特殊钢管混凝土构件设计规程 [附条文说明] CECS408：2015

中国工程建设协会标准

特殊钢管混凝土构件设计规程

Design specification for specified concrete filled steel tubular members

CECS 408：2015

主编单位：哈尔滨工业大学深圳研究生院

中国建筑第五工程局有限公司

批准单位：中国工程建设标准化协会

施行日期：2015年12月1日

中国工程建设标准化协会公告

第210号

关于发布《特殊钢管混凝土构件设计规程》的公告

    根据中国工程建设标准化协会《关于印发<2012年第二批工程建设协会标准制订、修订计划>的通知》(建标协字[2012]127号)的要求，由哈尔滨工业大学深圳研究生院和中国建筑第五工程局有限公司等单位编制的《特殊钢管混凝土构件设计规程》，经本协会轻型钢结构委员会组织审查，现批准发布，编号为CECS 408：2015，自2015年12月1日起施行。

中国工程建设标准化协会

二〇一五年七月十五日

前言

     根据中国工程建设标准化协会《关于印发<2012年第二批工程建设协会标准制订、修订计划>的通知》(建标协字[2012]127号)的要求，制定本规程。

    本规程共分7章和3个附录，主要技术内容包括：总则、术语和符号、材料、基本规定、截面强度设计值、承载力设计和防火设计等。

    本规程由中国工程建设标准化协会轻型钢结构专业委员会归口管理(CECS／TC28)，由哈尔滨工业大学深圳研究生院(深圳市南山区西丽大学城哈工大深圳研究生院E407，邮政编码：518055)负责解释。在使用过程中如发现需修改或补充之处，请将意见和资料径寄解释单位。

    主编单位：哈尔滨工业大学深圳研究生院

              中国建筑第五工程局有限公司

    参编单位：深圳市市政设计研究院有限公司

              悉地国际设计顾问有限公司

              武汉大学

    主要起草人：查晓雄 钟善桐 王玉银  王成武  万城勇 陈宜言  傅学怡  张湘林  尧国皇  余敏 王晓璐  郭明  王洪欣  王晓冬  赵祺

    主要审查人：周绪红  杜宏彪  陈宝春  肖从真  吴波 薛伟辰  徐厚军

1  总    则

1．0．1  为了在工程结构中推广应用特殊钢管混凝土构件，贯彻执行国家的技术经济政策，做到安全、适用、经济、节能、环保，制定本规程。

1．0．2  本规程适用于采用特殊钢管混凝土构件的工业与民用建筑和一般构筑物的设计。

1．0．3  特殊钢管混凝土构件的设计除应符合本规程外，尚应符合国家现行有关标准的规定。

[su_accordion][su_spoiler title=”2．1 术 语” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

2  术语和符号

2．1  术    语

2．1．1  特殊钢管混凝土构件    specified concrete filled steel tubular members(Specified CFST)

    由特殊外管材料或特殊内部填充材料组合而成钢管混凝土构件的统称。本规程包括内填素混凝土的特殊钢管混凝土构件和内配加劲件的钢管混凝土构件两种。

2．1．2  高强钢钢管混凝土构件    concrete filled highstrength steel tubular members

    外管采用高强钢管的钢管混凝土构件。

2．1．3  不锈钢钢管混凝土构件    concrete filled stainless steel tubular members

    外管采用不锈钢管的钢管混凝土构件。

2．1．4  耐候钢钢管混凝土构件    concrete filled atmospheric corrosion resisting steel tubular members

    外管采用耐候钢管的钢管混凝土构件。

2．1．5  纤维增强复合塑料  fiber reinforced plastics(FRP)

    由纤维材料与基体材料按一定的比例混合，经过特别的模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。简称FRP。

2．1．6  FRP约束钢管混凝土构件    concrete filled steel tubu-lar members wrapped by FRP

    外缠FRP的钢管混凝土构件。

2．1．7  钢管高强混凝土构件  highstrength concrete filled steel tubular members

    采用高强混凝土的钢管混凝土构件。

2．1．8  钢管轻质混凝土构件  lightweight concrete filled steel tubular members

    采用轻质混凝土(含珊瑚混凝土)的钢管混凝土构件。

2．1．9  钢管海砂混凝土构件    sea sand concrete filled steel tubular members

    采用海砂混凝土的钢管混凝土构件。

2．1．10  钢管再生资源混凝土构件    recycled resource con-crete filled steel tubular members

    采用再生资源骨料混凝土的钢管混凝土构件。

2．1．11  内配加劲件的钢管混凝土构件    reinforced concrete filled steel tubular members

    混凝土中内配加劲件的钢管混凝土构件。包括内配约束型加劲件的钢管混凝土构件和内配非约束型加劲件的钢管混凝土构件。内配约束型加劲件包括内配螺旋箍筋和内配钢管；内配非约束型加劲件包括内配纵向钢筋、普通方形箍筋和开口型钢。

2．1．12  内配螺旋箍筋的钢管混凝土构件    spiral stirrup rein-forced concrete filled steel tubular members

    钢管内配多层螺旋箍筋和纵向钢筋所形成的钢管混凝土构件。

2．1．13  内配钢管的钢管混凝土构件    concrete filled steel multi tubular members

    钢管内配多层钢管所形成的钢管混凝土构件。

2．1．14  内配方形箍筋的钢管混凝土构件    square stirrup re-inforced concrete filled steel tubular members

    钢管内配多层方形箍筋钢筋混凝土所形成的钢管混凝土构件。

2．1．15  内配开口型钢的钢管混凝土构件    opening steel rein-forced concrete filled steel tubular members

    钢管内配开口型钢混凝土的钢管混凝土构件。

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[su_accordion][su_spoiler title=”2．2 符 号” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

2．2  符    号

2．2．1  作用、作用效应和抗力：

    M——弯矩；

    N——轴心压力；

    Nt——轴心拉力；

    T——扭矩；

    V——剪力；

    NT——火灾下轴心压力；

    Mu、N0、Nut、Tu、Vu——常温下特殊钢管混凝土构件抗弯、轴心抗压强度、轴心抗拉、抗扭、抗剪承载力设计值；

    Nu——特殊钢管混凝土构件轴心抗压稳定承载力设计值；

    NT0——高温下，特殊钢管混凝土构件轴心抗压强度承载力设计值；

    NTu——高温下，特殊钢管混凝土构件轴心抗压稳定承载力设计值；

    Msc——最外层钢管约束管内素混凝土构件抗弯承载力设计值；

    Mb——外钢管内配所有加劲件(约束加劲件和非约束加劲件)抗弯承载力设计值；

    Nb——内配非约束加劲件轴心抗压强度承载力设计值；

    Ntb——内配非约束加劲件轴向抗拉承载力设计值；

    Tsc——最外层钢管约束管内素混凝土构件的抗扭承载力设计值；

    Tb——外钢管内配所有加劲件(约束加劲件和非约束加劲件)的抗扭承载力设计值；

    Vsc——最外层钢管约束管内素混凝土构件的抗剪承载力设计值；

    Vb——外钢管内配所有加劲件(约束加劲件和非约束加劲件)的抗剪承载力设计值。

2．2．2  材料性能和抗力：

    EA——特殊钢管混凝土柱的组合轴压刚度；

    EI——特殊钢管混凝土柱的组合抗弯刚度；

    GA——特殊钢管混凝土柱的组合剪切刚度；

    Es、Ec、Eb——外钢管、混凝土、外钢管内加劲件的弹性模量；

    Gs、Gc、Gb——外钢管、混凝土、外钢管内加劲件的剪变模量；

    Isc、Is、Ic、Ib——特殊钢管混凝土构件、外钢管、混凝土、外钢管内加劲件的截面惯性矩；

    Bscb、Bscm——特殊钢管混凝土构件截面的组合轴压弹性刚度、组合抗弯弹性刚度；

    BG、BT——特殊钢管混凝土构件组合剪变刚度、组合抗扭刚度；

    Esc、Escm——特殊钢管混凝土构件的组合弹性模量、组合抗弯弹性模量；

    ETsc——高温下，特殊钢管混凝土构件的弹性模量；

    ETs、ETb——高温下，钢管与内配加劲件的弹性模量；

    ETc——高温下，混凝土的平均弹性模量；

    Gss——特殊钢管混凝土构件组合剪变模量；

    Gs——钢材的剪变模量；

    f——钢材的轴向抗拉、抗压强度设计值；

    fck、fc——混凝土的轴心抗压强度标准值、设计值；

    ft——混凝土的轴心抗拉强度设计值；

    fsc——特殊钢管混凝土构件钢管约束素混凝土截面抗压强度设计值；

    fsv——特殊钢管混凝土抗剪强度设计值；

    fb——内配加劲件轴向抗压强度设计值；

    fbt——内配非约束加劲件轴向抗拉强度设计值；

    ffsc——FRP钢管混凝土柱抗压强度设计值；

    ff——FRP管的环向抗拉强度设计值；

    fyv——螺旋箍筋抗拉强度设计值；

    fs,i——第i层内钢管的抗压、抗拉强度设计值；

    fT、fTb——高温下，外钢管与内配加劲件的截面抗压强度设计值；

    fTc——高温下，混凝土的平均截面抗压强度设计值。

2．2．3  几何参数：

    As、Ab、Ac——外钢管、内配加劲件以及管内混凝土的面积；

    Asc——特殊钢管混凝土构件的组合截面面积，即钢管和内部素混凝土截面积之和；

    Af——FRP管面积；

    As,i——第i层内钢管的面积；

    Assoi——第i层螺旋箍筋等效配筋面积；

    Assi——第i层螺旋箍筋截面面积；

    ds——外钢管厚度；

    d——保护层厚度；

    L0——抗压构件的计算长度；

    Wsc、Ws、Wc——特殊钢管混凝土构件组合截面、钢管、管内混凝土的截面模量；

    e——作用荷载的偏心距；

    isc——特殊钢管混凝土构件的组合截面回转半径；

    r0——特殊钢管混凝土构件的截面半径；

    rco、rci——管内混凝土的外半径、内半径；

    λ——保护层的导热系数；

    λsc——特殊钢管混凝土构件的组合长细比，等于构件的计算长度与组合截面的回转半径之比；

    λsc——特殊钢管混凝土构件的正则长细比；

    λTsc——高温下，特殊钢管混凝土构件的正则长细比；

    λx——特殊钢管混凝土构件绕x轴的长细比；

    λy——特殊钢管混凝土构件绕y轴的长细比；

    λox——格构式特殊钢管混凝土构件绕x轴的换算长细比；

    λoy——格构式特殊钢管混凝土构件绕y轴的换算长细比；

    λ1——格构式特殊钢管混凝土构件的单肢长细比。

2．2．4  计算系数：

    αsc——特殊钢管混凝土构件的含钢率；

    βm——等效弯矩系数；

    θ、θf、θy——特殊钢管混凝土构件的套箍系数；

    f——轴心抗压构件稳定系数；

    γRE——抗震调整系数；

    γ0——结构重要性系数；

    kTsc——高温下特殊钢管混凝土构件的强度折减系数。

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[su_accordion][su_spoiler title=”3．1 钢 管” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

3  材    料

3．1  钢    管

3．1．1  普通钢材的选用和设计参数的选取应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017和《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的有关规定。承重结构的圆钢管可采用焊接圆钢管、热轧无缝钢管。

3．1．2  高强钢管应采用低合金高强度钢和碳素结构钢。低合金高强钢管材料的选用应符合现行国家标准《低合金高强度结构钢》GB／T 1591的有关规定，碳素结构钢管材料的选用应符合现行国家标准《碳素结构钢》GB／T 700的有关规定。

3．1．3  不锈钢材料的选用应符合现行国家标准《不锈钢热轧钢板和钢带》GB／T 4237、《不锈钢冷轧钢板和钢带》GB／T 3280、《结构用不锈钢无缝钢管》GB／T 14975中的有关规定。

3．1．4  耐候钢材料的选用应符合现行国家标准《耐候结构钢》GB／T 4171的有关规定。

3．1．5  抗震设计时，特殊钢管混凝土结构的钢材应符合下列规定：

    1  钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0．85；

    2  钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20％；

    3  钢材应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。

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[su_accordion][su_spoiler title=”3．2 混 凝 土” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

3．2  混 凝  土

3．2．1  钢管内的混凝土强度等级不宜低于C30。混凝土的抗压强度和弹性模量应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010采用。

3．2．2  高强混凝土的配合比设计、施工、质量检验和验收应符合现行行业标准《高强混凝土应用技术规程》JGJ／T 281的规定。

3．2．3  轻质混凝土(含珊瑚混凝土)的配合比设计、施工、质量检验和验收应符合现行行业标准《轻骨料混凝土技术规程》JGJ 51的规定。

3．2．4  海砂混凝土的配合比设计、施工和质量检验和验收应符合现行行业标准《海砂混凝土应用技术规范》JGJ 206的规定。

3．2．5  特殊钢管混凝土构件中可采用珊瑚混凝土。

3．2．6  再生骨料混凝土的配合比设计、施工、质量检验和验收应符合现行行业标准《再生骨料应用技术规程》JGJ／T 240的规定。其他再生资源骨料混凝土可按再生骨料混凝土的有关规定执行。

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[su_accordion][su_spoiler title=”3．3 钢筋和型钢” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

3．3  钢筋和型钢

3．3．1  内配钢筋和箍筋应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的有关规定。

3．3．2  抗震设计时，钢管混凝土构件中的钢筋应符合下列规定：

    1  钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1．25；

    2  钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1．30；

    3  钢筋在最大拉力下的总伸长率实测值不应小于9％。

3．3．3  内配型钢应符合现行国家行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ 138的有关规定。

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[su_accordion][su_spoiler title=”3．4 其他材料” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

3．4  其他材料

3．4．1  纤维增强复合材料的选用应符合现行国家标准《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》GB 50608的有关规定。

3．4．2  用于特殊钢管混凝土构件的连接材料应符合现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的有关规定。

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4  基本规定

4．0．1  特殊钢管混凝土构件的外钢管径厚比、构件的容许长细比、外钢管径或外方形钢管边长及壁厚、套箍系数、空心率等要求应符合现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的有关规定。

4．0．2  对钢管混凝土圆形构件截面直径大于2m、方形构件截面边长大于1．5m，宜采用内配加劲件的钢管混凝土。为方便施工，对送变电杆塔、微波塔、风力发电塔宜采用内配钢管的钢管混凝土构件，也可采用内配型钢的钢管混凝土构件；对工业与民用建筑宜采用内配钢管的钢管混凝土构件，也可采用内配箍筋和型钢的钢管混凝土构件。

4．0．3  特殊钢管混凝土柱的钢管在浇筑混凝土前，其轴心应力不宜大于钢管抗压强度设计值的60％，并应满足稳定性要求。

4．0．4  重型工业厂房宜采用实心特殊钢管混凝土格构式柱，轻型工业厂房可采用空心特殊钢管混凝土单肢柱和格构式柱。

4．0．5  特殊钢管混凝土构件设计，应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。

4．0．6  特殊钢管混凝土构件的承载力应按下列公式验算：

    式中：γ0——结构重要性系数，对安全等级为一级的结构构件，不应小于1．1；对安全等级为二级的结构构件，不应小于1．0；

          Sd——作用组合的效应设计值；

          Rd——构件承载力设计值；

          γRE——构件承载力抗震调整系数。

4．0．7  抗震设计时，特殊钢管混凝土构件的抗震调整系数应按表4．0．7采用。

表4．0．7  承载力抗震调整系数γRE

4．0．8  特殊钢管混凝土结构进行内力和位移计算时，特殊钢管混凝土构件的截面刚度可按下列公式计算：

    式中：EA——特殊钢管混凝土柱的组合轴压刚度；

          EI——特殊钢管混凝土柱的组合抗弯刚度；

          GA——特殊钢管混凝土柱的组合剪切刚度；

          Es、Ec、Ea——外钢管、混凝土、外钢管内加劲件的弹性模量；

          Gs、Gc、Ga——外钢管、混凝土、外钢管内加劲件的剪变模量；

          As、Ac、Aa——外钢管、混凝土、外钢管内加劲件的截面面积；

          Is、Ic、Ia——外钢管、混凝土、外钢管内加劲件的截面惯性矩。

4．0．9  特殊钢管混凝土本构关系可按本规程附录A执行。

[su_accordion][su_spoiler title=”5．1 内填素混凝土的特殊钢管混凝土构件截面抗压强度设计值” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

5  截面强度设计值

5．1  内填素混凝土的特殊钢管混凝土构件截面抗压强度设计值

5．1．1  内填素混凝土的特殊钢管混凝土构件，钢管约束素混凝土截面强度抗压设计值按下列公式计算(图5．1．1)，对钢管高强混凝土构件截面强度抗压设计值也可按本规程附录B中表B．0．1确定：

    式中：fsc——特殊钢管混凝土构件钢管约束素混凝土截面抗压强度设计值(MPa)；

          B、C——钢材和混凝土等级对套箍效应的影响系数；

          θ——钢管混凝土构件的套箍系数；

          k1——截面形状对套箍效应的影响系数；对于圆形实心截面，k1取1．0；对于方形实心截面，k1取0．742；圆形空心截面，k1取0．6；方形空心截面，k1取0．3；

          αsc——含钢率；

          f——钢管的抗压强度设计值(MPa)；

          fc——混凝土的抗压强度设计值(MPa)；

          As、Ac——外钢管、管内混凝土的面积(mm2)。

5．1．2  FRP约束钢管混凝土构件截面抗压强度设计值按下列公式计算(图5．1．2)：

    式中：Af——FRP管面积(mm2)；

          θf——FRP约束钢管混凝土构件的套箍系数； 

          k0——FRP管对管内混凝土的套箍作用与钢管对混凝土套箍作用的比值；

          ff——FRP管的环向抗拉强度设计值(MPa)。

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[su_accordion][su_spoiler title=”5．2 内配加劲件的钢管混凝土构件截面强度设计值” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

5．2  内配加劲件的钢管混凝土构件截面强度设计值

5．2．1  内配约束型加劲件的钢管混凝土构件截面抗压强度由多层钢管及螺旋箍筋约束素混凝土截面抗压强度和内配非约束型纵向钢筋的轴向抗压强度组成(图5．2．1)。多层钢管和螺旋箍筋约束素混凝土截面抗压强度设计值按下列公式计算：

    式中：fsc——多层钢管和螺旋箍筋约束素混凝土截面截面抗压强度设计值(MPa)，其中内配单层螺旋箍筋和内配单层圆钢管的实心或空心钢管混凝土构件截面抗压强度设计值也可按本规程附录B表B．0．2和表B．0．3确定；

          θy——内配加劲件钢管混凝土构件的套箍系数；

          As、Ac——外钢管、管内混凝土的面积(mm2)，当配筋率小于3％时，核心混凝土面积为钢管内层面积，当配筋率大于3％时，核心混凝土面积需减去内配加劲件面积；

          k1——截面形状对套箍效应的影响系数；对于圆形钢管和螺旋箍筋产生的套箍效应，取k1＝1；对于方形钢管产生的套箍效应，取k1＝0．742；

          fyv——螺旋箍筋抗拉强度(MPa)；

          n——内配螺旋箍筋或钢管总层数；

          Assoi——第i层螺旋箍筋等效配筋面积(mm2)；

          fs,i——第i层内钢管的抗压强度设计值(MPa)；

          As,i——第i层内钢管的面积(mm2)；

          Assi——第i层螺旋箍筋截面面积(mm2)；

          ds——螺旋箍筋包围混凝土柱的直径(mm)；

          s——螺旋箍筋间距(mm)。

5．2．2  内配非约束型加劲件的钢管混凝土构件截面抗压强度由钢管约束素混凝土截面抗压强度和内配非约束型纵向钢筋及开口型钢截面的轴向抗压强度组成(图5．2．2)。钢管约束素混凝土截面抗压强度设计值按本规程公式(5．1．1-1)计算，不考虑非约束型加劲件(含方形箍筋)的套箍作用：

图5．2．2  内配非约束型加劲件的钢管混凝土构件截面示意

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[su_accordion][su_spoiler title=”6．1 特殊钢管混凝土构件在单一受力状态下承载力与刚度计算” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

6  承载力设计

6．1  特殊钢管混凝土构件在单一受力状态下承载力与刚度计算

6．1．1  特殊钢管混凝土短柱轴心受压强度承载力设计值应按下列公式计算：

    式中：N0——特殊钢管混凝土短柱轴心受压强度承载力设计值(N)；

          Asc——钢管和内部素混凝土截面积之和，不包括内配非约束加劲件纵向钢筋和开口型钢的面积(mm2)；

          fsc——特殊钢管混凝土短柱多层钢管及螺旋箍筋约束素混凝土截面的抗压强度设计值(MPa)，按本规程第5．1、5．2节规定取值；

          Nb——内配非约束加劲件轴向强度承载力设计值(N)，包括内配纵向钢筋和开口型钢的强度承载力设计值；

          Ab——内配非约束加劲件截面面积(mm2)；

          fb——内配非约束加劲件轴向抗压强度设计值(MPa)。

6．1．2  特殊钢管混凝土构件轴心受压稳定承载力设计值应按下列公式计算：

    式中：Nu——特殊钢管混凝土构件轴心受压稳定承载力设计值(N)；

          φ——轴心受压构件稳定系数；

          λsc——构件的正则长细比；

          εsc——构件的等效初始偏心率；

          K——等效初始弯曲系数。对于高强钢管混凝土构件，K取为0．25·(235／fy)0.8，fy为高强钢管抗压强度设计值；对其他构件，K取为0．25；

          λsc——构件的长细比；

          L0——构件的计算长度(mm)；

          isc——构件的回转半径(mm)；

          Esc——构件的弹性模量，按本规程第4．0．8条规定取值。

6．1．3  特殊钢管混凝土构件轴心受拉强度承载力设计值应按下列公式计算：

    式中：Nut——特殊钢管混凝土构件轴心受拉强度承载力设计值(N)；

          Ntb——内配非约束加劲件轴向抗拉强度承载力设计值(N)，包括内配纵筋、开口型钢抗拉强度承载力设计值(N)；

          f——外钢管钢材的抗拉强度设计值(MPa)；

          fs,i——内配约束加劲件钢管第i层钢管的抗拉强度设计值(MPa)；

          fbt——内配非约束加劲件的轴向抗拉强度设计值(MPa)；

          φ1——由于非全截面均匀受拉导致内配加劲件承载力修正系数，等于内配加劲件应力与外钢管应力之比，通过试验确定。

6．1．4  特殊钢管混凝土构件的受剪承载力设计值应按下式计算：

    式中：Vu——特殊钢管混凝土构件的受剪承载力设计值(N)；

          Vsc——最外层钢管约束管内素混凝土构件的受剪承载力设计值(N)，按现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的规定计算；

          Vb——外钢管内配所有加劲件(约束加劲件和非约束加劲件)的受剪承载力设计值(N)，按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017的规定计算。

6．1．5  特殊钢管混凝土构件的受扭承载力设计值应按下式计算：

    式中：Tu——特殊钢管混凝土构件的受扭承载力设计值(N·m)；

          Tsc——最外层钢管约束管内素混凝土构件的受扭承载力设计值(N·m)，按现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的规定计算；

          Tb——外钢管内配所有加劲件(约束加劲件和非约束加劲件)的受扭承载力设计值(N·m)，按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017的规定计算。

6．1．6  特殊钢管混凝土构件的受弯承载力设计值应按下式计算：

    式中：Mu——特殊钢管混凝土构件的受弯承载力设计值(N·m)；

          Msc——最外层钢管约束管内素混凝土构件受弯承载力(N·m)，按现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的规定计算；

          Mb——外钢管内配所有加劲件(约束加劲件和非约束加劲件)受弯承载力(N·m)，按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017的规定计算。

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[su_accordion][su_spoiler title=”6．2 格构式特殊钢管混凝土构件在单一受力状态下承载力计算” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

6．2  格构式特殊钢管混凝土构件在单一受力状态下承载力计算

6．2．1  格构式特殊钢管混凝土构件的轴压稳定承载力设计值应按下式计算：

    式中：Nu——格构式特殊钢管混凝土构件的轴压稳定承载力设计值(N)；

          N0——格构式特殊钢管混凝土构件中每个单肢的轴压承载力设计值(N)，按本规程第6．1．1条规定取值；

          φ——格构式特殊钢管混凝土轴心受压构件稳定系数，按现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的规定采用。

6．2．2  格构式特殊钢管混凝土构件的受剪承载力和受扭承载力设计值应按下列公式计算：

    式中：Vui——各柱肢特殊钢管混凝土构件的受剪承载力设计值(N)，按本规程第6．1．4条规定计算；

          Tui——各柱肢特殊钢管混凝土构件的受扭承载力设计值(N·m)，按本规程第6．1．5条规定计算；

          ri——各柱肢特殊钢管混凝土构件截面形心到格构式截面中心的距离(mm)。

6．2．3  格构式特殊钢管混凝土轴心受压构件单肢稳定承载力验算、缀材所受剪力设计值，按现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的规定采用。

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[su_accordion][su_spoiler title=”6．3 特殊钢管混凝土构件在复杂受力状态下承载力计算” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

6．3  特殊钢管混凝土构件在复杂受力状态下承载力计算

6．3．1  单肢特殊钢管混凝土构件在复杂应力状态下承载力应符合下列规定：

    1  承受压、弯、扭、剪共同作用时，构件的承载力应按下列公式计算：

    式中：N、M、T与V——作用于构件的轴心压力、弯矩、扭矩和剪力设计值；

          βm——等效弯矩系数，按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017的规定采用；

          N′E——系数。

    计算单层厂房框架柱时，柱的计算长度按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017的规定采用；计算高层建筑的框架柱、核心筒柱时，柱的计算长度按现行行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99的规定采用。

    2  当只有轴心压力和弯矩作用时的压弯构件，应按下列公式计算：

6．3．2  格构式特殊钢管混凝土构件承受压、受弯、受扭、受剪共同作用时，转化为每个单肢柱承受复杂受力状态下，应按本规程第6．3．1条验算承载力。

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7  防火设计

7．0．1  火灾标准升温曲线按下式计算：

    式中：t——时间(min)；

          Tf——火灾温度(℃)；

          T0——初始环境温度(℃)，取20℃。

7．0．2  高温下材料的力学特性和热工参数应符合下列规定：

    1  高温下钢管与内配加劲件的抗压强度设计值按下式计算：

    式中：f——常温下的钢管与内配加劲件强度设计值(MPa)；

          T——钢材的温度(℃)；

          e——自然对数底，e＝2．71828。

    2  高温下钢管与内配加劲件的弹性模量ETs应按下式计算：

    式中：Es——常温下钢管与内配加劲件的弹性模量；

          T——钢管与钢筋的温度。

    3  高温下混凝土的抗压强度设计值按下式计算：

    式中：fc——常温下的混凝土强度设计值；

          T——混凝土的温度。

    4  高温下混凝土弹性模量ETc按下式计算：

    式中：Ec——常温下的混凝土弹性模量；

          T——混凝土的温度。

    5  钢管与内配加劲件的热工参数取值应符合下列规定：

7．0．3  标准升温曲线下构件的温度场计算应符合下列规定：

    1  圆形截面内配圆形加劲件的钢管混凝土构件(7．0．3-1)应符合下列规定：

图7．0．3-1  内配螺旋箍筋或圆钢管的圆形钢管混凝土构件截面

    1)外钢管的温度Ts按下列公式计算：

    式中：t——时间(min)；

          Ts——外钢管的温度(℃)；

          ds——外钢管厚度(mm)。

    2)混凝土的平均温度Tc按下列公式计算：

    式中：Tc——混凝土的平均温度(℃)；

          rc——混凝土的等效外半径(mm)；

          a——空心半径(mm)；

          Lc——混凝土的等效厚度(mm)，Lc＝rc—a。

    3)内配加劲件的温度TR按下列公式计算：

    式中：TR——内配加劲件的温度(℃)；

          LR——内配加劲件保护层厚度(mm)。

    4)内钢管的温度Tss按下列公式计算：

    式中：Tss——内钢管的温度(℃)；

          Lss——夹芯层混凝土厚度(mm)；

          dss——内钢管厚度(mm)。

    2  其他截面钢管混凝土构件应符合下列规定(图7．0．3-2)：

图7．0．3-2  其他截面钢管混凝土构件截面

    方形钢管混凝土截面内配方形箍筋和方形钢管温度场计算，可按面积相等等效为不同外径的圆形截面，采用本规程第7．0．3条第1款的方法计算；对其他内配开口非约束加劲件钢管混凝土构件温度场计算，需要通过传热计算得到。

7．0．4  标准火灾升温曲线下构件的抗压强度承载力设计值应符合下列规定：

    1  火灾下构件的抗压强度承载力设计值按下式计算：

    式中：N0——常温下特殊钢管混凝土构件的抗压强度设计值，按本规程第6．1．1条计算；

          kTsc——t时刻高温下的强度折减系数；

          As、Ab、Ac——外钢管、内配加劲件以及管内混凝土的面积；

          fT 、fTb——t时刻高温下外钢管与内配加劲件的截面抗压强度设计值，按本规程第7．0．2条计算，其中温度按本规程的7．0．3条计算；

          fTc——t时刻高温下混凝土的平均截面抗压强度设计值。对圆形钢管混凝土内素混凝土，其平均截面抗压强度设计值按式(7．0．4-3)计算，对其它情况，按面积相等等效为不同外径的圆形截面后按式(7．0．4-3)计算；

          Tc——混凝土的平均温度，按本规程第7．0．3条计算。

    2  火灾下构件的稳定承载力设计值按下列公式计算：

    式中：NTu——t时刻特殊钢管混凝土构件的稳定承载力；

          NT0——t时刻特殊钢管混凝土构件的强度承载力；

          φT——t时刻特殊钢管混凝土构件高温下的稳定系数；

          λTsc——t时刻高温下的正则长细比；

          λsc——构件的长细比；

          Asc——钢管和内部素混凝土截面积之和，不包括内配非约束加劲件纵向钢筋、开口型钢的面积(mm2)；

          ETsc——t时刻特殊钢管混凝土构件的弹性模量；

          ETs、ETb——t时刻高温下钢管与内配加劲件的弹性模量，按本规程公式(7．0．2-2)计算，其中温度按本规程第7．0．3条计算；

          ETc——t时刻高温下混凝土的平均弹性模量；

          Tc——混凝土的平均温度，按本规程第7．0．3条计算。

7．0．5  火灾下构件防火设计应符合下列规定：

    1  火灾下构件的承载力应满足下式要求：

    式中：NT——火灾下作用于构件的压力设计值；

          NTu——火灾下构件的稳定承载力设计值，按本规程公式(7．0．4-4)计算。

    2  火灾下构件耐火时间的计算应符合下列规定：

    当已知构件火灾下的外荷载NT，令NT＝NTu；当已知构件火灾下的荷载比nf，令NT＝nfNu，Nu按本规程公式(6．1．2-1)计算。采用迭代或试算法，可以得到没有保护层时构件的耐火时间。

     对于内填素混凝土的特殊钢管混凝土构件，也可按现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的有关规定选取；对于内配单层钢筋和单层钢管的特殊钢管混凝土构件，也可按本规程附录C第C．0．1、C．0．4和C．0．7条中的表格选取。

    3  构件保护层厚度应按下列公式计算

    式中：d——保护层厚度(mm)；

          λ——保护层的导热系数[W／(m℃)]；

          tsc——没有保护层时，构件的耐火时间(min)；

          te——涂保护层后希望达到的耐火时间(min)。

    对于内填素混凝土的特殊钢管混凝土构件，也可按现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936中的有关规定选取；对于内配单层钢筋和单层钢管的特殊钢管混凝土构件，也可按本规程附录C第C．0．2、C．0．3、C．0．5、C．0．6、C．0．8和C．0．9条中的表格选取。

7．0．6  每个楼层的柱钢管壁均应设置直径不小于12mm的排气孔，其位置宜位于柱与楼板相交位置上方及下方100mm处，并沿柱身反对称布设。

附录A  特殊钢管混凝土本构关系

A．0．1  静力下本构关系应符合下列规定：

    1  普通混凝土本构关系按《混凝土结构设计规范》GB 50010的规定执行。

    2  高强混凝土本构关系(图A．0．1-1)应按下列公式计算：

图A．0．1-2  珊瑚混凝土本构模型

A．0．2  火灾下本构关系应符合下列规定：

    1  钢材、普通及高强混凝土本构关系按现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的规定执行。

    2  轻骨料混凝土的热工参数应符合下列规定：

    式中：Ec——常温下的混凝土弹性模量；

          T——混凝土的温度。

A．0．3  钢材纤维本构模型可采用Menegotto-Pinto边界面模型(图A．0．3-1)，可考虑钢材等向强化，同时可考虑滞回加载过程中的包辛格效应。

    1  滞回过程中的应力应变关系应符合下列公式要求：

    式中：ξ——本次曲线转折点和上次曲线的最受压(或受拉)点的水平距离。

图A．0．3-1  钢材单轴滞回本构模型

    2  强化准则：

    当强化准则为受压等向强化准则时，应符合下列公式要求：

    式中：fstc——受压屈服应力；

          kc——受压屈服应力修正系数；

          εmax——历史最大应变值；

          εmin——历史最小应变值。

    当强化准则为受拉等向强化准则时，应符合下列公式要求：

    式中：fstt——受拉屈服应力；

          kt——受拉屈服应力修正系数。

A．0．4  混凝土纤维本构模型可采用修正的Kent-Park模型。

图A．0．3-2   混凝土纤维梁单元单轴滞回本构模型

    本构模型包络曲线公式应按下列公式计算：

附录B  特殊钢管混凝土构件抗压强度设计值

B．0．1  圆形钢管高强混凝土构件的抗压强度设计值应按表B．0．1取值。

表B．0．1  钢管高强混凝土抗压强度设计值

    注：第一二三组钢材均取同一值。

B．0．2  内配单层螺旋箍筋的实心圆形钢管混凝土构件截面抗压强度设计值应按表B．0．2-1至表B．0．2-6取值。

表B．0．2-1  配箍率ρv为0．4％时，配箍钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

表B．0．2-2  配箍率ρv为0．8％时，配箍钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

表B．0．2-3  配箍率ρv为1．5％时，配箍钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

表B．0．2-4  配箍率ρv为2．5％时，配箍钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

表B．0．2-5  配箍率ρv为3．5％时，配箍钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

表B．0．2-6  配箍率ρv为5％时，配箍钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

B．0．3  内配单层圆钢管的实心或空心圆形钢管混凝土构件的抗压强度设计值应按表B．0．3-1～表B．0．3-5取值。

表B．0．3-1  内管含钢率α2为0．04时，实心或空心配管钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

表B．0．3-2  内管含钢率α2为0．05时，实心或空心配管钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

表B．0．3-3  内管含钢率α2为0．06时，实心或空心配管钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

表B．0．3-4  内管含钢率α2为0．08时，实心或空心配管钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

表B．0．3-5  内管含钢率α2为0．1时，实心或空心配管钢管混凝土抗压强度设计值fsc(N／mm2)

附录C  特殊钢管混凝土构件耐火时间及防火保护厚度

C．0．1  钢管外壁没有保护层涂料时，内配单层螺旋箍筋圆形钢管混凝土构件的耐火时间可按表C．0．1-1和表C．0．1-2取值。

表C．0．1-1  不同荷载比下构件的耐火时间t(min)(钢筋保护层厚度30mm)

    注：1  荷载比为荷载设计值与构件承载力设计值的比值；

        2  钢筋保护层指钢管内表面和钢筋外表面之间的距离。

表C．0．1-2  不同荷载比下构件的耐火时间t(min)(钢筋保护层厚度50mm)

    注：1  荷载比为荷载设计值与构件承载力设计值的比值；

        2  钢筋保护层指钢管内表面和钢筋外表面之间的距离。

C．0．2  当防火材料为非膨胀型涂料时，内配单层螺旋箍筋圆形钢管混凝土构件保护层厚度可按表C．0．2-1～表C．0．2-4取值。

表C．0．2-1  耐火等级为2．5h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(钢筋保护层厚度30mm)

    注：1   保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．2-2  耐火等级为3h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(钢筋保护层厚度30mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．2-3  耐火等级为2．5h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(钢筋保护层厚度50mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．2-4  耐火等级为3h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(钢筋保护层厚度50mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

C．0．3  当保护层为水泥砂浆时，内配单层螺旋箍筋圆形钢管混凝土构件保护层厚度可按按表C．0．3-1～表C．0．3-4取值。

表C．0．3-1  耐火等级为2．5h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(钢筋保护层厚度30mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．3-2  耐火等级为2．5h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(钢筋保护层厚度50mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．3-3  耐火等级为3h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(钢筋保护层厚度30mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．3-4  耐火等级为3h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(钢筋保护层厚度50mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

C．0．4  钢管外壁没有保护层涂料时，内配单层圆钢管的实心圆形钢管混凝土构件的耐火时间可按表C．0．4-1和表C．0．4-2取值。

表C．0．4-1  不同荷载比下构件的耐火时间t(min)(夹芯层混凝土厚度150mm)

    注：1  荷载比为荷载设计值与构件承载力设计值的比值；

        2  夹芯层混凝土厚度指外钢管内表面和内钢管外表面之间的距离。

表C．0．4-2  不同荷载比下构件的耐火时间t(min)(夹芯层混凝土厚度200mm)

    注：1  荷载比为荷载设计值与构件承载力设计值的比值；

        2  夹芯层混凝土厚度指外钢管内表面和内钢管外表面之间的距离。

C．0．5  当防火材料为非膨胀型涂料时，内配单层圆钢管的实心圆形钢管混凝土构件保护层厚度可按表C．0．5-1～表C．0．5-4取值。

表C．0．5-1  耐火等级为2．5h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度150mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W／(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．5-2  耐火等级为3h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度150mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W／(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．5-3  耐火等级为2．5h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度200mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W／(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．5-4  耐火等级为3h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度200mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W／(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

C．0．6  当保护层为水泥砂浆时，内配单层圆钢管的实心圆形钢管混凝土构件保护层厚度可按表C．0．6-1～表C．0．6-4取值。

表C．0．6-1  耐火等级为2．5h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度150mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．6-2  耐火等级为2．5h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度200mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．6-3  耐火等级为3h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度150mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．6-4  耐火等级为3h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度200mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

C．0．7  钢管外壁没有保护层涂料时，内配单层圆钢管的空心圆形钢管混凝土构件的耐火时间可按表C．0．7-1和表C．0．7-2取值。

表C．0．7-1  不同荷载比下构件的耐火时间t(min)(夹芯层混凝土厚度150mm)

    注：1  荷载比为荷载设计值与构件承载力设计值的比值；

        2  夹芯层混凝土厚度指外钢管内表面和内钢管外表面之间的距离。

表C．0．7-2  不同荷载比下构件的耐火时间t(min)(夹芯层混凝土厚度200mm)

    注：1  荷载比为荷载设计值与构件承载力设计值的比值；

        2  夹芯层混凝土厚度指外钢管内表面和内钢管外表面之间的距离。

C．0．8  当防火材料为非膨胀型涂料时，内配单层圆钢管的空心圆形钢管混凝土构件保护层厚度可按表C．0．8-1～表C．0．8-4取值。

表C．0．8-1  耐火等级为2．5h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度150mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．8-2  耐火等级为3h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度150mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．8-3  耐火等级为2．5h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度200mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．8-4  耐火等级为3h时非膨胀型防火涂料厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度200mm)

    注：1  保护层导热系数常温下满足λ≤0．116W(m·℃)；

        2  如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

C．0．9  当保护层为水泥砂浆时，内配单层圆钢管的空心圆形钢管混凝土构件保护层厚度可按表C．0．9-1～表C．0．9-4取值。

表C．0．9-1  耐火等级为2．5h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度150mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．9-2  耐火等级为2．5h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度200mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．9-3  耐火等级为3h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度150mm)

注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

表C．0．9-4  耐火等级为3h时水泥砂浆保护层厚度d(mm)(夹芯层混凝土厚度200mm)

    注：如果保护层厚度小于设计、施工或成品要求的最小厚度，按后者取值。

本规程用词说明

1  为便于在执行本规程条文时区别对待，对要求严格程度不同的用词说明如下：

    1)表示很严格，非这样做不可的：

      正面词采用“必须”，反面词采用“严禁”；

    2)表示严格，在正常情况下均应这样做的：

      正面词采用“应”，反面词采用“不应”或“不得”；

    3)表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的：

      正面词采用“宜”，反面词采用“不宜”；

    4)表示有选择，在一定条件下可以这样做的，采用“可”。

2  条文中指明应按其他有关标准执行的写法为：“应符合……的规定”或“应按……执行”。

引用标准名录

    《混凝土结构设计规范》GB 50010

    《钢结构设计规范》GB 50017

    《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》GB 50608

    《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936

    《碳素结构钢》GB／T 700

    《低合金高强度结构钢》GB／T 1591

    《不锈钢冷轧钢板和钢带》GB／T 3280

    《耐候结构钢》GB／T 4171

    《不锈钢热轧钢板和钢带》GB／T 4237

    《结构用不锈钢无缝钢管》GB／T 14975

    《轻骨料混凝土技术规程》JGJ 51

    《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99

    《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ 138

    《海砂混凝土应用技术规范》JGJ 206

    《高强混凝土应用技术规程》JGJ／T 281

    《57H再生骨料应用技术规程》JGJ／T 240

中国工程建设协会标准

特殊钢管混凝土构件设计规程

CECS 408：2015

条文说明

1  总    则

1．0．1  钢管混凝土结构在我国得到广泛应用，并于2014年颁布了国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936，主要针对各种形状的钢管内配普通素混凝土的截面形式。

    随着社会的进步和时代的发展，钢管混凝土结构在实际工程中的应用发挥得越来越大的作用，不仅显示出越来越多的的优点，而且不断出现新的结构形式。随着超高层建筑和风电塔越来越高，钢管混凝土截面巨大，一方面钢管壁厚给焊接带来困难，另一方面管内混凝土过多、徐变大、套箍效应差，因此大量采用钢管内配加劲件的结构形式。近年来国家分别颁布相关政策，鼓励对节能环保绿色材料的使用，引导高性能钢材、高性能混凝土使用和废弃物资源化利用。这些都是现有国家和其他标准没有的内容。

    本规程中的很多参数，如材料和连接的强度等，都引用了国家现行有关标准的规定，主要参考的是现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的规定，为响应国家政策，适应工程实际的需要，编制了本规程。

[su_accordion][su_spoiler title=”3．1 钢 管” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

3  材    料

3．1  钢    管

3．1．2  高强钢管混凝土结构由于采用高强度钢材可以有效地减小构件的尺寸和结构的重量，从而减少因焊接和防腐、防火涂层而产生的工作量和费用，降低了成本。

3．1．3  不锈钢是指在腐蚀介质如大气、水、酸、碱和盐等溶液中具有一定化学稳定性的钢材的总称。它是在碳素钢中添加一定量的铬元素冶炼制成。不锈钢中所含有的铬元素的比例直接决定了它的耐腐蚀性能，铬元素不小于12％是国内对不锈钢耐锈耐腐蚀性的基本要求。不锈钢按其金相组织的不同划分，可分为五类：铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、双向体型不锈钢、马氏体型不锈钢和沉淀硬化型不锈钢五类。其中奥氏体不锈钢在土木工程中应用最多，其原因是塑性极好、有足够的强度同时硬度也不很高，并且耐腐蚀性好、维护方便和造型美观。目前，我国关于不锈钢的设计规范都只是对材料的化学成分和构件的加工制作进行了规定。

3．1．4  耐候钢是指通过添加少量的合金元素使其在金属基体表面上形成保护层，以提高耐大气腐蚀性能的钢。耐候钢可制作热轧和冷轧的钢板、钢带和型钢。

3．1．5  本条参照现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的相关规定。

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[su_accordion][su_spoiler title=”3．2 混 凝 土” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

3．2  混 凝 土

3．2．1  本条参照现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的相关规定。

3．2．2  高强混凝土的原材料主要是水泥、粗细骨料、水、各种化学外加剂和矿物掺合料。这些原材料的各项技术性能及要求都应满足国家现行有关标准的要求。

3．2．3  轻骨料混凝土的原材料主要是水泥、轻粗、细骨料、普通砂、水以及各种化学外加剂和掺合料。这些原材料的各项技术性能及要求都应满足国家现行有关标准的要求。

3．2．4  本条参照现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的相关规定。

3．2．5  珊瑚混凝土以其原材料易获得，早期强度高，施工方便等优势成为海岛工程建设首选。由于珊瑚表面孔隙多且颗粒不规则，所以珊瑚混凝土中的粗、细骨料既不同于普通混凝土中的石、砂骨料，也不同于轻骨料混凝土中的陶粒、浮石等骨料，但珊瑚混凝土与普通混凝土和轻骨料混凝土一样，强度随着水泥用量的增加而增加；随着拌和用水量的减少而降低。珊瑚混凝土的原材料主要是水泥、珊瑚粗细骨料、海水、各种化学外加剂和掺合料。这些原材料的各项技术性能及要求都应满足国家现行有关标准的要求。

3．2．6  本条参照现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的相关规定。其他再生资源骨料混凝土指玻璃、橡胶、工业灰渣等废弃物骨料混凝土。

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[su_accordion][su_spoiler title=”3．3 钢筋和型钢” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

3．3  钢筋和型钢

3．3．1、3．3．2  配筋钢管混凝土中所用的钢筋，其取值依据现行国家标准《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》GB 1499．2规定的钢筋抗震性能指标提出，凡钢筋产品标准中带E编号的钢筋，均属于符合抗震性能指标。本条的规定，是正规建筑用钢生产厂家的热轧钢筋均能达到的性能指标。从发展趋势考虑，不再推荐箍筋采用HPB235级钢筋。

3．3．3  型钢混凝土构件的型钢材料宜采用牌号Q235-B、Q235-C、Q235-D的碳素结构钢，以及牌号Q345-B、Q345-C、Q345-D、Q345-E的低合金高强度结构钢，其质量标准应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》GB 700和《低合金高强度结构钢》GB／T 1591的规定。

    型钢可采用焊接型钢和轧制型钢。型钢钢材应根据结构特点选择其牌号和材质，并应保证抗拉强度、伸长率、屈服点、冷弯试验、冲击韧性合格和硫、磷、碳含量符合使用要求。型钢焊缝和坡口尺寸应符合现行国家标准《钢结构焊接规范》GB 50661的有关规定。当焊接型钢的钢板厚度大于或等于50mm，并承受沿板厚方向的拉力作用时，应按现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB／T 5313的规定，其附加板厚方向的断面收缩率不得小于该标准Z15级规定的允许值。考虑地震作用的结构用钢，其强屈比不应小于1．2，且应有明显的屈服台阶和良好的可焊性。

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[su_accordion][su_spoiler title=”3．4 其他材料” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

3．4  其他材料

3．4．1  纤维增强塑料(FRP)根据纤维丝的不同主要分为碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、芳纶纤维(AFRP)、玄武岩纤维(BFRP)，综合考虑材料的经济性和力学性能，本规程所指的FRP主要针对玻璃纤维增强塑料GFRP。FRP轻质高强、耐腐蚀性好、可设计性强、介电性能好，成为建筑行业的新兴材料。

    FRP管的加工方式主要有纤维缠绕法及拉挤成型法，本规程主要介绍纤维缠绕法生产的FRP管材。湿缠绕法生产FRP缠绕钢管的工艺为：将钢管作为缠绕FRP的芯膜，经除尘处理后直接在钢管上缠绕浸胶的纤维丝，固化成型后不脱模直接切割而成。

    FRP管的受拉性能主要有两类测试方法：一是平板拉伸试验，该方法需另行加工同体积率的FRP标准拉伸试件，测量方法可按现行国家标准《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》GB／T 1447执行；二是分离盘试验，该方法直接在已加工成型的FRP管上截取一圆环作为拉伸试件，其测量方法可按现行国家标准《纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能试验方法》GB／T 1458执行。

    FRP钢管混凝土柱是指在预置的外缠FRP的钢管内填充混凝土的结构形式，其优越性主要体现在以下几个方面：①FRP具有优异的抗拉性能，FRP和钢管共同为管内混凝土提供了约束作用；②FRP耐腐蚀性好，将FRP材料缠于钢材外壁提高了构件的耐腐蚀性；③FRP是高强度脆性材料，钢管与FRP的共同使用保证了构件具有高强度的同时也具备一定的延性。

    FRP钢管混凝土组合柱承受轴压荷载时，FRP的套箍作用在内部钢管混凝土产生较大的横向膨胀变形时开始发挥，此时组合柱所受荷载接近钢管混凝土柱的极限荷载，钢材已进入流塑性阶段且核心混凝土发生损伤，组合柱的侧向刚度大大降低。故在地震区使用FRP钢管混凝土组合柱时，为保证其抗弯刚度，需控制使用荷载处于钢管混凝土极限承载力内。

3．4．2  根据现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017和《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205确定。10．9级螺栓热镀锌后，使用中常出现裂缝，故不宜采用。

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4  基本规定

4．0．1～4．0．8  条文参照了现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的相关规定。

[su_accordion][su_spoiler title=”5．1 内填素混凝土的特殊钢管混凝土构件截面抗压强度设计值” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

5  截面强度设计值

5．1  内填素混凝土的特殊钢管混凝土构件截面抗压强度设计值

5．1．1  本条参照现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的相关规定，采用“钢管混凝土统一理论”中的统一设计原则的思想。

    考虑截面形状对套箍效应的影响，引入了影响系数k1，对应的公式见规程中公式(5．1．1-4)。对于实心圆形截面，k1取1．0；对于实心方形截面，取k1＝0．742。

    对于空心截面，由于空心构件中的混凝土较少，钢管对混凝土的套箍作用效应就较小，经分析并经实验验证，对圆形取0．6，对方形取0．3。计算实心构件时，套箍系数中的含钢率用实心构件的，计算空心构件时，用空心的。

    当采用再生骨料配置混凝土时，应采取措施减少混凝土的收缩量。

    国内外学者对氯离子对钢筋混凝土的腐蚀作用已经做了很多研究，但应用海砂时的腐蚀情况依然严峻，而利用淡水处理等方法为海砂脱盐又非常浪费资源。随着河砂资源的日益匮乏，应用海砂已经成为一种趋势，可保护环境，节约资源。实心钢管混凝土构件全封闭时，氯离子对钢筋混凝土的腐蚀很小，可不经处理或不需到达重量比的要求直接应用海砂混凝土。

    试验表明，对于钢管内配各种混凝土短柱在轴压下的破坏过程几乎和钢管普通混凝土的破坏过程一样，钢管对各种混凝土的套箍作用的差别不大。因此，对于钢管内配各种素混凝土，不管什么种类的混凝土，只要混凝土强度一致，其构件截面抗压强度设计值可采用本规程公式(5．1．1-1)的公式统一计算。

5．1．2  FRP约束钢管混凝土构件截面抗压强度设计值应符合下列规定：

    本规程所采用的FRP钢管混凝土柱轴压承载力设计公式，沿用“钢管混凝土统一理论”中的统一设计公式形式，通过修正套箍系数的方法考虑FRP和钢管对管内混凝土的共同约束作用。根据轴压试验结果，钢管在接近屈服时FRP的套箍作用开始发挥，直至纤维丝被拉断丧失环向约束效果，可认为组合柱在轴压极限状态下FRP和钢管可发挥全部套箍作用。FRP钢管混凝土构件的组合套箍系数可表示为，公式化简后按规程中公式(5．1．2-2)计算。

图1  FRP钢管混凝土柱轴压强度理论公式与试验结果的对比

    FRP钢管混凝土柱轴压强度计算公式与国内外相关试验结果(共29根FRP钢管混凝土柱)的对比如图1所示，二者比值均值为0．974，方差为0．020，通过与试验数据的对比说明了公式的合理性。

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[su_accordion][su_spoiler title=”5．2 内配加劲件的钢管混凝土构件截面强度设计值” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

5．2  内配加劲件的钢管混凝土构件截面强度设计值

5．2．1  内配约束型加劲件的钢管混凝土构件中，截面形式为圆形和方形。约束型加劲件可以是螺旋箍筋，也可以是钢管。

    如图2所示，对于，n层配箍的钢管混凝土构件，各层箍筋对混凝土的作用是叠加的，由外而内，混凝土所受箍筋的套箍效应逐渐增大。设第i层箍筋的套箍系数为θi，第i层箍筋的等效配筋面积为Assoi，配箍率为ρvi，fyv为箍筋抗拉强度，则有：

图2  配筋钢管混凝土截面示意

    在多层内配箍筋钢管混凝土中，各层箍筋对混凝土的作用是叠加的，因此其抗压强度递增。

    对于考虑n层内配箍筋的钢管混凝土构件，箍筋提供的等效套箍系数θ*按下式进行计算：

    式中：θ*——内配螺旋箍筋的钢管混凝土构件的套箍系数；

          k1——截面形状对套箍效应的影响系数；对于圆形外钢管和箍筋产生的套箍效应，k1取1；对于方形外钢管产生的套箍效应，k1取0．742。

    计算内配钢管的钢管混凝土时，对于n层配管的钢管混凝土构件，各层钢管对混凝土的作用是叠加的，由外而内，混凝土所受钢筋的套箍效应逐渐增大。除了要考虑本层钢管的套箍效应外，还应考虑其外层钢管的套箍效应，如图3所示。每层钢管提供的套箍系数θi按下式进行计算：

    式中：f——最外层钢管的抗压强度设计值(MPa)；

          fc——混凝土的抗压强度设计值(MPa)；

          fs,i——第i层钢管的抗压强度设计值(MPa)；

          As,i——第i层钢管的面积(mm2)；

          Ac——混凝土的截面总面积(mm2)；

          n——配管钢管混凝土构件从外至内钢管总层数。

图3  多层内配钢管的钢管混凝土简图

    对内配多层钢管的钢管混凝土构件，多层钢管对混凝土的作用是叠加的，计算公式同内配多层钢管的钢管混凝土构件。

图4  配筋与实心和空心配管钢管混凝土柱轴压承载力理论公式与试验结果的对比

    计算公式与相关试验结果(共117根特殊钢管混凝土柱，其中单层配筋钢管混凝土柱28根，实心单层配管钢管混凝土柱30根，空心单层配管钢管混凝土柱59根)的对比如图4所示，二者比值均值为0．942，方差为0．008，通过与试验数据的对比说明了公式的合理性。

5．2．2  对于内配非约束型加劲件的钢管混凝土构件(内配纵向钢筋和开口型钢的钢管混凝土构件)，只考虑钢管对混凝土的套箍效应，不考虑非约束型加劲件(含方形箍筋)的套箍效应。当计算它们的轴压承载力时，按内填素混凝土的特殊钢管混凝土构件轴压承载力直接叠加非约束型加劲件纵向钢筋及开口型钢提供的轴压承载力计算。

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[su_accordion][su_spoiler title=”6．1 特殊钢管混凝土构件在单一受力状态下承载力与刚度计算” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

6  承载力设计

6．1  特殊钢管混凝土构件在单一受力状态下承载力与刚度计算

6．1．1  特殊钢管混凝土短柱轴心受压强度承载力设计值按钢管约束素混凝土轴向强度承载力叠加内配非约束加劲件(纵向钢筋和开口型钢)轴向强度承载力设计值。钢管约束素混凝土轴向强度承载力考虑外钢管和内配约束加劲件(内配钢管和螺旋箍筋)对混凝土套箍效应。

6．1．2  特殊钢管混凝土构件轴心受压稳定承载力计算参考了现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的相关要求。

    (1)对于不锈钢管混凝土构件。

    不锈钢的生产工艺是通过轧制成型的，属于《钢结构设计规范》GB 50017中的a类截面，但考虑不锈钢没有明显的屈服点，有明显的非线性，对初始缺陷有影响，仍取其为b类截面，取K＝0．25。

    (2)对于高强钢管混凝土构件。

    对于高强钢管混凝土柱轴压稳定承载力计算，对于相同长度和截面的钢柱，在达到整体稳定极限承载力时，高强度钢材的极限应力与屈服强度的比值要比普通强度的钢材高很多。这主要是因为，随着钢材强度的提高，对钢柱承载力的影响，稳定性比强度作用更加重要，而影响钢柱整体稳定系数的，是残余应力与钢材屈服强度的比值而非残余应力的数值大小自身。对于高强度钢柱而言，残余应力与钢材屈服强度的比值要比普通钢材钢柱小很多，稳定性比普通钢材钢柱高，承载力也比普通钢材钢柱高。因此提高高强钢材钢柱整体稳定系数是高强钢材设计的一个重要目标，对于高强度钢材钢柱，采用比普通钢材钢柱高的整体稳定系数，这样能够提高其整体稳定承载力，更加充分地发挥高强度钢材钢柱的强度优势。随着钢材强度等级的提高，其初始缺陷对稳定性的影响发生变化，考虑到钢材强度提高对轴心受压钢柱整体稳定承载力的有利影响，在计算其整体稳定承载力时，对钢柱的缺陷系数进行折减，采用下式计算：

6．1．3  特殊钢管混凝土构件的轴心受拉强度承载力设计值由钢管及钢管内配加劲件共同承担，管内混凝土将开裂，不承受拉力作用。

    外钢管和内配约束加劲件受拉力作用而伸长时，径向将收缩；但却受到管内混凝土的阻碍，而成为纵向受拉而环向也受拉的双向拉应力状态，其受拉强度将提高。提高值和所受来自混凝土的阻力大小有关，本条参照现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的相关规定，轴心受拉强度提高10％。

    内配非约束加劲件，轴心受拉强度不考虑提高。

    对格构式塔架，由于水平荷载通过缀材传给外钢管，然后通过内外之间连接传给内配加劲件，导致特殊钢管混凝土构件截面非全截面均匀受拉，需要考虑非全截面均匀受拉修正系数φ1，φ1＝，大小在0～1中间，同内外构件间的连接有关，通过试验确定。

6．1．4～6．1．6  特殊钢管混凝土构件的受剪、受扭、受弯承载力设计值，根据叠加原理，由最外层钢管约束管内素混凝土构件的承载力设计值叠加外钢管内配加劲件的承载力设计值，二者都可以根据现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936和《钢结构设计规范》GB 50017的规定计算得到。

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[su_accordion][su_spoiler title=”6．2 格构式特殊钢管混凝土构件在单一受力状态下承载力计算” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

6．2  格构式特殊钢管混凝土构件在单一受力状态下承载力计算

6．2．1、6．2．2  条文根据现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的规定确定。

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[su_accordion][su_spoiler title=”6．3 特殊钢管混凝土构件在复杂受力状态下承载力计算” open=”no” style=”default” icon=”plus” anchor=”” anchor_in_url=”no” class=””]

6．3  特殊钢管混凝土构件在复杂受力状态下承载力计算

6．3．1  本条规定是根据现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936确定的。其中，相当于欧拉临界力NE除以抗力分项系数的平均值1．1，NE值可按下式计算：

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7  防火设计

7．0．1～7．0．6  条文参考了现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936的相关规定。

    忽略静载和火灾下的钢管和箍筋的套箍作用，则火灾下的组合强度等于强度折减系数乘上常温下的组合强度，即：

    式中：fTsc——特殊钢管混凝土构件火灾下截面抗压强度设计值(MPa)。

附录A  特殊钢管混凝土本构关系

A．0．1、A．0．2  A．0．1中高强混凝土本构关系按Mansur等人试验研究推荐的本构方程，该方程由Carreira和Chu提出。轻质混凝土的本构同普通混凝土，只是其中一些关键点的取值不同。其高温下的弹性模量根据Schneider(1986)的公式。

A．0．3、A．0．4  资料来源：查晓雄《空心和实心钢管混凝土结构》，科学出版社，2011年。

    对于钢材纤维本构模型，当采用Menegotto-Pinto边界面模型时，需要定义的参数有11个：屈服强度fc；初始弹性模型E0；强化比例系数b＝Et／E0；初始弹塑性转化控制参数R0；弹塑性转化控制参数R计算公式中的系数a1和a2；受压强化系数A1，A2；受拉强化系数A3，A4，初始应力ε0，并且要求受拉为正，受压为负。当曲线有压转向为拉时，为历史最大受拉点，当曲线受拉转向为受压时，为历史最大受压点，初始最大受压点和受拉点位对应屈服点。

    对于混凝土纤维本构模型，当采用修正的Kent-Park模型时，需要定义的参数有7个：受压峰值坐标：(ε0，fc)，受压压缩处坐标：(εu，fu)，压碎处弹性模拟的损失系数：α。受拉极限：ft，受拉软化阶段模量：Et，同时要求受拉为正，受压为负。其中滞回过程规则规定如下：

    受拉区：线性回到原点；

    受压区：再次加载曲线3为过点R，斜率为E的直线，其中，R为过原点斜率为E0直线和过压碎点斜率为αE0直线的交点。斜率E根据包络线上点(σc，ε)和R点来确定。

    卸载曲线1为过点(σc，ε)斜率为E0的直线，曲线2为过曲线1和x轴交点，斜率为E／2的直线。

    考虑约束效应的实心，多截面钢管混凝土中的约束混凝土本构参数汇总如下：

附录C  特殊钢管混凝土构件耐火时间及防火保护厚度

C．0．1～C．0．9  条文参考了现行国家标准《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936相关规定。

    在计算组合强度时不考虑各种套箍作用，最终火灾下的承载力折减系数可以表示为：

    其中，常温和高温下的稳定系数公式中对应的组合强度也不考虑套箍作用。根据上式可知：

    当承载力折减系数ksc等于荷载比nf时，此时对应的时间即为构件的耐火时间，通过对承载力折减系数的分析发现：

    (1)柱高在1m～5m范围内，高度对承载力折减系数的影响较小，在此都按4m来计算；

    (2)其他条件相同时，钢材的强度提高会提高构件的耐火性能，反之，混凝土的强度提高会减低构件的耐火性能；偏于安全，简化计算中取钢管为Q420，钢筋为HRB400，混凝土为C30；配筋率为钢筋的截面面积除以钢筋混凝土的截面面积；配钢率为内钢管的截面面积与混凝土截面面积的比值；

    (3)对于配筋钢管混凝土，应考虑外径、外管厚度、配筋率、保护层厚度和荷载比，其对构件的承载力折减影响非常明显；对于配管钢管混凝土，应考虑外径、外管厚度、配钢率、夹芯层混凝土厚度和荷载比对构件的承载力折减影响非常明显。

    为了方便设计，基于上面的分析和假定，通过迭代插值得到不同外径、不同外管厚度、配筋率、配钢率、保护层厚度、夹芯层混凝土厚度和荷载比下的构件耐火时间取值表，具体见条文表C．0．1、表C．0．4和表C．0．7。