單肢鋼管混凝土偏心受壓柱的穩(wěn)定承載力分析

全國(guó)興 黃加平 吳啟紅

鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件，它是在勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及螺旋配筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土柱具有承載力高、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、美觀等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)廠房和高層以及超高層建筑中得到了大量的應(yīng)用[1-3]。

1 單肢鋼管混凝土偏壓柱主要影響因素參數(shù)分析

在實(shí)際工程中，由于受到初始缺陷、材料的不均勻性以及制造誤差等因素的影響，大部分鋼管混凝土構(gòu)件都處于偏心受壓狀態(tài)。因此有必要研究構(gòu)件的偏心率大小對(duì)鋼管混凝土柱穩(wěn)定極限承載力的影響。本文采用文獻(xiàn)[5]的構(gòu)件參數(shù)對(duì)鋼管混凝土偏心受壓柱進(jìn)行彈塑性分析，基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 偏心受壓構(gòu)件參數(shù)表

在用ANSYS對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行分析時(shí)，主要通過(guò)構(gòu)件的荷載—跨中位移關(guān)系來(lái)研究不同長(zhǎng)細(xì)比、鋼管壁厚、偏心距等因素對(duì)偏心受壓鋼管混凝土柱極限承載力影響的變化規(guī)律。

從圖1～圖3的參數(shù)分析中可以得到，隨著偏心率和長(zhǎng)細(xì)比的增加，鋼管混凝土柱的穩(wěn)定承載力明顯降低。在相同的長(zhǎng)細(xì)比下，偏心率越大，構(gòu)件的極限承載力越低;在相同的偏心率下，長(zhǎng)細(xì)比越大，構(gòu)件的極限承載力越低。因此有必要考慮偏心率對(duì)鋼管混凝土柱的影響。

有限元計(jì)算模型雖能準(zhǔn)確地計(jì)算鋼管混凝土柱的極限承載力，但計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，方法也不便于實(shí)際應(yīng)用，有必要提供鋼管混凝土柱偏心受壓的穩(wěn)定承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

2 單肢鋼管混凝土偏壓柱的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式

2.1 考慮長(zhǎng)細(xì)比影響的鋼管混凝土軸心受壓中長(zhǎng)柱的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式

仿照普通鋼柱和鋼筋混凝土柱的處理方法，直接從大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中找出因長(zhǎng)細(xì)比的增長(zhǎng)而使極限承載力降低的規(guī)律[4]。根據(jù)鋼構(gòu)件軸壓承載力設(shè)計(jì)公式的建立方法，確定鋼管混凝土中長(zhǎng)柱的穩(wěn)定系數(shù)φl(shuí):

由此可以得到考慮長(zhǎng)細(xì)比影響的鋼管混凝土偏壓柱的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式為:

2.2 考慮長(zhǎng)細(xì)比、偏心率影響的鋼管混凝土軸心受壓中長(zhǎng)柱的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式

定義鋼管混凝土柱承載力的偏心率折減系數(shù)為:

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果回歸(見(jiàn)圖4)，得到鋼管混凝土柱承載力偏心率折減系數(shù)的計(jì)算公式為:

因此可以得到既考慮長(zhǎng)細(xì)比影響，又考慮偏心率影響的鋼管混凝土中長(zhǎng)柱計(jì)算公式:

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證式(8)的正確性。主要考慮構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比和偏心率對(duì)鋼管混凝土柱穩(wěn)定承載力的影響。

分析得到，當(dāng)構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比一定時(shí)，鋼管混凝土偏心受壓柱的穩(wěn)定承載力隨構(gòu)件的偏心距的增大而減小;當(dāng)構(gòu)件的偏心率一定時(shí)，鋼管混凝土柱的穩(wěn)定承載力隨構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比的增大而減小，反之則增大。式(8)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，具有表達(dá)形式簡(jiǎn)單，計(jì)算精度高的特點(diǎn)，可供鋼管混凝土結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)時(shí)參考使用。

[1] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及發(fā)展[J].工業(yè)建筑，1998，28(10):1-5.

[2] 劉海霞.高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能及應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2003，115(9):80-81.

[3] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)——理論與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社，2004:340-342.

[4] 湯關(guān)祚，招炳泉.鋼管混凝土受壓構(gòu)件承載力計(jì)算[J].工業(yè)建筑，1985(2):21-25.

[5] 趙均海，顧 強(qiáng).鋼管混凝土偏心受壓極限承載力的實(shí)驗(yàn)研究及理論研究[J].工程力學(xué)，2001(sup):273-276.

[6] 陳 銘，何麗麗，鞏偉平.淺談鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2008，34(5):118-119.

[7] 蔡紹懷，邸小壇.鋼管混凝土偏壓柱的性能和強(qiáng)度計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1985(4):32-41.