張明聚,孫乾坤

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

不同規(guī)程下矩形鋼管混凝土抗彎承載力研究

張明聚,孫乾坤

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

通過國(guó)內(nèi)外鋼管混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)有關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行了矩形鋼管混凝土抗彎承載力的計(jì)算,比較了規(guī)程之間計(jì)算結(jié)果的差異。結(jié)合典型算例,分析了在不同含鋼率、混凝土強(qiáng)度和鋼材強(qiáng)度等影響因素下鋼管混凝土抗彎承載力的變化趨勢(shì),得出了不同設(shè)計(jì)規(guī)程在進(jìn)行矩形鋼管混凝土構(gòu)件抗彎承載力設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的特點(diǎn),結(jié)論具有一定的參考價(jià)值。

矩形鋼管混凝土;抗彎承載力;含鋼率;混凝土等級(jí);鋼材強(qiáng)度

0 引言

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)充分利用鋼和混凝土兩種材料在受力過程中相互作用,借助內(nèi)填混凝土增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性,借助鋼管對(duì)核心混凝土的套箍作用,使核心混凝土處于三向受力狀態(tài),從而使鋼管混凝土具有承載力高、塑性、韌性好、變形能力高的特點(diǎn)[1]。

多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土的力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法開展了細(xì)致的研究工作,已取得了豐碩的成果。國(guó)外,1981年Sakino和Tomii進(jìn)行了15根方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究,考察了截面寬厚比、軸壓比等參數(shù)對(duì)該類構(gòu)件滯回性能的影響[2];1989年Shakir-Khalil和J.Zeghiche對(duì)7根矩形鋼管混凝土柱進(jìn)行試驗(yàn)研究[3],試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果和英國(guó)規(guī)范BS5400進(jìn)行比較,初步得到了一些嘗試性結(jié)論;英國(guó)的YC.Wang進(jìn)行了8個(gè)矩形鋼管混凝土長(zhǎng)柱的偏壓試驗(yàn)[4],提出了比較簡(jiǎn)單的公式;1991年Matsui對(duì)鋼管內(nèi)壁有肋的方鋼管混凝土柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn),研究了內(nèi)突肋對(duì)方鋼管混凝土柱的延性和耗能能力的影響[5];1998年P(guān).Schneider報(bào)道了3個(gè)圓形截面、5個(gè)方形截面和6個(gè)矩形截面鋼管混凝土軸壓短柱的試驗(yàn)結(jié)果[6],試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)方、矩形鋼管混凝土對(duì)核心混凝土的約束效果明顯不如圓鋼管。(2)ABAQUS程序可以準(zhǔn)確地計(jì)算出鋼管混凝土的極限承載力。

在國(guó)內(nèi),1998年陶忠等以偏心率、截面寬度、管壁厚度和混凝土強(qiáng)度為變化參數(shù)進(jìn)行了21根方鋼管混凝土的壓彎構(gòu)件的試驗(yàn)[7],對(duì)方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件荷載-變形全過程進(jìn)行分析,推導(dǎo)了驗(yàn)算壓彎構(gòu)件承載力的相關(guān)方程;2006年王晶對(duì)6個(gè)寬厚比小于19的矩形鋼管混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究[8],結(jié)果表明矩形鋼管混凝土受彎構(gòu)件具有較高的承載力和良好的延性,采用纖維模型法對(duì)矩形鋼管混凝土受彎構(gòu)件荷載-變形關(guān)系進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好;2008年李黎明等通過9個(gè)方鋼管混凝土柱在低周反復(fù)荷載下的試驗(yàn)研究[9],分析了該構(gòu)件的承載能力、變形能力、剛度退后、耗能能力及結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制。

通過對(duì)鋼管混凝土的研究,各國(guó)制定了相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)程和規(guī)范,國(guó)外有關(guān)鋼管混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范主要有美國(guó)規(guī)程AISC(2005)、日本規(guī)程AIJ(1997)、歐洲規(guī)范EC4(2004)、英國(guó)規(guī)程BS 5400(2005)和德國(guó)DIN 18806(1997)等,這些規(guī)程中都同時(shí)包含了圓鋼管和矩形鋼管混凝土構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方面的條文[10]。我國(guó)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程有JCJ01-89、CECS 159:2004、DL/T5085-1999及國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GJB4142-2000和福建省建設(shè)廳發(fā)布的地方規(guī)程DBJ13-51-2003。

1 鋼管混凝土規(guī)范計(jì)算結(jié)果與相關(guān)試驗(yàn)比較

為了驗(yàn)證不同規(guī)程之間的鋼管混凝土抗彎承載力的差異,本文選取規(guī)程AISC(2005),AIJ(1997),EC4(2004),BS5400(2005),GJB4142-2000,CECS159:2004和DBJ13-51-2003[11-17]等規(guī)程對(duì)文獻(xiàn)[18]的試驗(yàn)成果進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

其中,圖1選用的四種試驗(yàn)構(gòu)件尺寸分別為150 mm×120 mm、150 mm ×90 mm、120 mm ×90 mm、120 mm×60 mm,壁厚均為2.93 mm,計(jì)算長(zhǎng)度為1 000 mm,鋼材屈服強(qiáng)度為293.8 MPa,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為23.1MPa,采用四分點(diǎn)加載方式。圖1的縱坐標(biāo)為彎矩。

經(jīng)過計(jì)算,通過圖1的比較分析得出:按照不同規(guī)程計(jì)算所得到的鋼管混凝土抗彎承載力差別并不明顯,數(shù)據(jù)比較接近;與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比,按規(guī)程計(jì)算的結(jié)果小于實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果。

結(jié)合各規(guī)程的計(jì)算公式,存在如上差異,主要是因?yàn)?規(guī)程EC4,CECS,BS5400考慮了核心混凝土的抗彎影響,但是沒有考慮到鋼管與混凝土之間的約束和粘結(jié);規(guī)程AIJ和AISC只考慮了鋼管的抗彎能力,忽略了混凝土的影響;規(guī)程DBJ和GJB考慮了鋼管對(duì)混凝土的約束作用。但是實(shí)際試驗(yàn)中,鋼管混凝土在受彎時(shí)由于鋼管對(duì)混凝土的約束、鋼管與混凝土之間的粘結(jié)使得混凝土處于復(fù)雜的受力狀況下,增大了其抗彎承載能力,規(guī)程的計(jì)算都是偏于保守的。

2 影響因素分析

為了比較各規(guī)程在計(jì)算鋼管混凝土承載力時(shí)受到含鋼率、混凝土強(qiáng)度及鋼材強(qiáng)度影響的特點(diǎn),結(jié)合了典型算例,對(duì)AISC(2005),AIJ(1997),BS 5400(2005),GJB 4142-2000,DBJ13-51-2003,CECS 159:2004和EC4(2004)等規(guī)程在不同因素下進(jìn)行了比較和計(jì)算,研究了不同因素對(duì)鋼管混凝土的抗彎承載能力的影響。

2.1 含鋼率的影響

選取壁厚不同、尺寸分別為200 mm×4 mm×1000 mm、200 mm×6 mm×1000 mm、200 mm ×8 mm×1000 mmmm、200 mm×10 mm×1000 mm的方鋼管,在混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60、鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q345的情況下分別進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2 不同含鋼率下規(guī)程的計(jì)算結(jié)果

從圖2可以看出:各個(gè)規(guī)程計(jì)算的鋼管混凝土隨著含鋼率的升高,抗彎承載力變化類似;規(guī)程AISC和AIJ由于計(jì)算時(shí)忽略了混凝土的貢獻(xiàn),計(jì)算結(jié)果最低;規(guī)程DBJ13-51-2003受含鋼率的影響比較大,隨著含鋼率的增高抗彎承載力增大最為明顯。從總體來(lái)說(shuō)各個(gè)規(guī)程在不同含鋼率下計(jì)算結(jié)果差距不大。

結(jié)合各規(guī)程公式分析原因知:各個(gè)規(guī)程的計(jì)算公式與含鋼率大致呈線性關(guān)系,所以他們的抗彎承載力變化類似。

2.2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

選取尺寸為200 mm×10 mm×1000 mm的方鋼管,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30、C40、C50和 C60,在鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q345的情況下進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 不同混凝土強(qiáng)度下的計(jì)算結(jié)果

從圖3可以看出:混凝土強(qiáng)度對(duì)各規(guī)程的抗彎承載力影響不大,每條曲線都近似為一水平線;規(guī)程之間由于混凝土強(qiáng)度不同計(jì)算結(jié)果有一定差距。其中規(guī)程DBJ13-51-2003的計(jì)算結(jié)果最大。

結(jié)合各規(guī)程公式分析原因知:規(guī)程AISC和AIJ不考慮混凝土的影響,所以其計(jì)算結(jié)果為一水平線;EC4(2004),BS5400(2005),CECS159:2004考慮了混凝土的抗彎的影響,抗彎承載力隨著混凝土強(qiáng)度的升高而增大;而DBJ13-51-2003和GJB4142-2000由于考慮了構(gòu)件截面約束效應(yīng)系數(shù)的影響,混凝土強(qiáng)度升高會(huì)使系數(shù)降低,有可能使鋼管混凝土的抗彎承載力降低。

2.3 鋼材強(qiáng)度的影響

選取尺寸為200 mm×10 mm×1000 mm的方鋼管,鋼材強(qiáng)度等級(jí)分別為Q235、Q275、Q315和Q345,在混凝土等級(jí)為C40的情況下進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 不同鋼材強(qiáng)度下的計(jì)算結(jié)果

由圖4可以看出:各個(gè)規(guī)程鋼管混凝土的抗彎承載力受鋼材強(qiáng)度的影響都比較大,各個(gè)規(guī)程隨著鋼材強(qiáng)度的增大變化規(guī)律比較類似;同時(shí)可以看出隨著鋼材強(qiáng)度的進(jìn)一步加大,鋼管混凝土抗彎承載力增大變緩。其中規(guī)程DBJ13-51-2003的計(jì)算結(jié)果明顯大于其它6種規(guī)程,規(guī)程BS 5400(2005),AISC(2005),AIJ(1997)的計(jì)算結(jié)果相對(duì)較小。

3 結(jié) 論

通過以上的研究,可以初步得到以下結(jié)論:

(1)矩形鋼管混凝土的實(shí)際抗彎承載力大于規(guī)程計(jì)算的抗彎承載力,為了最大發(fā)揮其作用,推薦使用規(guī)程DBJ13-51-2003。

(2)含鋼率對(duì)矩形鋼管混凝土的抗彎承載力有明顯影響,各個(gè)規(guī)程在不同含鋼率下計(jì)算的抗彎承載能力結(jié)果差距不明顯。

(3)混凝土強(qiáng)度對(duì)矩形鋼管混凝土的抗彎承載能力有較小的影響,但是各個(gè)規(guī)程在不同混凝土強(qiáng)度下計(jì)算的抗彎承載能力結(jié)果有一定的差距,其中規(guī)程AISC和AIJ不考慮混凝土的影響,所以其計(jì)算結(jié)果為一定值。

(4)鋼材強(qiáng)度對(duì)矩形鋼管混凝土的抗彎承載力有一定影響,各個(gè)規(guī)程在鋼材強(qiáng)度較低時(shí)計(jì)算結(jié)果差距不大,隨著鋼材強(qiáng)度的升高,計(jì)算結(jié)果差距逐漸變大。

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Research on Flexural Bearing Capacity of Rectangular Steel Tube Concrete in Different Codes

ZHANG Ming-ju,SUN Qian-kun
(College of Architectural Engineering,Beijing Polytechnical University,Beijing100124,China)

Though the calculation resultsof the bending bearing capacity in rectangular steel tube concrete tests,the difference between the norms is observed and studied.By means of typical examples,the changing trends of the bending bearing capacity of the rectangular steel tube concrete under different steel ratio,different concrete strength and different steel strength are analyzed in detail,and the characteristics of different norms are obtained through the calculation of the bending bearing capacity of the rectangular steel tube concrete.The conclusion is valuable to projects and researchers.

rectangular steel tube concrete;flexural bearing capacity;steel ratio;concrete grade;steel strength

TU312+.1

A

1672—1144(2012)05—0001—03

2012-03-01

2012-04-20

張明聚(1962—),男(漢族),博士,教授,主要從事城市地下空間與地下工程、基坑與邊坡設(shè)計(jì)理論的教學(xué)與科研工作。