異形鋼管混凝土短柱偏壓承載力截面材料參數影響分析

車 濤，顏燕祥，胡其志

(1.湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068；2.湖北工程學院 土木工程學院，湖北 孝感 432000；3.武漢城投停車場投資建設管理有限公司，湖北 武漢 430010)

異形鋼管混凝土短柱偏壓承載力截面材料參數影響分析

車 濤1,3，顏燕祥2*，胡其志1

(1.湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068；2.湖北工程學院 土木工程學院，湖北 孝感 432000；3.武漢城投停車場投資建設管理有限公司，湖北 武漢 430010)

為研究截面材料參數對異形鋼管混凝土短柱偏壓承載力的影響規律，采用MATLAB程序對T形、L形和十字形鋼管混凝土短柱偏壓承載力曲線進行了計算。結果表明：鋼材強度等級對異形鋼管混凝土柱壓彎曲線影響最顯著，鋼板厚度影響較大，混凝土強度影響最弱；組合異形柱壓彎曲線隨鋼材強度、鋼板厚度和混凝土強度增加而外凸。研究成果可為異形鋼管混凝土柱的工程設計和推廣應用提供參考。

異形鋼管混凝土短柱；材料參數；N-M曲線；MATLAB

近年來，異形鋼管混凝土柱( T、 L 和“十” 字形)在廣東省諸多中、高層的建筑中得到了廣泛應用[1]。由于異形鋼管混凝土柱可避免室內出現棱角，有利于建筑布局，可充分利用室內空間，所以它漸漸取代了傳統的截面形式柱[2]。異形鋼管混凝土柱還具有節點構造簡單，與梁連接處理簡便，方便施工，截面相對開展而慣性矩大，適合作壓彎構件等優點[3]。因此，異形鋼管混凝土柱在未來中、高層建筑應用方面具有巨大的潛能和廣闊的前景。

國內學者在異形鋼管混凝土柱偏壓力學性能研究方面取得了諸多研究成果。文獻[1]通過試驗，研究了偏心距、長細比等參數對T形截面鋼管混凝土柱偏壓力學性能和承載力的影響。文獻[4-5]研究了T形鋼管混凝土的受彎性能，并基于統一理論建立了抗彎承載力計算公式。文獻[6]采用纖維模型法分析了鋼材屈服強度、混凝土抗壓強度、管壁寬厚比、截面肢寬厚比、加載角度和軸壓比等參數對T形鋼管混凝土柱單向壓彎、雙向壓彎截面強度的影響。文獻[7]借助纖維模型法對L形鋼管混凝土柱的壓彎曲線進行了數值計算，分析了鋼材屈服強度、截面含鋼率、混凝土強度、拉桿約束系數及荷載角對N/Nu-M/Mu曲線的影響規律。文獻[8]利用MATLAB語言編制了求解程序，得到了十字形鋼管混凝土柱截面彎矩-曲率關系，分析了混凝土強度、鋼材強度、鋼管面積對十字形截面異形柱截面彎矩-曲率的影響。

鋼管混凝土結構具有優越力學的根本原因是鋼管與混凝土之間的相互作用。截面材料參數對其承載力的影響規律，是鋼管混凝土柱理論研究的重要內容，是工程技術人員把握其承載力特性的關鍵內容之一。已有研究結果表明，截面材料參數對異形鋼管混凝土短柱偏壓承載力是有影響的，但影響程度分析還不夠充分，有待進一步研究。為此，本文以文獻[5，9]的異形柱原型截面參數為基礎，利用MATLAB軟件，研究了截面混凝土強度、鋼材強度和鋼板厚度三個參數對異形柱壓彎曲線的影響規律。研究成果可為異形柱的工程設計和推廣應用提供參考。

1 異形鋼管混凝土短柱壓彎曲線求解

文獻[10-11]歸納、分析了異形柱截面形式，本文則以文獻[5]和文獻[9]中部分異形柱截面形式為原型，其截面形式及構造示意圖如圖1所示。

圖2 T形鋼管混凝土柱壓彎極限狀態下截面應力分布

(1)

(2)

采用上述方法求得文獻[5]中試件MC-T-3的壓彎曲線相關方程的示意圖如圖3所示。

單向偏心的鋼管混凝土異形柱N-M相關方程曲線上具有意義明確的三個特征點，如圖4所示。三個特征點分別代表三種極限狀態：軸壓極限狀態、彎矩最大狀態和純彎極限狀態。N-M相關方程的理論曲線可近似用過圖中三個特征點的折線表達。

圖4 N-M相關曲線的特征點

2 異形鋼管混凝土短柱N-M曲線數值結果及分析

考慮文獻[5]和文獻[9]中三種典型偏壓短柱的壓彎曲線，以其中過形心的某一軸(本文僅以X軸正方向為例)的特征點編程，計算結果如表1所示。

為比較截面材料參數中混凝土強度、鋼材強度、鋼材厚度(橫截面含鋼率)對N-M相關方程的影響規律，根據表1分別繪制T形、十字形、L形鋼管混凝土短柱的N-M相關曲線的過特征點的簡化曲線圖，如圖5所示。

由表1和圖5的數值計算結果可知：(1)混凝土強度對T形、十字形和L形組合柱的抗彎強度影響不大，對軸壓承載力影響較大，隨混凝土強度增高，N-M相關曲線有外凸趨勢(即壓彎承載力隨混凝土強度增大而增大)。(2)鋼材強度對T形、十字形和L形組合柱的抗彎強度和軸壓承載力影響均較大，隨鋼材強度等級增大，N-M相關曲線外凸趨勢明顯(即壓彎承載力隨鋼材強度增大而顯著增大)。(3)鋼板厚度對T形、十字形和L形組合柱的抗彎強度和軸壓承載力影響亦較大，隨鋼板厚度增加，N-M相關曲線外凸趨勢亦明顯(即壓彎承載力隨板厚度增大而大幅增加)。(4)三種因素中，混凝土強度對異形柱壓彎承載力影響最小，鋼材強度影響最顯著，鋼板厚度影響次之。

圖5 N-M相關方程曲線的數值解

3 結論

基于MATLAB平臺，采用不同截面材料參數對異形組合短柱壓彎曲線和特征點進行了計算分析，結論如下：

(1)截面混凝土強度、鋼材強度、鋼板厚度對異形鋼管混凝土短柱壓彎曲線均有影響，影響因素大小排序依次為：鋼材強度、鋼板厚度、混凝土強度。

(2)異形鋼管混凝土柱壓彎曲線隨截面混凝土強度增大、鋼材強度增大、鋼板厚度增大均表現為外凸趨勢。

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(責任編輯：熊文濤)

AnalysisofSectionalMaterialParametersofConcrete-filled&Special-shapedSteelTubeColumnsSubjectedtoAxialCompressionandBendingMoment

Che Tao1,3, Yan Yanxiang2*, Hu Qizhi1

(1.SchoolofCivilEngineering,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei430068,China; 2.SchoolofCivilEngineering,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China; 3.WuhanCityVotedParkingLotInvestmentConstructionManagementCo.,Ltd.,Wuhan,Hubei430010,China)

In order to study the influence of cross-section material parameters on the bearing capacity curve of short special-shaped & concrete-filled steel tubular columns, the self-program was used to calculate the axial force momentary capacity of T-shaped, L-shaped, Cross-shaped & concrete-filled steel tube columns. The results indicated that the steel strength grade had the most significant effect on the N-M interaction curve of the special-shaped composite columns, the thickness of the steel plate produced less effect, and the concrete strength was the weakest. The N-M interaction curve stretched out the composite columns with the increasing of steel strength, the thickness of the steel plate and the strength of the concrete. This research result could provide references for engineering design and application of special-shaped steel tube columns filled with concrete.

concrete filled special shaped steel tube columns; material parameters; N-M interaction curve; MATLAB

TU375.3

A

2095-4824(2017)06-0118-05

2017-08-11

車 濤(1986- )，男，湖北武漢人，湖北工業大學土木建筑與環境學院碩士研究生。

顏燕祥(1985- )，男，湖北大悟人，湖北工程學院土木工程學院講師，本文通信作者。