鋼管混凝土空心短柱軸壓承載力研究

1、鋼管混凝土空心柱軸壓承載力研究張三（1. 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽621010）摘 要 運(yùn)用統(tǒng)一強(qiáng)度理論，考慮鋼管因環(huán)向受拉導(dǎo)致縱向應(yīng)力降低的影響，得出了鋼管混凝土空心長、短柱軸壓極限承載力的計(jì)算公式，并分析了中間主應(yīng)力等因素對(duì)極限承載力的影響規(guī)律，極限承載力隨著參數(shù)值的增大而增大。利用本文計(jì)算公式所得結(jié)果與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，吻合較好，驗(yàn)證了運(yùn)用統(tǒng)一強(qiáng)度理論進(jìn)行鋼管混凝土空心柱軸壓力學(xué)性能分析的可行性和正確性。關(guān)鍵詞 統(tǒng)一強(qiáng)度理論 鋼管混凝土空心柱 軸心受壓 承載力0 引 言鋼管混凝土空心柱由鋼管和混凝土內(nèi)襯組合而成，其截面形式如圖1所示。內(nèi)襯混凝土通常采用離心法澆筑。該

2、種構(gòu)件除具有普通鋼管混凝土承載力高、剛度大、塑性韌性好、抗震性能好等良好的力學(xué)性能外，還具有自身的優(yōu)點(diǎn)：一、自重輕，由于構(gòu)件中心部分的混凝土是抽空的，因而同實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件相比顯著地減輕了重量，從而更便于運(yùn)輸和吊裝；二、可以預(yù)制，該種構(gòu)件可以進(jìn)行大批量的工廠生產(chǎn)，減少現(xiàn)場的作業(yè)，由于是工廠的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，因此混凝土的成型質(zhì)量較好地得到了保證。由于上述優(yōu)點(diǎn)，該種構(gòu)件已被廣泛地應(yīng)用到電塔結(jié)構(gòu)中。國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)其開展了大量的研究工作，日本MIYAKI SATOSH1-2等先后報(bào)道了離心鋼管混凝土短圓管的軸壓測試和圓柱體軸向受力的剪切彎曲測試結(jié)果，分別給出了其抗壓強(qiáng)度和極限抗彎強(qiáng)度的計(jì)算公式，0

3、9; Shea& Bridge3進(jìn)行了短圓形離心鋼管中填以溶劑和高強(qiáng)混凝土的性能試驗(yàn)，蔡紹懷、鐘善桐等先后進(jìn)行了鋼管混凝土空心短柱和長柱的試驗(yàn)研究4-7。本文擬運(yùn)用統(tǒng)一強(qiáng)度理論，考慮鋼管因環(huán)向受拉導(dǎo)致縱向應(yīng)力降低的影響分析鋼管混凝土空心柱的軸壓力學(xué)性能。圖1 鋼管混凝土空心柱截面示意圖1 統(tǒng)一強(qiáng)度理論統(tǒng)一強(qiáng)度理論是1991年俞茂宏從雙剪單元體出發(fā)，考慮應(yīng)力狀態(tài)的所有應(yīng)力分量以及它們對(duì)材料屈服和破壞的不同影響，建立的一種全新的統(tǒng)一強(qiáng)度理論和一系列新的典型計(jì)算準(zhǔn)則，它用一個(gè)統(tǒng)一的力學(xué)模型、簡單的統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以十分靈活地適用于各種不同特性的材料，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為8： 當(dāng)時(shí) (1a) 當(dāng)

4、時(shí) (1b)2鋼管混凝土空心短柱的軸壓承載力2.1鋼管混凝土空心短柱的受力和破壞機(jī)理鋼管混凝土空心柱中，在受荷初期，由于鋼材的泊松比大于混凝土的泊松比，因此鋼材的橫向變形大于混凝土，鋼管和混凝土有相互分離的趨勢。此時(shí)，鋼管和混凝土按剛度比承受外荷載，截面的承載力可以認(rèn)為是鋼管和混凝土單獨(dú)受力的簡單疊加；當(dāng)荷載繼續(xù)增大時(shí)，混凝土泊松比增大并超過鋼材，截面開始進(jìn)入彈塑性階段，混凝土的橫向膨脹大于鋼管的環(huán)向應(yīng)變，兩者產(chǎn)生相互作用力(緊箍力和鼓脹力)，混凝土內(nèi)襯受鋼管的側(cè)向約束產(chǎn)生應(yīng)力，同時(shí)混凝土內(nèi)襯對(duì)鋼管反作用有應(yīng)力，如圖3所示。進(jìn)入塑性階段后，混凝土的彈性模量時(shí)刻都在發(fā)生變化，隨著荷載的進(jìn)一步增大

5、，鋼管屈服后，鋼管處于主要承受環(huán)向受拉、縱向受壓的不利受力狀態(tài)，鋼管的環(huán)向應(yīng)力不斷增大，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力達(dá)到屈服時(shí)，鋼管對(duì)混凝土的約束控制力失效，截面承載力達(dá)到極限狀態(tài)4，6。 (a) 截面示意圖 (b) 鋼管所受側(cè)壓力 (c) 混凝土內(nèi)襯所受側(cè)壓力圖3 鋼管混凝土空心短柱截面及受力示意圖2.2鋼管的承載力在絕大多數(shù)工程實(shí)際和試驗(yàn)研究中的鋼管混凝土空心柱采用的鋼管均滿足徑厚比，因此可將其示為薄壁鋼管。由前面所述的受力和破壞機(jī)理可知，在鋼管混凝土空心柱中，外鋼管對(duì)混凝土內(nèi)襯作用有側(cè)向壓力，反過來混凝土內(nèi)襯對(duì)鋼管作用徑向壓力，并使鋼管產(chǎn)生環(huán)向拉力。當(dāng)鋼管的環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，鋼管失去對(duì)混凝土的約束

6、控制力，構(gòu)件達(dá)到極限承載能力狀態(tài)，進(jìn)而破壞。薄壁鋼管處于軸向受壓、徑向受壓、環(huán)向受拉的受力狀態(tài)，令其所受的軸向壓應(yīng)力、徑向壓應(yīng)力、環(huán)向拉應(yīng)力分別為、，則有 (3)式中：為薄壁鋼管所承受的軸向壓力；為薄壁鋼管的面積，；為薄壁鋼管的壁厚；為薄壁鋼管的直徑(外直徑)；為核心混凝土對(duì)鋼管的徑向壓應(yīng)力。文獻(xiàn)4通過實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，當(dāng)薄壁鋼管達(dá)到屈服而開始塑流后，鋼管混凝土空心柱的應(yīng)變發(fā)展加劇，薄壁鋼管所受的環(huán)向拉應(yīng)力不斷增大，縱向壓應(yīng)力相應(yīng)減小，薄壁鋼管從主要承受縱向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕惺墉h(huán)向拉應(yīng)力，且環(huán)向拉應(yīng)力大于縱向壓應(yīng)力的絕對(duì)值，即。依據(jù)的規(guī)定，對(duì)于薄壁鋼管而言，其主應(yīng)力為 (4)2.3混凝土的承載力混

7、凝土在三向受壓狀態(tài)下軸向抗壓強(qiáng)度的統(tǒng)一解在普通鋼管混凝土中，因混凝土在軸向壓力作用下，其橫向擴(kuò)展受到鋼管的約束，從而處于軸向壓縮和側(cè)向均勻圍壓的三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，即，文獻(xiàn)9依據(jù)統(tǒng)一強(qiáng)度理論推得 (9)式中：，為混凝土的內(nèi)摩擦角；為混凝土在三向應(yīng)力狀態(tài)下的軸向抗壓強(qiáng)度，用表示；為混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度；為鋼管對(duì)混凝土的側(cè)向約束應(yīng)力，用表示。則式(9)可改寫為 (10) G .G .Meyerhof. N. M Hawkins等學(xué)者的試驗(yàn)指出，三向受壓混凝土得出的內(nèi)摩擦角變化范圍為，側(cè)壓力小，內(nèi)摩擦角大，側(cè)壓力大，內(nèi)摩擦角小，相應(yīng)的值在之間變化。鋼管混凝土計(jì)算時(shí)經(jīng)常取，具體值由試驗(yàn)確定?；炷羶?nèi)襯的

8、承載力2.4鋼管混凝土空心短柱軸壓承載力統(tǒng)一解鋼管混凝土空心短柱的軸壓承載力由鋼管和混凝土內(nèi)襯共同承擔(dān)，即 (13)式中：為軸壓承載力，、分別為鋼管和混凝土內(nèi)襯所承受的軸向壓力。將式(8)、(12)代入式(13)，整理可得鋼管混凝土空心短柱的軸壓承載力統(tǒng)一解為 (14)3鋼管混凝土空心長柱的軸壓承載力 對(duì)于長柱來說，隨著長細(xì)比的增加，鋼管混凝土空心柱的破壞形態(tài)將由混凝土內(nèi)襯塌落為標(biāo)志的材料破壞逐漸轉(zhuǎn)化為失穩(wěn)破壞，因此，本文參照文獻(xiàn)10的思路，引入一個(gè)考慮長細(xì)比影響的承載能力折減系數(shù)來計(jì)算鋼管混凝土空心長柱的軸壓承載力，即 (15)其中：的表達(dá)式為，。4計(jì)算公式的驗(yàn)證與分析合理選擇上述公式中的基

9、本參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。這些參數(shù)可以由試驗(yàn)來確定。本文分別采用文獻(xiàn)4的鋼管混凝土空心短柱軸壓試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)5、7的長柱試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，給出了、時(shí)的計(jì)算結(jié)果，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，分別如表1、表2所示，極限承載力隨強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律見圖4所示。表1 文獻(xiàn)4軸心受壓短柱試件試驗(yàn)結(jié)果與本文計(jì)算結(jié)果對(duì)比試件編號(hào)鋼管尺寸(mm)d (mm)空心率混凝土單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)鋼管屈服強(qiáng)度(MPa)極限承載能力N實(shí)測值計(jì)算值按式（14）S3-a0023.3248.71441.61484.91.030S3-b0023.3248.71471.01484.91.009S3-c0023.3

10、248.71441.61484.91.030表2 文獻(xiàn)5、7軸心受壓長柱試件試驗(yàn)結(jié)果與本文計(jì)算結(jié)果對(duì)比試件編號(hào)鋼管尺寸(mm)d (mm)長細(xì)比混凝土單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)鋼管屈服強(qiáng)度(MPa)極限承載能力N實(shí)測值計(jì)算值按式（15）ZZ-1-12153425.3350.112901498.71.162ZZ-1-22133425.3350.112771530.41.198ZZ-2-12444525.3350.114351005.50.701ZZ-2-22434525.3350.112581023.50.814ZZ-3-11724025.3350.119502115.31.085ZZ-3-2171

11、4025.3350.120352128.01.046 (a) 文獻(xiàn)4中H3-d試件軸壓承載力與參數(shù)b的關(guān)系 (b) 文獻(xiàn)7中ZZ-3-2試件軸壓承載力與參數(shù)b的關(guān)系 圖4 軸壓極限承載力與參數(shù)b的關(guān)系曲線5結(jié) 語(1)運(yùn)用統(tǒng)一強(qiáng)度理論，考慮鋼管因環(huán)向受拉導(dǎo)致縱向應(yīng)力降低的影響，得出了鋼管混凝土空心短柱軸壓極限承載力的統(tǒng)一解。并在此基礎(chǔ)上，引入考慮長細(xì)比影響的折減系數(shù)，得到了鋼管混凝土空心長柱軸壓極限承載力的計(jì)算公式。(2)中間主應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土空心柱的軸壓極限承載力有較大影響，極限承載力隨著強(qiáng)度參數(shù)值的增大而增大。參考文獻(xiàn)1 MIYAKI SATOSH. Evalution formular

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