不同截面鋼管混凝土結構承載力分析

摘 要：本文對不同截面鋼管混凝土受力特點進行分析和比較，重點分析圓形、方形及多邊形鋼管混凝土柱受力特點。根據工程中不同截面鋼管混凝土承載力公式不同，本文對部分理論公式進行簡化，提出不同鋼管混凝土截面承載力統一公式，公式計算結果與實驗值符合良好。

關鍵詞：截面不同 鋼管混凝土 角點 承載力

中圖分類號：TU7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0062-01

本文對目前鋼管混凝土結構常用的截面形式受力特點進行介紹，并對不同鋼管混凝土極限承載力進行分析，以供工程實踐參考。

1 常用截面特點

1.1 圓形截面

圓形鋼管混凝土是目前研究最為充分的截面形式且在工程中應用也最為廣泛。對于圓形鋼管混凝土柱，混凝土受到鋼管對其均勻約束作用。圓形鋼管混凝土承載力及變形能力均優于其他截面形式鋼管混凝土構件。由于圓形鋼管對于混凝土約束效果比較好，所以圓形鋼管混凝土構件主要用于軸壓及小偏心受壓構件。對于大偏心受壓構件來說，由于受拉側鋼管不能對混凝土約束，因此混凝土三向受壓性能不能得到發揮。

1.2 方形截面

方形鋼管混凝土構件在結構中應用也很廣泛，但是方形鋼管對于混凝土的約束不如圓形鋼管的約束效果好，方形鋼管混凝土的承載力明顯低于圓形鋼管混凝土。研究表明，方形鋼管對于內部混凝土的約束可以分為兩個部分：有效約束區和非有效約束區，二者的界限為一拋物線，有效約束區的混凝土極限抗壓強度是高于非有效約束區，非有效約束區的混凝土所受到側向約束是不均勻的。

1.3 八邊形截面

采用圓形鋼管混凝土時，在節點區域將會消耗大量的鋼材同時給施工帶來很大的困難，影響結構的整體經濟效益。對于方形鋼管混凝土柱，由于外鋼管的四個角部分應力集中比較嚴重，易出現薄弱區域，特別對于抗震不利。同時當構件截面的鋼管的寬厚比很大時，則要考慮鋼管局部屈曲。采用八邊形鋼管混凝土結構不僅可以緩解方形鋼管混凝土四角應力集中問題及局部屈曲，同時可以兼顧到圓形鋼管的約束效果。八邊形鋼管對于混凝土的約束也分為有效約束區及非有效約束區，且二者界限也為一拋物線。但是由于八邊形鋼管其角點為120度相比于方形鋼管混凝土角點90度，其尖銳性緩解很多，有效緩解了方形鋼管混凝土角點應力集中問題，同時又兼顧了方形鋼管混凝土梁柱節點的連接，相比于圓形和方形鋼管混凝土結構具有一定的優勢。各截面應力圖如圖1所示。

2 承載力計算

國內學者對不同截面形式的鋼管混凝土的承載力進行了統一，提出不同截面的鋼管混凝土承載力統一公式。其中哈爾濱工業大學查曉雄教授提出圓形和多邊形鋼管混凝土強度統一公式：

，

其中：是截面折減系數，圓形取，四邊形取，八邊形取。

根據工程中，鋼材取Q235～Q420，混凝土取C30～C80，本文對多邊形鋼管混凝土其套箍系數進行折減，可以達到不同截面鋼管混凝土承載力統一公式：，其中，。參考相關文獻，利用該簡化公式對不同截面鋼管混凝土短柱進行承載力計算，計算參數及結果如表1所示。

其中ξ為套箍系數；σu為截面平均應力。

為了考慮到截面形式不同對鋼管混凝土柱承載力的差異，計算試件計算共分為兩組A1和A2兩組。A1和A2組中三種截面鋼管混凝土柱的截面面積是相等的，套箍系數和混凝土強度都是相等的，在此基礎上計算出截面的平均應力σu。分別比較A1和A2組中的試件可以發現，在相同套箍系數情況下，圓形鋼管混凝土截面平均應力最大，方形最小，八邊形截面應力介于中間但更接近于圓形截面。縱向比較A1和A2里面試件，可以發現，A2中試件的邊長是A1中的1.5倍，可以看出，當鋼管混凝土柱的尺寸增大時候，以上規律仍然是存在的。

3 結語

（1）現階段對于圓形及方形鋼管混凝土柱的研究已趨于成熟。同等材料使用量情況下，圓形鋼管混凝土承載力比方形及八邊形的鋼管承載力要高，但圓形鋼管混凝土梁柱節點較為復雜，不利于工程應用。（2）方形鋼管混凝土及八邊形鋼管混凝土柱角點存在著應力集中問題。從多邊形發展趨勢來看，多邊形形邊長數多可以有效緩解角點應力集中問題，同時也方便與梁柱節點連接。

參考文獻

[1]鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1995.

[2]陳洪濤.各種截面鋼管混凝土軸壓短柱基本性能連續性的理論研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2001.