it has been widely used in high-rise building, super high-rise

building, and great span structures. And with the increased using of SRC columns, a

great deal of theoretical and experimental work has been carried out (Shanmugam and

Lakshmi, 2001). While much attention has been given to the study such as ultimate

strength, bond strength, seismic loading and so on, little is known about the

time-dependent behavior of the SRC columns caused by creep and shrinkage under

long-term loading.

Time-dependent creep and shrinkage effects are the intrinsic characteristics of

concrete. Both the effects always develop with the construction of building structures

and members and the whole service life, and bring the long-term work performance of

the structures and members significant influences. Therefore, it is important to carry

out the study about the influences of the creep and shrinkage on the behavior of the

SRC columns.

This paper provides an experimental study on the long-term behavior of short

SRC columns under axial sustained loading and a further test on their ultimate axial

capacity. Twelve short steel-reinforced concrete columns are made (six columns are

loaded to measure the creep and six columns as the comparison group are not loaded

to measure the shrinkage). Long-term test on twelve steel-reinforced concrete

columns were completed and the long-term axial deformations due to shrinkage and

creep of the concrete were recorded. Compared with the test results, time analysis of

the SRC columns under axial sustained loading using age-adjusted effective modulus

method(AEMM) was proved to be available by employing ACI 209R(92) model for

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III

prediction of shrinkage and CEB-FIP(MC90) model for prediction of creep. The

analysis indicates that the deformation and stress redistribution caused by the creep

and shrinkage develop quickly in the early loading phase, and reaches almost constant

after about one year. The stress redistribution usually leads to remarkable increase of

the steel stress in the column. Besides, the ultimate strength of the columns after

long-term loading were also determined and the results showed that the axial

sustained loading have no significant effect upon the axial compressive strength of the

SRC columns.

Keywords: Steel-reinforced concrete column; creep; shrinkage; AEMM; stress

redistribution

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IV

目 录

中文摘要 .................................................................................................... I

英文摘要 ................................................................................................... II

第一章 绪论 .............................................................................................. 1

1.1 引言 .................................................................................................... 1 1.2 型钢混凝土结构 ................................................................................................ 2

1.2.1 型钢混凝土结构的特点 ..................................... 2

1.2.2 型钢混凝土结构的研究概况 ................................. 3

1.3 混凝土收缩徐变对型钢混凝土柱的性能影响研究 ........................................ 4

1.3.1 混凝土的徐变和收缩 ....................................... 4

1.3.2 徐变和收缩对结构的影响 ................................... 5

1.3.3 收缩徐变对型钢混凝土柱的影响研究 ......................... 5

1.3.4 相关研究现状 ............................................. 6

1.4 本课题研究的目的与主要内容 ........................................................................ 7

第二章 型钢混凝土柱的长期轴压荷载试验研究 .................................. 9

2.1 试验设计思路 .................................................................................................... 9

2.2 试验概要 ............................................................................................................ 9

2.2.1 试件设计 ................................................. 9

2.2.2 试验材料 ................................................ 11

2.2.3 试件制作 ................................................ 13

2.3 试验方法 .......................................................................................................... 14

2.3.1 加载装置 ................................................ 14

2.3.2 加载方式 ................................................ 15

2.3.3 测量方案 ................................................ 15

2.4 试验结果及分析 .............................................................................................. 17

2.4.1 H 型钢混凝土柱 ........................................... 17

2.4.2 钢管核心混凝土柱 ........................................ 18

2.5 本章小结 ........................................................................................................... 20

第三章 型钢混凝土柱在长期荷载下的变形性能分析 ........................ 20

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V

3.1 混凝土收缩徐变机理 ...................................................................................... 20

3.1.1 混凝土徐变机理 .......................................... 20

3.1.2 混凝土收缩机理 .......................................... 21

3.1.3 混凝土收缩徐变影响因素 .................................. 21

3.2 混凝土收缩徐变模型 ...................................................................................... 22

3.2.1 基本概念 ................................................ 22

3.2.2 ACI209 模型（1992） ...................................... 23

3.2.3 CEB-FIP 模型（1990） ..................................... 25

3.3 徐变计算理论 .................................................................................................. 27

3.3.1 线性徐变假定 ............................................ 27

3.3.2 龄期调整的有效模量法 .................................... 28

3.4 长期荷载下型钢混凝土柱的变形分析 .......................................................... 31

3.4.1 变形分析方法 ............................................ 31

3.4.2 变形分析结果 ............................................ 33

3.4.3 内力重分布 .............................................. 35

3.5 本章小结 .......................................................................................................... 36

第四章 长期荷载作用后型钢混凝土柱轴压破坏试验 ........................ 39

4.1 试验概况 .......................................................................................................... 39

4.1.1 试验装置 ................................................ 39

4.1.2 测量方案 ................................................ 40

4.2 试验加载与破坏 .............................................................................................. 41

4.2.1 加载制度 ................................................ 41

4.2.2 破坏过程及特征 .......................................... 41

4.3 试验结果与分析 .............................................................................................. 47

4.3.1 荷载位移关系曲线 ........................................ 47

4.3.2 极限承载力计算 .......................................... 48

4.4 本章小结 .......................................................................................................... 49

第五章 结论与讨论 ................................................................................ 53

5.1 结论 .................................................................................................................. 53

5.2 讨论 .................................................................................................................. 53

参考文献 .................................................................................................. 55 致 谢…………………………………………………………………....55

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VI

Contents

Abstract in Chinese ................................................................................... I

Abstract in English .................................................................................. II

Chapter 1 Introduction ............................................................................. 1 1.1 Introduction ......................................................................................... 1

1.2 Steel Reinforced Concrete Sructures ................................................................ 2

1.2.1 Characteristics of steel reinforced concrete structure ................................... 2

1.2.2 Research situation of steel reinforced concrete structure .............. 3

1.3 The influence of concrete shrinkage and creep on bearing capacity of SRC columns ........................................................................................................................ 4

1.3.1 Shrinkage and creep of concrete ................................. 4

1.3.2 The influence of concrete shrinkage and creep on Concrete Sructures ... 5

1.3.3 Effect of shrinkage and creep of SRC columns ..................... 5

1.3.4 Research status of related fields ................................. 6

1.4 The purpose of this research and the main content ........................................ 7

Chapter 2 Experimental Study of Steel-reinforced Concrete Columns under Sustained Axial Loads ................................................... 9

2.1 Experiment design ideas .................................................................................... 9

2.2 Experiment Introduction................................................................................... 9

2.2.1 Speciimen design ............................................ 9

2.2.2 Experimental material ........................................ 11

2.2.3 Specimen preparation ........................................ 13

2.3 experimental method ....................................................................................... 14

2.3.1 Loading device ............................................. 14

2.3.2 Loading method ............................................ 15

2.3.3 Measurement method ........................................ 15

2.4 Test results and analysis .................................................................................. 17

2.4.1 Steel reinforced concrete column ............................... 17

2.4.2 Concrete-filled steel tubular column ............................. 18

2.5 The summary of this chapter .......................................................................... 20

Chapter 3 Study on the long-term behavior of short SRC columns

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VII

under axial sustained loading ................................................................ 20

3.1 The mechanism of concrete shrinkage and creep ......................................... 20

3.1.1 Concrete creep mechanism .................................... 20

3.1.2 Concrete shrinkage mechanism ................................ 21

3.1.3 Influence factors of concrete shrinkage and creep .................. 21

3.2 Concrete shrinkage and creep model ............................................................. 22

3.2.1 Basic Concepts ............................................. 22

3.2.2 ACI 209R(92) model ........................................ 23

3.2.3 CEB-FIP(MC90) model ...................................... 25

3.3 Concrete creep theories ................................................................................... 27

3.3.1 The linear creep assumption ................................... 27

3.3.2 Age-adjusted Effective Modulus Method ......................... 28

3.4 Study on the long-term behavior of short SRC columns under axial sustained loading ........................................................................................................ 31

3.4.1 Analysis method ............................................. 31

3.4.2 Analysis result .............................................. 33

3.4.3 Stress redistribution ......................................... 35

3.5 The summary of this chapter .......................................................................... 36

Chapter 4The ultimate strength of the SRC columns after long-term loading ...................................................................................................... 39

4.1 Experiment Introduction................................................................................. 39

4.1.1 Test equipment ............................................. 39

4.1.2 Measurement method ........................................ 40

4.2 Loading and failure .......................................................................................... 41

4.2.1 Loading system ............................................. 41

4.2.2 The failure process and characteristics ........................... 41

4.3 Experimental results and analysis .................................................................. 47

4.3.1 Load-displacement curve ..................................... 47

4.3.2 Ultimate axial capacity ....................................... 48

4.4 The summary of this chapter .......................................................................... 49

Chapter 5 Conclusion and Discussion ................................................ 53

5.1 Conclusion ........................................................................................................ 53

5.2 Discussion ......................................................................................................... 53

Reference ............................................................................................... 55

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VIII

Acknowledgement ……………………………………………………59

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第一章 绪论

1

第一章 绪论

1.1 引言

钢筋混凝土结构以其取材容易、造价较低，以及良好的耐久性、耐火性、可

模性和整体性，逐渐成为我国主要的建筑结构形式之一，并且在我国多、高层建

筑结构中应用比较广泛。随着混凝土结构应用领域的不断扩大，现代工程不断向

高层、超高层、重载、大跨和巨型方向发展，常规的建筑材料和建筑结构，已经

不能完全适应这种发展的需要。因此，高强混凝土以其耐久性好、强度高等特点

而被广泛应用到现代建筑中[43]。但是，高强混凝土的延性差，在地震作用下易发

生脆性破坏，从而影响其在抗震工程中的应用。

大量的研究和震害表明，轴压比是影响钢筋混凝土柱抗震性能的主要因素。

随着轴压比的增加，柱的变形能力将大大减弱。为了保证结构在地震中有足够的

变形能力，使框架柱的受力方式为大偏心受压，并有比较大的屈服后变形能力和

耗能能力，我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)和《高层建筑混凝土结构

技术规程》(JGJ3-2010)等规范对框架柱的轴压比限值作了严格的规定。但是这一

限制也带来了一些问题，轴压比是确定钢筋混凝土框架结构柱截面尺寸的主要控

制因素，随着我国经济的发展，高层建筑越造越高，柱网间距越来越大，在工程

实践中采用加大柱截面尺寸的方法以满足承载力和轴压比限值的要求，这势必使

结构底部几层柱的截面尺寸加大，从而使得建筑空间减小。不仅影响室内观瞻和

正常使用功能，还容易形成不利于结构抗震的短柱，在地震作用下结构柱易发生

脆性破坏。同时，增加配箍率虽然对高强混凝土柱的延性有所改善，但达到一定

程度后效果并不显著，同时箍筋过密将给现场施工带来困难，不易保证混凝土浇

筑质量[44]。

为了解决这一问题，考虑在柱内配置型钢，也即型钢混凝土柱结构。由于钢

材的屈服强度远大于混凝土的轴心抗压强度，在型钢混凝土柱中型钢承担部分轴

力，可以有效减小柱中混凝土部分的轴压比。因此，能够在提高柱的承载能力、

改善柱的抗震性能的同时减小柱的截面尺寸。关于型钢混凝土柱结构，国内外学

者开展了大量的试验及理论研究工作，确立了基本的设计和理论体系[1-4]。

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第一章 绪论

2

1.2 型钢混凝土结构

1.2.1 型钢混凝土结构的特点

型钢混凝土组合结构（Steel Reinforced Concrete Composite Structures），是指

混凝土内配置型钢（轧制或焊接成型）和钢筋的结构[45]。作为一种钢-混凝土组

合结构形式，型钢混凝土结构与钢筋混凝土结构相比，型钢混凝土结构的优点表

现在以下几个方面：

（1）承载能力高。采用较小的截面可得到与钢筋混凝土结构相同的强度。

型钢的存在可以有效提高柱的轴压比限值，从而可以减少构件截面尺寸，从而增

加建筑使用空间和避免短柱出现。

（2）抗震性能好。型钢的存在使结构的延性变形能力得到很大的改善，提

高了钢筋混凝土结构的抗震性能。

（3）方便现场施工。型钢作为钢骨架，具有较大承载力，能够作为支护模

板承受构件自重以及施工活荷载，因此减少了施工现场支模板的劳动力和材料，

从而缩短工期。

型钢混凝土结构与钢结构相比，型钢混凝土结构的优点表现在以下几个方

面：

（1）节约钢材。混凝土与钢材共同承担荷载，可节约钢材，经济性较好。

（2）刚度大。型钢混凝土结构构件刚度大，外力作用下变形小，具有良好

的延性变形能力，在风荷载和地震作用下，结构水平位移易满足要求。

（3）稳定性好。混凝土对型钢起到良好的约束作用，提高了钢构件整体和

局部抗屈曲承载力，稳定性增强，不容易发生失稳破坏。

（4）耐久性与防火性能好。型钢外浇筑混凝土，可以有效的防止型钢被空

气侵蚀，提高其耐久性能，同时在火灾发生时可以避免出现钢材熔融使结构失去

承载能力而倒塌。

型钢混凝土组合结构分为全部结构构件采用型钢混凝的结构和部分结构构

件采用型钢混凝土的结构。型钢混凝土结构根据所用型钢形式不同，主要分为实

腹式和空腹式两大类[45]。不同配钢形式的型钢混凝土梁、柱截面如图1.1所示。

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第一章 绪论

3

（a） 实腹式型钢混凝土柱截面

（b）空腹式型钢混凝土柱截面

（c）实腹式型钢混凝土梁截面 （d）空腹式型钢混凝土梁截面

图 1.1 型钢混凝土结构的种类

空腹式在日本和前苏联都曾大量使用，但制作工序多、制作费用高，变形性

能和抗剪承载力也较小。实腹式制作简便、承载力大、抗震性能好，近年来在日

本和西方国家都普遍采用实腹式。目前，抗震结构中多采用实腹式型钢混凝土结

构。

1.2.2 型钢混凝土结构的研究概况

20世纪初，对于型钢混凝土结构的研究始于欧美，到目前为止已有100多年

的历史。1908年Burr做了空腹式型钢混凝土柱的试验，发现型钢外包混凝土后，

强度和刚度大大提高。但是直至20世纪50年代才开始对型钢混凝土结构及构件的

性能进行大量的研究，其中以日本对型钢混凝土组合结构开展了 为全面和系统

的研究工作，同时日本是世界上对型钢混凝土结构研究和工程应用 多的国家

[42]。

型钢混凝土组合结构在日本被称作钢骨钢筋混凝土结构（Steel Reinforced

Concrete），日本在世界上是个地震灾害频发的国家，客观的地理条件迫使其十分

重视建筑抗震技术的研究和应用，因此在其建筑中广泛采用抗震性能较好的型钢

混凝土结构形式。1921年东京建成的由内藤多仲设计的兴业银行(地上 7 层、底

下一层、高 30 米)是日本早期典型的全型钢混凝土结构，在1923 年日本的东京

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第一章 绪论

4

大地震中表现出良好的抗震性能[42]。从此以后，型钢混凝土结构以其优越的抗震

性能而被大量采用。

前苏联早在20世纪30年代就对型钢混凝土结构多有研究，称之为劲性钢筋混

凝土结构，并在二战后的恢复建设中大量使用型钢混凝土结构于工业厂房。型钢

混凝土结构的研究起始于欧美，在英国、美国等西方国家将这种结构叫做混凝土

包钢结构（Steel Encased Concrete）。但是对于型钢混凝土结构的实际应用却不如

日本和苏联广泛。欧美诸国提出了各种适合其本国国情的计算理论，形成了关于

钢与混凝土组合结构的设计规程和规范，对型钢混凝土结构的设计计算、构造要

求均做出了相应的规定，在各国的规范中，都有针对型钢混凝土结构的设计条款。

我国对于型钢混凝土结构的应用开始于在20世纪50年代初期，近几十年来，

特别是在近20年来在大量学者的研究成果与应用基础上，陆续制定和颁发了一些

行业标准。1989年曾编写过《劲性钢筋混凝土设计建议及条文说明》 。80年代

末以来，许多高校和研究院相继开展型钢混凝土结构的研究，为了满足建设工程

的需要，1997 年在参考日本规程的基础上，原冶金工业部颁布了行业标准《钢

骨混凝土结构设计规程》（YB9082－97）。2002年，在总结我国大量研究成果的

基础上，建设部又颁布了行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138－

2001），称之为型钢混凝土组合结构，并于2002年1月1日实施。

1.3 混凝土收缩徐变对型钢混凝土柱的性能影响研究

1.3.1 混凝土的徐变和收缩

徐变是混凝土材料在长期荷载作用下的一种变形性能，所谓混凝土徐变，即

在长期荷载作用下混凝土构件的应变增量。混凝土在外荷载作用时瞬间产生的变

形为近似弹性变形，当荷载稳定下来以后，该混凝土构件即开始产生徐变变形，

随着持荷时间的增长徐变变形不断增加、徐变速率降低。混凝土徐变可以持续非

常长的时间，但大部分徐变却在1～2年内完成。一般情况下，徐变变形是瞬时弹

性变形的 1～3 倍，在某些不利条件下还有可能增大。

收缩，是指由于混凝土中所含水分的变化、化学反应以及温度变化等因素引

起的混凝土体积缩小[5]。混凝土的收缩主要有浇筑初期（终凝前）水化反应出现

沁水和体积缩小的凝缩变形，硬化混凝土的干燥收缩变形、自生收缩变形、温度

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