圓鋼管混凝土短柱新模型軸心受壓承載力計算

張 宇 本

(浙江工業職業技術學院，浙江 紹興 312000)

1 概述

鋼結構工程施工快速、方便，其構件可以工廠化生產，現場施工充分發揮了裝配式結構的施工優勢，構件具有足夠的強度和韌性，但是建造使用成本高。為了降低整體工程的造價，同時又不降低工程整體的安全性、可靠性和耐久性，人們考慮采用鋼管混凝土結構(Concrete-Filled Steel Tubular，CFST)。鋼管混凝土結構大大減少了鋼材的用量，同時又極大地降低了工程造價。

鋼管混凝土結構本質上是復合結構，綜合了鋼結構和混凝土結構的優良性能。鋼管混凝土結構延性、承載力和穩定性較好，能夠進行裝配式施工，速度快，操作方便，降低了工程造價。鋼管混凝土結構由于其優越的力學性能，具有比較大的發展潛力，在各工程領域有廣闊的應用前景[1]。核心混凝土施工澆筑時充滿鋼管內部空間，硬化后能達到設計要求的物理力學性能，特別是抗壓強度，從鋼管內部空間增強鋼管的抗屈曲性能，和鋼管本身實現無差別化的結合，整體上相當于從內部全方位給鋼管提供了支撐，同時鋼管相當于鋼筋混凝土短柱的鋼筋籠，而且可以理解為相當于箍筋和豎向鋼筋都無限加密的鋼筋籠，這樣大大加強了對核心混凝土的約束，因此，鋼管混凝土柱的彈塑性性能更好，應用在抗震結構上有比較大的優勢，另外，施工過程中，由于鋼管的約束作用直接省去了混凝土結構所需要模板相關的材料和工藝過程，應用起來更方便，便于推廣應用。但是鋼管長時間外露容易受到腐蝕，需要很高的維護費用，同時如果需要進一步增大荷載作用和滿足實際使用要求，就需要進一步設計出更有效的結構構件。因為實際應用中受空間及審美等各方面因素的影響，人們往往需要構件截面尺寸要小，但是并不希望構件強度同時要降低，甚至還要求構件強度還要最大程度的提高，所以專家學者們提出了很多構造措施，如增加內部鋼筋[2]、內置型鋼[3,4]和加勁肋[5]的措施。為了使鋼管混凝土柱具有良好的防腐性能，并進一步提高其抗壓強度、剛度和延性等物理力學性能，本文設計外帶單層鋼筋混凝土結構的鋼管混凝土短柱構件，提出了一些構造措施增強內外混凝土和中間鋼管的相互粘結作用，同時提出兩種模型下軸心抗壓承載力計算公式或對既有公式的修正建議，希望這些研究會對實際設計和施工有一定的參考意義。

2 構件結構設計

構件基本結構分三層，從里到外依次是：核心層素混凝土、中間層圓鋼管和最外層鋼筋混凝土結構。三層可以通過施工構造措施結合成一個整體協同發揮作用。一般的鋼管混凝土柱核心混凝土和鋼管間通過正常的摩擦擠壓結合在一起發揮作用，為了更好地使核心層混凝土和鋼管結合在一起，可以在不影響管壁厚度和正常發揮作用的前提下把鋼管內表面做特殊毛化處理，以增加混凝土和管壁間的咬合粘結作用，本構件是正常粘結。外層鋼筋混凝土結構厚度和鋼筋網或鋼筋籠可以根據需要設計成一個或一個以上鋼筋網，如果是多層鋼筋網，不同鋼筋網間間距也可以根據要求進行設計。本構件設計一層鋼筋網，并且鋼筋網圍繞鋼管外圍一周遠離鋼管一側放置。外層混凝土和鋼管外壁間也可以實現自然澆筑硬化粘結，本構件采用正常粘結方式。實際中為了增加粘結作用可以設置拉結鋼筋，即鋼筋一端纏繞或焊接在鋼柱上，另外一端自然錨固在外層鋼筋混凝土結構上，這樣可以大大增強外層混凝土和鋼管間的粘結作用。圖1是外帶鋼筋混凝土結構層的圓鋼管混凝土短柱結構示意圖。

3 雙層鋼筋混凝土模型

3.1 模型成立條件

1)鋼管和核心混凝土符合平截面假定，同時外層鋼筋混凝土結構也符合平截面假定。

2)核心混凝土和鋼管看作協同發揮作用的獨立結構，同時外層混凝土結構也獨立發揮作用。

3)鋼管達到強度設計標準值前截面的形狀不變，鋼管將不會發生局部屈曲。

4)鋼管可以分別近似作為核心混凝土和外層混凝土的對應側鋼筋，但承載力計算時取對應鋼管屈服強度值作設計值，并且計算鋼管橫截面積時按1/2面積計算，這樣內部結構相當于帶單層鋼筋，外部結構相當于帶雙層鋼筋。

5)鋼管達到強度設計標準時即可認為內層構件達到破壞狀態。

3.2 短柱極限承載力

核心混凝土外側周圍是全封閉鋼管，理論上可以把鋼管近似看作普通鋼筋混凝土柱的鋼筋籠約束，利用鋼筋混凝土本構模型進行分析，其軸心抗壓承載力計算公式可以近似為：

(1)

最外層鋼筋混凝土結構按普通的鋼筋混凝土結構計算其軸心抗壓承載力，計算公式可以近似為：

(2)

整個構件軸心受壓承載力計算公式可以由式(1),式(2)疊加得出，即：

(3)

式(3)中字母符號的涵義同式(1)和式(2)。

4 鋼管混凝土協同工作模型

4.1 模型成立條件

1)鋼管和內外混凝土組成的整體結構符合平截面假定。2)鋼管和內外混凝土之間在構件達到破壞狀態之前相互咬合的摩擦力足夠保證鋼管和混凝土呈整體狀態。3)鋼管屈服前截面的形狀不變，鋼管將不會發生局部屈曲。4)鋼管達到強度設計標準時即可認為整個構件達到破壞狀態。

4.2 短柱極限承載力

這種模型把混凝土和鋼管看作一個整體[6,7]，這里根據構件實際構造模型給出了修正的協同工作的承載力計算公式，即：

Nus4=fyc(Ay+Ac)

(4)

其中，Nus4為該模型鋼管混凝土短柱的極限承載力;Ay為該模型鋼管混凝土短柱中鋼管和鋼筋橫截面面積之和；Ac為該模型鋼管混凝土短柱內外層混凝土橫截面面積之和;fyc為該模型鋼管混凝土短柱鋼管和混凝土組合抗壓強度設計值(可以通過試驗驗證獲得)。

協同工作模型還有另外一種[8]，文獻[8]中考慮了鋼管和混凝土的相互作用，分別根據鋼管和混凝土的單獨承載力，疊加得出總的極限承載力，這里根據新模型對公式中的相應參數進行修正，同時外層鋼筋混凝土承載力也單獨計算疊加上去，即：

(5)

當θ>1.235時適用此公式。

當θ≤1.235時適用如下公式，即：

(6)

式(4)～式(6)都是考慮鋼管和內外側混凝土協同工作模式下，鋼管混凝土短柱承載力計算公式，鋼管外面有鋼筋混凝土結構層，本文的理論計算是在前人的研究成果基礎上進行修正。

5 結語

通過對帶外層鋼筋混凝土結構的鋼管混凝土短柱幾種計算模型的分析得出如下結論：

1)重新設計了鋼管混凝土短柱結構，既解決了鋼管外露容易腐蝕維護成本高的問題，又大大增強了鋼管混凝土短柱的軸心受壓承載力。

2)雙層鋼筋混凝土結構模型軸心受壓的理論計算公式，比較簡單易懂，計算的準確性需要進一步實驗驗證和對模型計算公式的改進。

3)鋼管混凝土協同工作模型對外層鋼筋混凝土結構也進行了簡化處理，計算整體構件承載力時外層鋼筋混凝土承載力沒有像原有計算理論那樣進行綜合，而是進行獨立疊加，后續也需要通過試驗進一步驗證改進。

4)文中提出了一些構造措施，旨在進一步加強構件結構層的協同作用，充分發揮鋼管和內外層混凝土的物理力學性能。