方形鋼管混凝土短柱軸壓承載力計算方法對比

宇 新

(中集建設(shè)集團有限公司，北京 100097)

在不同形狀的鋼管中填充素混凝土即可形成鋼管混凝土，這是一種力學(xué)性能優(yōu)良且便于施工的組合材料。外包鋼管對混凝土的約束效應(yīng)能提高后者的強度，改善后者的塑性，同時，內(nèi)填混凝土對鋼管存在支撐作用，可避免出現(xiàn)空鋼管在強度充分發(fā)揮前局部屈曲失穩(wěn)的現(xiàn)象，因此這兩種材料取長補短，形成了較好的整體性能［1］。此外，還可以省去鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的支模工作量，能夠極大的加快施工速度。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的上述優(yōu)勢已經(jīng)在越來越多的實際工程中尤其是一些大跨或高層工程中得到了體現(xiàn)。

鋼管混凝土的組合機理決定了軸壓是鋼管混凝土構(gòu)件的最佳受力狀態(tài)，最適宜作為承重柱來使用，因此國內(nèi)外研究者對鋼管混凝土短柱的軸壓性能和承載力計算方法開展了較多的試驗研究和理論分析工作，取得了一系列成果。圖1為方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中兩種材料的受力狀態(tài)，與圓形鋼管混凝土相比，方形鋼管周邊對混凝土的約束作用并不均衡，大體上呈現(xiàn)出角部大而中間小的特征，因此方形截面的力學(xué)性能稍遜于圓形截面，但梁柱節(jié)點構(gòu)造比圓形截面容易處理。本文對已出現(xiàn)的方形鋼管混凝土軸壓強度承載力的計算理論和相關(guān)規(guī)范中的計算公式進行了歸納，在此基礎(chǔ)上，將14個短柱試件的軸壓承載力試驗結(jié)果與公式計算結(jié)果進行對比，分析了各計算公式的誤差情況。

1 方鋼管混凝土軸壓強度計算理論

為了便于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用，一些國家將既有的研究成果納入頒布施行的鋼管混凝土的設(shè)計規(guī)范或規(guī)程中。就方形鋼管混凝土軸壓強度承載力的計算理論而言，主要出現(xiàn)了以下四種思路［2］:

1)統(tǒng)一理論。統(tǒng)一理論的提出主要基于哈爾濱工業(yè)大學(xué)鐘善桐教授及清華大學(xué)韓林海教授的研究成果。其內(nèi)容概括起來說即是“鋼管混凝土構(gòu)件的工作性能，隨著材料的物理參數(shù)、構(gòu)件的幾何參數(shù)和截面形式以及應(yīng)力狀態(tài)的改變而改變，變化是連續(xù)的、相關(guān)的，計算是統(tǒng)一的”［1］。亦即是將鋼管混凝土視為一種組合材料，不再區(qū)分鋼材和混凝土，通過試驗及有限元分析回歸出截面的組合性能指標(biāo)，因此可用構(gòu)件截面的整體幾何特性(如全截面面積及抵抗矩等)及上述組合性能指標(biāo)來計算構(gòu)件的各項承載力。在假定多軸應(yīng)力狀態(tài)下鋼材及混凝土的本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用有限元方法獲得構(gòu)件的平均應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線，再根據(jù)彈塑性穩(wěn)定理論及試驗結(jié)果，得到鋼管混凝土構(gòu)件的強度承載力計算公式。

圖1 兩種材料受力簡圖

目前，統(tǒng)一理論被我國電力部標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5085-1999鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程［3］、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 4142-2000戰(zhàn)時軍港搶修早強型組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［4］以及DBJ 13-51-2003鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［5］和中國工程建設(shè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 254∶2009空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［6］等采用。

2)擬混凝土理論。該理論即是由中國建筑科學(xué)研究院提出的約束混凝土理論，認為鋼管混凝土的本質(zhì)是由鋼管對混凝土進行套箍強化的一種約束混凝土，鋼管可視為分布在核心混凝土周圍的等效縱向鋼筋。據(jù)此根據(jù)極限平衡理論推導(dǎo)出鋼管混凝土軸壓短柱的強度承載力計算公式。

擬混凝土理論被中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 28∶90鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程［7］采用。

3)擬鋼理論。擬鋼理論主要基于鋼結(jié)構(gòu)分析方法的等效鋼柱計算理論，該理論將混凝土折算成鋼材，將鋼管混凝土構(gòu)件視為鋼構(gòu)件，在合理假定的前提下應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計規(guī)范進行各種受力狀態(tài)下鋼管混凝土構(gòu)件承載力的分析計算。

表1 方形鋼管混凝土構(gòu)件軸壓強度承載力試驗值與計算值的對比

擬鋼理論被美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(AISC)規(guī)范(LRFD 1999)［8］所采用。

4)疊加理論。為了較大程度的保證構(gòu)件的強度儲備，疊加理論不考慮鋼管對混凝土之間的約束效應(yīng)，按鋼管和混凝土兩部分各自的承載力進行疊加作為鋼管混凝土構(gòu)件整體的承載力。

采用疊加理論的主要有日本AIJ規(guī)范(1997)［9］、歐洲EC4規(guī)范(2004)［10］及美國混凝土協(xié)會(ACI)規(guī)范(2005)［11］以及 DB 29-57-2003天津市鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計規(guī)程［12］、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 159∶2004矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［13］等。

圖2 方形鋼管混凝土構(gòu)件軸壓強度承載力試驗值與計算值曲線圖

2 方鋼管混凝土軸壓強度計算方法

我國的GJB(2000)規(guī)程及DBJ(2003)規(guī)程均采用統(tǒng)一理論計算方形鋼管混凝土軸壓承載力Nu，即將鋼管混凝土視為一種材料，其軸壓強度承載力表達式為:

此外，我國實施的矩形鋼管混凝土規(guī)程CECS 159∶2004中，建議不考慮方形鋼管對核心混凝土的約束作用，按強度疊加的方法計算方形鋼管混凝土柱的軸壓承載力，實際上也就是將構(gòu)件的軸壓承載力取為其名義承載力［13］，即:

而國外已經(jīng)實施的相關(guān)規(guī)程中，較多的采用了按疊加理論計算鋼管混凝土軸壓強度承載力的方法。如日本的AIJ(1997)規(guī)范［9］與美國的ACI(2002)［11］中給出的方形鋼管混凝土軸壓承載力的計算公式為:

其中，系數(shù)0.85為反映尺寸效應(yīng)等因素對fc的影響的折減系數(shù)。

同時，歐洲規(guī)范EC4(2004)［10］中也按疊加理論給出了方形鋼管混凝土軸壓強度承載力的計算公式，適用于fc≤50 MPa且fy≤355 MPa的情況:

而英國規(guī)范BS5400(2005)［14］中給出的方形鋼管混凝土軸壓承載力表達式如下:

另外，美國AISC-LRFD(1999)規(guī)范［8］中按擬鋼理論給出了方形鋼管混凝土軸壓承載力的計算方法，即將鋼管混凝土柱等效成鋼柱，適用于fc≤55 MPa且fy≤380 MPa的情況:

上述各公式中參數(shù)的含義見相關(guān)規(guī)范說明，此處不再贅述。

3 方鋼管混凝土軸壓強度承載力的對比

為了對比各規(guī)范中的軸壓強度承載力計算公式的誤差及其離散程度，本文以文獻［2］中的14個方形鋼管混凝土試件為對象，按各公式計算得出軸壓強度承載力的計算值Nu與試驗值Nue的對比，見表1及圖2。

由表1中給出的均值對比結(jié)果及圖2中給出的離散程度對比結(jié)果可以看出，按CECS 159∶2004規(guī)程即名義承載力所得的承載力計算值比試驗值低5%，說明在方鋼管混凝土柱軸壓強度承載力的計算公式中應(yīng)考慮約束效應(yīng)的有利影響。同時，按GJB(2000)和DBJ(2003)規(guī)程所得的計算值總體上較試驗值偏高6%，而按BS5400(2005)規(guī)范所得的計算值最低，小于試驗值約18%，而由采用疊加理論AIJ(1997)，ACI(2002)和采用擬鋼理論的AISC(1999)規(guī)范所得的計算值分別低于試驗值約6%和7%。按EC4(2004)規(guī)范所得的計算值比試驗值稍小，離散程度較低，總體上兩者最為接近。

4 結(jié)語

1)方形鋼管混凝土中鋼管對混凝土的約束效應(yīng)導(dǎo)致其軸壓強度承載力高于疊加原理所得的名義承載力，在分析或設(shè)計過程中需要對這種約束效應(yīng)加以考慮或衡量;

2)就方形鋼管混凝土而言，統(tǒng)一理論的計算結(jié)果相對偏于不安全，擬鋼原理的計算結(jié)果偏于保守，疊加原理的計算結(jié)果偏于保守，采用擬混凝土理論的EC4(2004)規(guī)范更適用于方形鋼管混凝土軸壓強度承載力的計算。

［1］鐘善桐.鋼管混凝土統(tǒng)一理論——研究與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［2］韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)——理論與實踐［M］.第2版.北京:科學(xué)出版社，2007.

［3］DL/T 5085-1999，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程［S］.

［4］GJB 4142-2000，戰(zhàn)時軍港搶修早強型組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］DBJ 13-51-2003，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］CECS 254∶2009，空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］CECS 28∶90，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程［S］.

［8］AISC-LRFD，Load and resistance factor design specification for structural steel buildings［S］.American Institute of Steel Construction(AISC)，Chicago，U.S.A.，1999.

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

［10］Eurocode 4，Design of composite steel and concrete structures，Part1.1:General rules and rules for buildings［S］.British Standards Institution，London W1A2BS，2004.

［11］ACI 318-05，Buildi ng code requirements for structural concrete and commentary.Farmington Hills(MI) ［S］.American Concrete Institute，Detroit，U.S.A.，2005.

［12］DB 29-57-2003，天津市鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計規(guī)程［S］.

［13］CECS 159∶2004，矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［14］British Standard BS5400，Steel，concrete and composite bridges，part 5，code of practice for the design of composite bridges［S］.British Standard Institution，UK，2005.