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圆钢管混凝土柱轴心受压承载力计算分析



栋: 圆钢管混凝土柱轴心受压承载力计算分析

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圆钢 管 混凝土 柱轴 心 受 压 承 载力 计 算 分析
胡 栋
( 同济大学土木工程学院建筑工程系, 上海 200092 )

【摘

要】 本文对钢管混凝土柱的形式、 影响钢管混凝土柱承载力的因素行了 分析, 简 要 介绍 钢管 混凝土 柱

承载力计算公式的四种理论, 并对各国规范计算轴心受压柱公式 进 行 验 证 比 较, 结果 表 明 各国 规 范 尽 管 公 式 在形 式上有所区别, 但考虑因素都大同小异, 计算结果偏差不大。 【关键词】 钢管混凝土柱; 受压承载力 【中图分类号】 TU375. 3 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001 - 6864 ( 2011 ) 03 - 0059 - 03

CALCULATION ANALYSIS OF AXIALLY COMPRESSED CONCRETEFILLED STEEL TUBULAR COLUMNS HU Dong ( Dept. of Building Engineering,Tongji Univ. ,Shanghai 200092 , China) Abstract: The article analyzes different types of concretefilled steel tubular columns and factors that influence the load carrying capacity of concretefilled steel tubular columns. It also introduces four computational theories for columns and compares the designing codes in different countries,the results shows that although there are differences among these codes,the factors of these code concerning have little difference,and the computational results also have little difference. Key words: concretefilled steel tubular columns; compressive load carrying capacity
1897 年 John Lally[1] 在 钢管 中 填 充 混凝土作 为 房 屋建筑的承重 柱, 距 今 钢管 混凝土 结 构 在 土 木 工程 中 的应用 已逾 百年的 历史 。20 世纪 20 年 代 前 后 美 国 波 士顿、 纽约、 芝 加哥 等地 曾 将其 用 于 单 层、 多 层 建筑的 承重柱
[1 ]

。苏 联 于 1937 年 开 始 对 钢管 混凝土 结 构 做 L / D≤4 的柱 叫 做 短 柱 。 对 于 短 柱 和 长 柱, 在 受 力 时, 计算其承载 力所 考虑 的 因素 略 有 不同 。 一 般 来 说, 计 算钢管 混凝土 柱的 承载 力 时, 需要 考虑 的 因素 有 套 箍 指标, 钢管 的屈服 强度 , 混凝土的 强度 , 柱 两 端 的 约束 条件及两端 的弯 矩 比 值 等 。 但 对 于 长 柱, 由于其长细 比 较 大, 在加 载 过程 中 可 能 会 出 现 失 稳 的 现 象, 故而 计算公式 中 需 考虑 长 细 比 的 影响。 这 些 因素 在 各 种 规程中的 计 算式中都有 体现 。 1. 2 钢管 混凝土 柱轴 心受压 性 能 钢管 混凝土 柱轴 心 受压 时 主 要 有 如 下 特征 : ① 钢 管对混凝土 具有套 箍 约束 作用 , 使 混凝土 处 于 三 向 受 压状态, 从而提高混凝土 具 的 抗 压 强度 和 压 缩 变 形 能 力; ②借助内填混凝土的 支撑 作用, 增 强 钢管 壁 的 几 何 稳定 性, 改 变 空 钢管 的 失 稳 模态 , 从 而 提 高 其 承载 能 力。根据 哈尔滨 锅炉 厂做 过的 轴 心受压 对 比 试验
[5 ]

系统 的研究, 并 在 工 业 厂房 、 空 间结 构 和 拱 桥 结 构 中 应用 。 在 20 世纪 60 年 代 之 后, 钢管 混凝土技术 在 西 欧、 北 美 及 日 本 等发 达 工 业 国 家 受 到 重 视, 开展了大 量 的 实 验 研究 工 作 , 取得 了 许 多 成 果, 主要相关设计 BS5400 , ACI318 - 99 ( 1999 ) , AISC - LR规程有 EC4 , FD( 99 ) 和 AIJ ( 97 ) 等。 我 国 于 1959 年 开 始 研究 钢管 混凝土 , 在 钢管 混凝土力学性 能 研究 方 面 取得 了 丰 硕 的成 果, 并制定 了相 应的技术 规 程: CECS 28 : 90《钢管 、 JCJ 01 - 89《钢管 混凝土 结构 设 计 与 设 计 施工 规 程 》 , DL / T 5085 - 1999《钢 混凝土 结 构 设 计 与 施工 规 程 》 - 混组合结构设计规程》 等 1 1. 1 钢管 混凝土 柱的形式 目 前应用 较 多 的 钢管 混凝土 柱 截 面 形 式 主 要 有 以下几种, 如图 1 所示。 钢管混凝土 柱有 长 柱与 短 柱 之 分, 通常将长径比
[2 , 3 ]



钢管 混凝土 柱的性能及研究 方法



60













2011 年第 3 期( 总第 153 期)

同等条件下, 圆钢管 混凝土 柱 的 承载 能 力 远 大 于 混凝 土柱承载能力 , 且其 承载 能 力 甚至 要大 于 组 成 钢管 混 凝土 柱 的混凝土 核心柱 及外包 钢管承载 力 之和 。 在 长期荷 载作用下 , 钢管 混凝土 柱 中 核 心 混凝土 具 有 如 下 一 些 特 点 : ① 混凝土 处 于 密 闭 状 态 , 和周围 的环境 没有湿 度的 交 换; ② 沿 构 件 的 轴 向 收缩 将 受 到 外 包 钢管 混凝土的 限 制 ; ③ 在 受 力 过程 中, 核 心 混凝 土和 外 包 钢管 存 在 着相互 作用
[4 ]

筋混凝土 结 构 计 算 标准 AIJ97 和 天津 规 程 DB29 - 57 - 2003 采用该计 算理论 。 2 2. 1 各 国规 程计算对比分析 中国 DL / T5085 - 1999 规 程 DL / T5085 - 1999 规 程, 即《钢 - 混 组 合 结 构 设 计
[6 ] 规程》 , 提出套箍系 数 的 概 念, 其建立的理论基础为

前述的统一计 算理论 。轴压构 件承载 力 计 算 公式 为: N = φf sc A sc f sc = ( 1. 212 + η s ξ0 + η c ξ2 0 ) fc η s = 0. 1759 f y / 235 + 0. 974 η c = - 0. 1038 f ck / 20 + 0. 0309 式中 , ξ0 为 套 箍 系 数 , ξ = αs fy / fc ; αs 为构件截面含 钢 率, α s = A s / A c ; f c 为 混凝土 轴 心 抗 压 强度 设 计 值 ; A sc = ηs 、 η c 为设计系 数 ; A sc 为钢管 混凝土的 截 面面 积 , A s + A c ; φ 为轴心受压 稳定系数 。 2. 2 美国 AISC - LRFD( 99 ) 规 程 《荷 载 抗 力 系 数 设 美国钢 结构协会 ( AISC) 推 荐 的 ( LRFD ) [7] 的 理 论 基 础 为 拟 钢 结 构 计法钢结 构 规 程 》 理论。该规程 把钢管 混凝土 组 合构 件 视 为 纯 钢构 件, 把混凝土的 强度折 算 到 钢 材 中 , 直 接 采 用 钢 结 构 稳定 承载力设 计 公式 。轴心受压构 件承载 力 计 算 公式 为: N≤φ C ·N u N 为轴 力设 计 值 ; N u 为 钢管 混凝土 轴 心 受 式中, N u = F cr · A s ; φ C 为 折 减系 数, 压极限承载 力, 取值 为

。 影响 长 期 荷 载 作

持 用下 钢管混凝土 构 件 受 力性 能 的 主 要 有 加 载 龄 期 、 荷时间 、 轴压 比、 含钢 率、 钢 材种 类、 混凝土 强度 等 级 、 荷载偏 心率及 徐变等 。 1. 3 承载 能 力 测试方法 目 前对于 钢管 混凝土 柱 轴 心 受压 的 实 验 方 法 有 以下 三 种 形 式 , 如图 2 所 示。大量实验研究 表明 , 此三 种加载 方法所 得的 极限承载 力 值 几 乎 相 等 , 只是变形 会有所 差别。故柱在 轴 心 受压承载 力 计 算 时 候, 柱端 的加荷 方式造 成的 影响 可以不 考虑 。

1. 4

钢管 混凝土 柱承载 力计 算的理论 目 前主 要 有 4 种钢管 混凝土计 算理 论和方 法 : ( 1) 中国建筑研究院 提 出 的 拟 混凝土 理 论, 在

0. 85 , F cr 为临界应力 , 按下式计算: F cr =

计算时, 主 要 考虑 核 心 混凝土 三 向 受压 应力 状 态 下的 受力, 将 钢管 壁视 为分 布 在 核 心 混凝土 周 围 的等 效 纵 向钢筋 。中国 工程 建设 标准 化 协 会 标准 CECS 28 : 90 、 欧洲的 EC4 、 美国 ACI 标准的 计算方 法采用 此理论 。 ( 2) 哈尔滨 工业大学 及 福 州 大 学等研究的 基于 回归分析的统一计 算 理 论, 将 钢管 混凝土 视 为一 种组 合材料, 采 用 整体 几 何特 性和 组 合 性 能 指标 来 计 算构 件 的各 项 承载 力 , 不 再 区 分 钢管 和混凝土 , 其成果为 福建省 工程 建设 标准 DBJ13 - 51 - 2003 及国 家军用标 准 GBJ4142 - 2000 采用。 ( 3) 同济 大学基于 钢 结 构 分析方 法 提 出 的 拟 钢 结 构 理 论, 其将 混凝土 折 算 成 钢, 再 按照 钢 结 构 设 计 规 范 的 模 式 进 行 分析计 算 , 求 得 等 效 钢管 的性 质, 并 以 等效 钢管构 件 的 承载 力作 为 原 钢管 混凝土 构 件 的 承载力 , 美 国 LRFD 规范的计 算方法 以此 理论 为基础 。 ( 4) 日本及我国天津地区采用的强度叠加理 论, 即将 填 充 混 凝 土 和 钢 管 两 部 分 的 承 载 力 进 行 叠 加, 作 为 钢管 混凝土 构 件 整体 的 承载 力 , 日本钢骨钢 2. 3

{

( 0. 658 λ2 c ) F my ( 0. 877 / λ2 c ) F my

λ c ≤1. 5 λ c > 1. 5

其中, λ c 为构件的相对长细比。 F my = f y + 0. 85 f ' c ( Ac / As ) 。 欧洲 EC4 ( 94 ) 规程 欧洲 标准 协 会 于 1996 年 颁 布 了 Eurocode4 : Design of composite steel and concrete structure ( EC4 ) [8], 该规程采用 修 正 后 的全 截 面 塑 性 抗 压承载 力作 为 钢 管混凝土 轴 压 构 件 的 强 度 承 载 力, 对于圆钢管混凝 土, 轴压构 件承载 力计算公式 为 : Nu = fy f' c A + A γs s γc c

As 、 A c 分 别 为 钢管 截 面面 积 和混凝土 截 面 式中, 面积; f y 为钢材屈服 强度; f ' c 为 混凝土 圆 柱 体抗 压 强 度; γ s 为钢 材的材料分 项系数 , 取 1. 1 ; γ c 为 混凝土的 材料分 项系 数 , 取 1. 5 。 2. 4 日本 AIJ( 97 ) 规程 《钢管 混凝土设 计 与 施工 指 日本在 1997 年颁 布了 ( AIJ97 ) 南》
[9 ]

, 该 规 范 强度 叠 加理 论 计 算, 并 考虑 钢



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管对核 心 混凝土的 约束 效 应 。 相 关 轴压构 件 承载 力 计算公式为: N u = 1. 27 A s F + 0. 85 f ' c Ac F = min ( f y , 0. 7 f u ) ,f y 为 钢材屈服 强度 ,f u 为钢材 抗拉强度,f 'c 为混凝土 圆柱体抗 压 强度 。
表1
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 钢管外径 / mm 400 400 400 600 600 600 800 800 800 1000 1000 1000 钢管壁厚 / mm 6 8 10 8 10 12 10 12 14 12 14 16

2. 5

不同 规程轴压构 件承载 力 对 比 由以 上 各规程计 算 方 法 可以 看 出, 以 不同 理 论 推

导出的轴心 受压承载 力 计 算 公 式有 所不同, 现 根据 上 述理论和计算公式, 对 不同 参 数 圆钢管 混凝土 柱 轴 心 受压承载 力 进行计算 , 结果 见表 1 、 表 2。

各规程轴心受压承载力对比
混凝土 等级 C30 C30 C30 C30 C30 C30 C40 C40 C40 C40 C40 C40 DL / T5085 - 1999 AISC - LRFD( 99 ) / kN 4578. 5 5335. 4 6214. 6 9115. 6 10534. 3 11427. 5 16235. 3 17681. 2 18957. 7 23675. 6 26834. 1 30024. 6 / kN 3924. 7 4560. 1 5327. 4 7672. 5 8501. 2 9430. 1 14158. 4 15359. 3 16436. 4 21852. 6 24583. 0 27952. 4 EC4 ( 94 ) / kN 3314. 2 3911. 0 4624. 2 6708. 7 7648. 2 8581. 6 12282. 0 13296. 6 14201. 9 17430. 5 20148. 6 23428. 7 AIJ( 97 ) / kN 4906. 5 5615. 1 6415. 5 9861. 5 11013. 8 12159. 4 17801. 6 19014. 8 20173. 1 24418. 3 27904. 1 31831. 2

注: 构件长度为 5000mm, 钢材强度为 Q235 。

表2
编号 平均值 / kN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 4180. 98 4855. 40 5645. 43 8339. 58 9424. 38 10399. 65 15119. 33 16337. 98 17442. 28 21844. 25 24867. 45 28309. 23

计算值与平均值的比较
N / N1 1. 10 1. 10 1. 10 1. 09 1. 12 1. 10 1. 07 1. 08 1. 09 1. 08 1. 08 1. 06 N / N2 0. 94 0. 94 0. 94 0. 92 0. 90 0. 91 0. 94 0. 94 0. 94 1. 00 0. 99 0. 99 N / N3 0. 79 0. 81 0. 82 0. 80 0. 81 0. 83 0. 81 0. 81 0. 81 0. 80 0. 81 0. 83 N / N4 1. 17 1. 16 1. 14 1. 18 1. 17 1. 17 1. 18 1. 16 1. 16 1. 12 1. 12 1. 12 [ 8]

参考 文 献
[ 1] Lally. Handbook of lally column construction ( Steel Columns - Concrete Filled) [ M ] . New York: Lally Column Companies, 1926. [ 2] 钟善桐. 高层钢管混凝土结构[M] . 哈尔滨: 黑龙江科学技术 1999. 出版社, [ 3] 蔡 绍 怀. 现 代 钢 管 混 凝 土 结 构[M]. 北 京: 人 民 交 通 出 版 2003. 社, [ 4] 韩林海. 长期荷载作用对圆钢管 混凝土 压 弯 构 件 力学性 能影 J] . 土木工程学报, 2002 , 35 ( 2 ) : 8 - 19. 响的研究[ [ 5] 钟善桐. 钢管混凝土结构( 第 3 版) [ M] . 北京: 清华大学出版 2003. 社, [ 6] DL / T5085 - 1999 , 钢 - 混组合结构设计规程[S] . [ 7] Load and Resistance Factor Design Specification[S] . American 1999. Institute of Steel Construction, Eurocode 4 : Design of Composite Steel and Concrete Structure [ S]. European Committee for Standardization, 1996. [ 9] Recommendations for Design and Construction of Concrete Filled Steel Tubular . Structures [ S ] Architectural institute of

N2 、 N3 、 N4 分 别 为 DL / T50851999 , AISCLRFD ( 99 ) , 注: N1 、 EC4 ( 94 ) , AIJ( 97 ) 计算所得承载力。

通过上 面 的分析 可以 看 出 有 DL / T5085 - 1999 规 AISC - LRFD( 99 ) 规 程、 EC4 规 程、 AIJ ( 97 ) 规 程 得 程、 AISC - LRFD ( 99 ) , DL / 出 的 结 果 差 别 并 不 是 太 大, T5085 - 1999 结果 较 为 接 近 , EC4 ( 94 ) 计 算 值 较 小 , 偏 于保守 。表 明有不同 理 论 得 出 的 计 算 公 式 , 结果 虽 有 所不同, 但都 能应用 于工程实践 中 。

Japan, 1997. [ 10] 聂建国. 钢 - 混凝土 组 合 结 构[M] . 北京: 中国建筑 工 业 出 2005. 版社,

[ 收稿日期] 2010 - 11 - 03 [ 作者简介] 胡 栋( 1987 - ) , 男, 江 西 进 贤 人, 硕 士 研究 生,

研究方向: 钢结构抗震。


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