鋼管混凝土構件截面剛度的規程對比分析

朱益 鄭懿

(深圳市華納國際建筑設計有限公司，浙江杭州 310000)

0 引言

鋼管混凝土柱利用外鋼管和核心混凝土的相互作用，提高了混凝土的強度和變形能力，并延緩了鋼管的屈曲，使構件具有優越的承載能力和良好的變形能力，因此得到了廣泛的研究和應用［1］。依據截面形式的不同，可分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土和矩形鋼管混凝土，其中前兩類應用較為廣泛，相應的規范如國內DBJ 13-51-2003鋼管混凝土結構技術規程［2］，DL/T 5085-1999鋼—混凝土組合結構設計規程［3］，GJB 4142-2000戰時軍港搶修早強型組合結構技術規程［4］，國外如日本的AIJ(1997)［5］等。此外，眾所周知，在結構設計時，截面剛度起著重要作用。借此，本文以圓鋼管混凝土和方鋼管混凝土為研究對象，以截面含鋼率為參數，對各規范間的關于軸壓剛度和抗彎剛度進行了詳細比較，最后通過簡單結構加以說明，供結構設計參考。

1 規范基本規定

對于軸壓剛度，文獻［2］和文獻［3］、文獻［2］和文獻［4］分別視圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土為一體，用組合模量的方法進行標示，而文獻［5］則采用鋼管和混凝土各自軸壓剛度之和，具體見式(1)～式(3)：

圓鋼管混凝土：

圓鋼管混凝土［5］：

方鋼管混凝土：

文獻［5］關于方鋼管混凝土軸壓剛度的求解類同式(2)。

對于抗彎剛度，文獻［2］和文獻［5］采用外鋼管和核心混凝土各自抗度疊加原理計算，而文獻［3］和文獻［4］則采用組合抗彎彈性模量計算，具體見式(4)～式(6)。

文獻［2］：

當為圓鋼管混凝土時，a0=0.8，當為方鋼管混凝土時，a0=0.6。

文獻［5］：

文獻［3］：

n=Es/Ec，β=Is/Ic，αs=As/Ac，Esc見式(1)，式(3)。

文獻［4］計算方法類同式(6)。

2 軸壓剛度

由式(1)～式(3)可知，文獻［2］和文獻［3］、文獻［2］和文獻［4］關于軸壓剛度的區別在于組合強度設計值的取法不同，而該值主要由約束效應系數和材料強度種類決定。此外，在實際應用中，鋼材主要采用Q345型，混凝土等級普遍為C40～C60之間，此外，文獻［2］的含鋼率范圍為0.04～0.2。借此，在參數分析時，鋼材取為Q345，混凝土為C40，此時，組合強度設計值由約束效應系數決定，等同于含鋼率決定。據此，圖1和圖2分別給出了圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土的軸壓剛度差與含鋼率的關系曲線，其中軸壓剛度差是以文獻［2］的計算值為標準，文獻［3］～［5］計算值的增值幅度。

圖1 軸壓剛度差和含鋼率的關系（一）

圖2 軸壓剛度差和含鋼率的關系（二）

由圖1，圖2可知，對于圓鋼管混凝土軸壓剛度，文獻［2］和文獻［3］較接近，差值幅度在10%以內，文獻［5］和文獻［2］的差值幅度在含鋼率較小或較大時較明顯;對于方鋼管混凝土軸壓剛度，文獻［4］和文獻［2］較接近，差值幅度在5%以內，文獻［5］和文獻［2］類同圓鋼管混凝土。

3 抗彎剛度

類同軸壓剛度，采用上述材料強度。由式(6)可知，要求得文獻［3］和文獻［4］規定的圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土的抗彎剛度，應事先知組合彈性模量和K2系數，而由式(1)，式(3)可知，兩變量都取決于含鋼率。據此，圖3，圖4分別給出了圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土的抗彎剛度差與含鋼率的關系，其中抗彎剛度差是以文獻［2］的計算值為標準，文獻［3］～［5］計算值的增值幅度。

圖3 抗彎剛度差和含鋼率的關系（一）

由圖3，圖4可知，對于圓鋼管混凝土，文獻［3］較文獻［2］抗彎剛度的增值在含鋼率較大時較明顯，而文獻［5］在任意含鋼率時顯著偏小于文獻［2］;對于方鋼管混凝土，文獻［4］較文獻［2］的增值均在15%附近，而文獻［5］顯著偏小于文獻［2］。

4 工程應用

以兩跨三層的平面框架為例，如圖5所示，當采用方鋼管混凝土柱時柱子截面均為 當采用圓鋼管混凝土時，柱子截面為150 mm×6 mm。按照圖5的加載圖，以及根據文獻［2］～［5］，求得了層間位移，如表1所示，表1中括號內的數值是相對文獻［2］計算值的百分率。

圖4 抗彎剛度差和含鋼率的關系（二）

圖5 結構示意圖

表1 各結構層層間位移值的規范比較

由表1可知，無論方鋼管混凝土還是圓鋼管混凝土，結構層間位移差別顯著，在選擇標準時應進行合理比較。

5 結語

以圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土作為研究對象，對常用規范關于軸壓剛度和抗彎剛度進行了詳細的參數比較分析，指出文獻［2］和文獻［3］、文獻［2］和文獻［4］關于軸壓抗度相差很小，但抗彎剛度差別顯著，文獻［2］和文獻［5］關于軸壓抗度、抗彎剛度差別均較明顯。

［1］ 韓林海.鋼管混凝土結構理論與實踐［M］.北京：科學出版社，2007.

［2］ DBJ 13-51-2003，鋼管混凝土結構技術規程［S］.

［3］ DL/T 5085-1999，鋼—混凝土組合結構設計規程［S］.

［4］ GJB 4142-2000，戰時軍港搶修早強型組合結構技術規程［S］.

［5］ AIJ，1997.Recommendations for design and construction of concrete filled steel tubular structures［S］.Architectural Institute of Japan(AIJ)，Tokyo，Japan.