圓鋼管(高強)混凝土壓彎構(gòu)件承載力計算方法探

1、鋼管（高強）混凝土壓彎構(gòu)件承載力計算方法探討決劉威I韓林海2堯國皇摘 要 本文簡要論述了圓鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀，介紹了 LRFD（1994）、AIJ（1997）、EC4（1996） 和DL/T5085-l999（1999）設(shè)計規(guī)程中關(guān)于圓鋼管混凝土構(gòu)件的設(shè)計方法通過對試驗數(shù)據(jù)的匯集 和分析，比較了各規(guī)程對鋼管普通強度和鋼管高強度混凝土構(gòu)件的計算結(jié)果，討論了各規(guī)程設(shè) 計公式對于鋼管高強混凝土的適用情況.關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；高強混凝土；梁柱；承載力V圓鋼管混凝土研究現(xiàn)狀鋼管混凝土結(jié)構(gòu)較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)而言，是一種新的結(jié)構(gòu)形式，在中國、歐州、 美國、日本.加拿大和澳大利亞等國的工程中應(yīng)用廣泛高

2、強度混凝土（世界各國對高強度混 凝土的定義有所不同.在我國，一般認(rèn)為強度等級為C60及以上的混凝土為高強混凝土.本文 以.C60以上的混族土作為主要討論對象）是近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門課題，用鋼管約束高 強混凝土可以有效地克服高強混凝土腌性大和延性差的弱點.使其工程應(yīng)用得以實現(xiàn)，優(yōu)勢得 以充分發(fā)揮.以往，對圓鋼管混凝土己有較多研究這些研究涉及圓鋼管混凝土軸壓.純彎、壓彎構(gòu)件的基本力學(xué)性能與其施工中的一些技術(shù)問題，并隨著王程的發(fā)展而深入，對工程實踐起到 了重要的指導(dǎo)與促進(jìn)作用。Robert是較早的研究者之一，當(dāng)時的制造工藝還僅能應(yīng)用熱軋管 作為外套鋼管，因此試件的鋼管壁較厚.含鋼率達(dá)到0.3以

3、上;Kenji叭Tsudam和王來永 分別進(jìn)行了鋼管普通混凝土短柱的基本力學(xué)性能試驗；湯關(guān)祚和蔡紹懷等分別進(jìn)疔了較大規(guī)模 的鋼管普通混凝土軸壓構(gòu)件基本力學(xué)性能試驗阿和鋼管普通混凝土短柱與長柱基本力學(xué)性能 試驗研究W 為圓鋼管混凝土力學(xué)性能研究奠定了基礎(chǔ)；韓林海進(jìn)行了鋼管普通混凝土軸壓構(gòu) 件的澆筑質(zhì)量試驗研究和鋼管普通混凝土長柱軸壓試驗.最大長細(xì)比達(dá)到154叫Lucsha進(jìn) 行了大尺寸的鋼管混凝土試驗研究，最大截面直徑達(dá)到102米，為鋼管混凝土小尺寸試驗研究 與工程應(yīng)用接軌提供了依據(jù)；顧維平問、Russal Bridgeh3韓林海MDbShed閭畫.余志 武Prion何、譚克鋒冋等進(jìn)行了混凝土強

4、度（標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強度）在69MPa-116Mpa1. 劉威，博士研究生，福州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，3500022. 韓林海.教授，博士生導(dǎo)師.福州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院.3500023. 堯國皇，碩士研究生，福州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，350002本項目得到福建省科技計劃重大項目（2002H007和霍英東教育基金（0501064）的資助范圍的鋼管高強混凝土軸壓試驗研究，這些試驗研究推動了鋼管高強混凝土的應(yīng)用。純彎的試 驗研究難度較大，試驗量相對較少.目前僅收集到四位研究者的試驗數(shù)據(jù)，潘友光和蔡紹懷 問進(jìn)行了鋼管普通混凝土的純彎試驗研究；Prion佃和Yasuo1進(jìn)行了混凝土強度為 70.12

5、Mpa91. 88Mpa的鋼管高強混凝土的純彎試驗研究.壓彎(偏壓)構(gòu)件是最常見的構(gòu)件形 式，其研究進(jìn)行較多.韓林海.Robert王來永、湯關(guān)祚X、鐘善桐等網(wǎng)汽Tpykb削、 蔡紹懷呦、Matsui(2S,進(jìn)行了大規(guī)模鋼管普通混凝土偏壓構(gòu)件的試驗研究：MDOEhea簡泗、 Neogi(291、Kilpatrick1301 > Mathias1311 .顧維平(321、Vi jay a1331 進(jìn)行了 混凝土 強度為 62. 78MPa-123. 9Mpa的鋼管髙強混凝土偏壓構(gòu)件的試驗研究。本文結(jié)合圓鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀.介紹LRFDQ994)、AlJ(1997)n EC4(1996)和

6、DL/T5085-1999( 1999)設(shè)計規(guī)程中關(guān)于圓鋼管混凝土構(gòu)件的設(shè)計方法.通過對試驗數(shù)據(jù)的匯集和 分析，比較各規(guī)程對鋼管普通強度和鋼管高強度混凝土構(gòu)件的計算結(jié)果，探討各規(guī)程設(shè)計公式 對于鋼管高強混凝土的適用情況。2. 規(guī)程計算方法概述IH鋼管混凝土的設(shè)計理論隨著鋼管混凝土的應(yīng)用發(fā)展而不斷更新.目前已頒布多部鋼管混凝 土規(guī)程(叫 本文擬以美國LRFD(1994)l35日本AIJ(1997)I均、歐洲EC4(1996)卩乃和中國的DL/T 50851999(1999)珂規(guī)程為例進(jìn)行分析，下面簡要介紹各規(guī)程的設(shè)計方法：1.軸壓構(gòu)件(l) LRFD (1994)規(guī)程冋LRFD規(guī)程為美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)

7、會所制定，是考慮構(gòu)件的整體穩(wěn)定，將混凝土的作用折算到鋼 材中，得到鋼材名義抗壓強度尸屮 再由心計算圓鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的承載力：(2)Ncr%Fcr (0.658心弘人"5式中，尸吋+08妮乙為鋼材屈服極面積，仏為混凝土橫截面面積，入為換算長細(xì)比冏。(2) AIJ (1997)規(guī)程(如AIJ規(guī)程采用疊加鋼管和混凝土二者承載力的辦法進(jìn)行軸壓構(gòu)件承裁力的計算.計算時按 不同長徑比0(其中，厶為構(gòu)件計算長度，D為圓鋼管外徑)將柱分為長柱和短柱當(dāng)£/D<12 時為短柱，否則為長柱。軸壓短柱承載力的計算公式為：M= 085/冷 +心(3)進(jìn)行長柱承載力的計算時，初偏心取直徑的5

8、%,按換算長細(xì)比，分別計算鋼管和混凝土 的承載力后進(jìn)行疊加.從而得到軸壓長柱的穩(wěn)定承載力.(3) EC4 (1996)規(guī)程呦EC4規(guī)程按下式計算軸壓構(gòu)件承載力：(0.877/穢)2. >1.5限，卅為混凝土圓柱體抗壓強度.仏為鋼管橫截i柱體抗壓強度;+(i + 7(d)cz； /A)4A a 為混凝土換算長細(xì)比和偏心率有關(guān)的系數(shù)；x為軸壓穩(wěn)定系數(shù)，和換算長細(xì)比幾及截面有效彈性剛度(£幾 有關(guān)叫(4) DUT5085-1999( 1999)規(guī)程阿 -449-我國DL/T50851999規(guī)程采用如下方法計算圓鋼管混凝土軸壓構(gòu)件承載力；N孑帝q(5)式中0為穩(wěn)定系數(shù)，和構(gòu)件長細(xì)比;、

9、截缶含鋼率、鋼材和混凝土強度有關(guān)削；M為軸壓強度 承載力，NyAg 其中，蟲務(wù)為圓鋼管混凝土橫截面面積(仏孑兀D?/4)，弘 為圓鋼管混凝土軸 壓強度指標(biāo).按下式計算：心=(L212+6bGFMk(6)式中，耳= 0.175幼/ 235+0.974； = -0303% / 20+0.0309：歹為約束效應(yīng)系數(shù)，仏為混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值：a =人/血,為截面含鋼率；心4L/D,為 構(gòu)件長細(xì)比。2.純彎構(gòu)件(l) LRFD (1994)、AIJ (1997)規(guī)程冏LRFD (1994)和AIJ(1997)規(guī)程在計算圓鋼管混凝土純彎構(gòu)件承載力時采用了類似的計 算公式.即忽略混凝土對構(gòu)件抗彎能力的

10、貢獻(xiàn)，僅考慮鋼管的作用，計算公式如下： 式中Z為鋼管截面塑性抵抗矩。(2) EC4 (1994)規(guī)程創(chuàng)EC4 (1994)規(guī)程按下式計算純彎構(gòu)件承載力：M. =0.9N /；» sinV(l-Q/2)(D-2)sin*式中，&和夕取決于截面中和軸距受壓區(qū)邊緣的距離刖，p =091人(3) DL/T5085 1999(1999)規(guī)程DLVT5085-1999規(guī)程采用如下公式計算純彎構(gòu)件的承載力：1=% 爐jenjcy式中必一抗彎承載力計算系數(shù)，人=-0.4047§ + 1.7629肓；%m構(gòu)件截面抗彎模量，D3/323.壓彎構(gòu)件計算圓鋼管混凝土壓彎構(gòu)件承載力時，LRF

11、D (1994. EC4 (1996)和D1/T5085-1999( 1999) 均采用了相關(guān)方程的方法 AIJ (1997)采用疊加鋼管和核心混凝土承載力的方法。各規(guī)程采用 的設(shè)計方法簡要介紹如下：(1) LRFD (1994)規(guī)程冏(10)LRFD (1994)規(guī)程釆用兩段直線形式的相關(guān)方程計算壓彎構(gòu)件的承載力； jN/Mr + 8M/(9Mg NIN宀 02 n/QNcO + M/MuG N/NcrvO.2 式中，和胚分別按式(1)和式(7)確定.(2) AlJ (1997)規(guī)程冏(Ila)b)(11c) (Hd)M分別為混AU規(guī)程采用如下方法計算壓彎構(gòu)件的承載力： 對于短柱，當(dāng)N&am

12、p;N©或血M時N=N當(dāng) N 或 時 NQV + 州對于長柱，當(dāng)阻M或心7訂帕?xí)rN訶 M現(xiàn)(1屮/NJ+cM：當(dāng) N>N 或時 NWN +N MgNJNJ式中入為混凝土的抗壓承載力，和"分別為混凝土和鋼材承擔(dān)的軸力.比和， 凝土和鋼材承擔(dān)的彎矩，M為等效歐拉臨界力卩叫 甌為極限彎矩，按式(7)確定.EC4 (1996)規(guī)程阿_ 44EC4規(guī)程提供的相關(guān)方程形式為曲線形式.其表達(dá)式為N = Ni 一 (屆一 Jh - 4b)M/ M - 4b(M/ 必丫 (12)式中，為、馭、匕為計算系數(shù)卩7】，N“和分別按式(4)和式(8)確定。 DI/T50854999 (1999

13、)規(guī)程(呵驗算壓彎構(gòu)件的承載力時，DLTT5085-1999 (1999)規(guī)程采用以下曲線形式的相關(guān)方程：1)當(dāng) N/A&Q.2(p 弘時NKM,小、+ 2<1(13a)兀 1.071陸2)當(dāng) N/A<時N<1(13b)14叫陸式中，心考慮二階效應(yīng)對彎矩的影響系數(shù)，心=1/(104N/Ne)；隆-歐拉臨界力網(wǎng)。3. 圓鋼管混凝土計算方法比較以下采用各設(shè)計規(guī)程進(jìn)行計算時，材料指標(biāo)均取標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行.表1.表2和表3分別給出了不同規(guī)程對圓鋼管混凝土軸壓.純彎和壓彎(偏壓)構(gòu)件承載力計算結(jié)果(M)與試驗結(jié)果(M比值的平均值(“)和均方差(小。混凝土強度范圍：軸 壓構(gòu)件 9.62

14、MpaI23.6MPa,純彎構(gòu)件 34.41Mpa91.88MPa,壓彎構(gòu)件 22.5Mpa123.9Mpa。我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程在原規(guī)程的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高了設(shè)計所采用的混凝土強度等級，對于混凝土強度指標(biāo)的規(guī)定，調(diào)整了軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值之間的折算關(guān) 系(391 °本文應(yīng)用DL/T5085J999對鋼管混凝土構(gòu)件承載力進(jìn)行計算時，分別釆用我國混凝土結(jié)構(gòu) 原設(shè)計規(guī)程剛和新規(guī)程剛中關(guān)于軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定進(jìn)行計算，計算結(jié)果分別用 DL/T5085-1999(1999)(原)和 DL/T5085-1999( 1999)(新)表示.對于軸壓構(gòu)件，DL/T5085-19

15、99 (“=0.954, <7=0.153)與試驗結(jié)果相比稍偏于安全且符合 較好，EC4(“=0.824, <r=0ll)次之，LRFD(/z =0.678, a =0.096)與 AIJ(“ =0.671, a =0.110) 的計算結(jié)果則最為安全。對于LRFD規(guī)程、AIJ規(guī)程和EC4規(guī)程，設(shè)計公式對鋼管普通混凝土 和鋼管高強混凝土的計算情況比較接近，鋼管普通混凝土的計算結(jié)果與總體結(jié)果接近且略高， 但差別在0.8%之內(nèi)，高強混凝土的計算結(jié)果比總體結(jié)果偏低，差別分別為2.5%、1.5%、0,對 于DL/T5085-1999規(guī)程，計算值與試驗結(jié)果的總體差別在5%之內(nèi)，但其對于鋼管普通

16、混凝土和 鋼管高強混凝土的計算差別比較大，鋼管高強混凝土計算結(jié)果比鋼管普通混凝土高10%,而且 高于試驗數(shù)據(jù)的總體結(jié)果，這表明DLVT5085-1999規(guī)范對于鋼管高強混凝土軸壓構(gòu)件的計算偏 于不安全。采用新的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程中混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定，用 DL/T5085.1999規(guī)程進(jìn)行鋼管混凝土承載力計算，發(fā)現(xiàn)混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)值的調(diào)整對于鋼管髙強 混凝土的計算結(jié)果影響較大，使鋼管高強混凝土的計算值有明顯下降，與鋼管普通混凝土的差 別減小到旅以內(nèi)，且計算結(jié)果略偏于安全。對于純彎構(gòu)件，DLTT5085-1999 (“ = L017, a =0.112)的計算結(jié)果與試驗結(jié)果最為吻合,EC

17、4 (“=0.754, <t0.108)次之.AIJ (“=0652, cr=0J43)與 LRFD (“=0652,(r=043) 的計算結(jié)果偏于安全.LRFD規(guī)程與AIJ規(guī)程因為忽略混凝土的作用，對于鋼管高強混凝土計 算值就更為安全，EC4規(guī)程對于鋼管高強混凝土的計算值亦比鋼管普通混凝土更為偏于安全， DL/T5085-1999規(guī)程對鋼管高強混凝土和鋼管普通混凝土的計算差別較小。若采用混凝土新規(guī) 范的混凝土強度指標(biāo)，則DL/T5085-1999規(guī)程計算結(jié)果對于高強混凝土略有下降，與試驗數(shù)據(jù) 吻合良好且略偏于安全。對于壓彎構(gòu)件，DL/T5085J999 (“=0.936, o*=0.1

18、76)計算結(jié)果與試驗結(jié)果最為吻合，AIJ (“=0.787, 嚴(yán)0211)、EC4 (“=0/772, a =0.142)與 LRFD (“=0.741, <7=0.194)計算結(jié)果 與試驗結(jié)果相差較大且偏于安全。AIJ規(guī)程與EC4規(guī)程對鋼管普通混凝土和鋼管高強混凝土的 計算差別不大，在4%以內(nèi)，LRFD規(guī)程的這種差別較大，達(dá)到20%,但對普通與高強鋼管混凝 土的計算都是安全的，DL/T5085-1999規(guī)程的這種計算差別雖然比LRFD規(guī)程小，在16%左右, 但它對于鋼管高強混凝土的計算偏于不安全，采用混凝土新規(guī)范的混凝土強度指標(biāo)，這種差別 減小到10%以內(nèi)，且計算均偏于安全。需要說明的

19、是.各種規(guī)范具有不同的適用范圍，構(gòu)件的承載力指標(biāo)也會有所差異.此外.不同研究者在試驗中對試件承載力的取值標(biāo)準(zhǔn)也有所不同.因此，上述的比較結(jié)果僅供有關(guān)工 程技術(shù)人員在應(yīng)用這些規(guī)程時參考和判斷.表1軸壓構(gòu)件承載力比較結(jié)果規(guī)范 LRFD(1994) AIJ(1997)編號 “<7OEC4(1996)DL/T(1999X原)DUT(1999X新)數(shù)據(jù)數(shù)目數(shù)據(jù)來源10.5870.0720.5920.0740.7610.0870.7940J260.7860.11945120.6700.0150.6740.0150.8810.0260.9410.0390.9230.03110230.6260.0370

20、&80.0370.8800.0350.8640.0960.8410.0711240.8260.0510.6340.0460.7830.0470.8300.0670.8270.06411(450.7010.0670.6510J600.8830.1810.9750.0700.9640.06835】60.768OJ150.7350.0980.8420.0921,0850.2621.0760.2571270.8310.0270.6800.1360.9040.0741.1720.101L156OJOO680.6930.0900.6780.1910.7600.1110.8960.1960.8890

21、J9036890.8800.0850.8930.086L0870.105L2740.123L2220J2439100.7300.0560.7520.0950.8570.0580.9970,0780.9890.07922(10110.6820.0840.6910.0970.8310.0750.9330,1160.9250J147511】120.7040.0390.6100.1050.7320.047L0120J170.9820.1131012130.6430.0000.6480.0000.7910.0000.9790.0000.9180.0002B140.7560.0810.7620.0810.

22、9810.107L0950.0891.0390.0902114150.7210.0700.7260.0700.9490.0961.0080.1070.9830.0933115“<7bpd-452 一160.6580.0780.6640.0780.8080.1051.0330.0530.9380.1071816170.6260.0840.6310.0850/7850J030.8540.1320.8740,1112817180.6220.0330.6340.0330.7450.0470.9960.0430.8990.046618190.6010.0560.6080.0570.7410.065

23、0.955OJ530.8420.1181319200.6020.0420.6140.0300.7250.050L0200J060.8730.0612220總計0.6780.0960.6710.1100.8240.1110.9540.1530.9180.144386普通0.6830.0990.6740J160.8240.1030.9250J580.9120.153260高強0.6610.0890.6610.0920.8170.130L0140.1150.9290.118126 表2純彎構(gòu)件承載力比較結(jié)果規(guī)范LRFD(1994)Al J( 1997)EC4(1996)DL/T( 1999)( 原)

24、DL/T( 1999)( 新)數(shù)據(jù) 數(shù)目數(shù)據(jù) 來源編號a<7aCTa10.8230.0480.8230.0480.8860.0501.0480.0611.0480.06132120.6520J430.6520.1430.8040420.9510.1680.9510J6822230.5050.0330.5050.0330.6590.0430.9040.021L0520.06841840.6130.0250.6130.0250.7140.0241J120.0720.8890.023323總計0.6520.1430.6520.1430.7540J081.0170J120.9940J12普通0.

25、7940.0850.7940.0850.8530,0911.0100J08L0100J085高強0.5510.0640.5510.0640.6830.0441.0230.1220.9820.1017表3壓彎構(gòu)件承載力比較結(jié)果規(guī)范LRFD(1994)AIJ(1997)EC4( 1996)DL/T( 1999)( 原)DUT(1999X 新)數(shù)據(jù) 數(shù)目數(shù)據(jù)AWT編號aAaAaaa來源10.7460.1290.7640.1360.8020.0850.8690J380.8700J38412420.8140.1450.8310.2190.7810.1230.9050.1420.9050J42622530

26、.8370.1100.6650.0990,6210J340.9010.1170.8980.11645【2640.6960.1590.8480.2210.7920.0710.8800.1380.8610J49412750.6420.0910.8030.2160.8160.0520.8210J110.8150J1181160.5370.0890.5900.0380.6990.0260.6940.0970.6860.0967570.8330.1750.7610.0760.7990.0891.0510861.0370,184182881.06404791.2080.5951030.4870J070.4

27、541.0980.4496690.6440.0690.9020.1410.9260.1070.9000.0800.8630.080149100.4140J170.6900.0580.7990.0750.8910.0560.8180.0601616110.7670.2390.8430.2670.7580.1330.9810.1130.9560J261829120.7910.1310.7550.1580.6860.042L0720201.0360.1221530130.8840.0230.6190.0160.7750.020L3720.035L3060.034331140.7140.1110.88

28、60J410.847OJ320.9530.1380.8950.129932150.6930J730.7850.2870.7710.0600.220L11302031833160.3770.1310.7190.0340.7830.0531.0250.0530.8690.044720總計0.7410940.7870,2110,7720J420.9360J760.9150J69328普通0.7660.1820.7930.21505770.1520.9080.1580.8980.159262高強0.6400,2100.7640.1960.7490.091L0510.1960.9810.196664結(jié)論

29、本文通過對386個圓鋼管混凝土軸壓構(gòu)件，12個純彎構(gòu)件，和328個壓彎構(gòu)件試驗數(shù)據(jù)的 比較，發(fā)現(xiàn)DL/T50851999(1999)規(guī)程計算結(jié)果與試驗結(jié)果的整體符合最好，EC4(1996)規(guī)程的 計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近；AIJ(1997)規(guī)程和LRFD(1994)規(guī)程的計算最為安全；對由強度60MPai24MPa組成的鋼管高強混凝土軸壓、純彎和壓彎構(gòu)件試驗結(jié)果的比較分析表明.上述 規(guī)程基本適合進(jìn)行鋼管高強混凝土壓彎構(gòu)件的設(shè)計計算。參考文獻(xiàn)1.2.3.4.56.7.&9.10.11.蔡紹懷，焦占栓.鋼管混凝土短柱的基本性能和強度計算的研究.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的強度 計算.北京:中國建筑科

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