帶肋薄壁方鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力

1、2013年第9期(總第287期)混凝Number9in2013(TotalNo287)Concrete土理論研究THE0RETICALRESEARCHdoi：103969／jissn10023550201309002帶肋薄壁方鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力趙均海，徐堅(jiān)鋒。李艷(長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安710061)摘要：針對(duì)帶肋薄壁方鋼管混凝土軸壓短柱，通過引入混凝土強(qiáng)度折減系數(shù)和修正后的等效約束折減系數(shù)，將方鋼管混凝土等效為圓鋼

2、管混凝土，采用統(tǒng)一強(qiáng)度理論推導(dǎo)出極限承載力的計(jì)算公式，并對(duì)影響因素進(jìn)行了分析。將采用本研究公式計(jì)算所得的理論值與相關(guān)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)值進(jìn)行比較，吻合良好，驗(yàn)證了公式的合理性，可為帶肋方鋼管混凝土柱軸壓極限承載力的研究提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：統(tǒng)一強(qiáng)度理論；加勁肋；方鋼管混凝土；軸壓短柱；極限承載力中圖分類號(hào)：TU528O1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002—3550(2013)09—0005—05Theultimatebearingcapacit

3、yftheconcretefilledsquarestifenedthinwalledsteeltubularshortcolumnsunderaxialcompressionZHAOJunhai，XUJianfeng，LIYah(SchoolofCi~lEngineering，ChanganUniversity，Xi’an710061，China)Abstract：Aimingatstiffenedandthinwalledsquar

4、econcretefilledsteeltubularshortcolumnsthesquareconcretefilledstee1tubeswereequivalenttothecircleonesthroughintroducingconcre~strengthreductionfactorandequivalentconstraintreductionfactorandtheultimatebearingcapacitywasd

5、educedbasedontheunifiedstrengththeorywi廿1someinfluencingfactorsanalyzedaswel1Throughcom—paringtheresultsofproposedformulawiththatofexperimentsofrelevantliteratures，therationalityofproposedformulaisprovedTheSO—lutionmaypr

6、ovidetheoreticalreferencesforthestudyofthe~ifenedandthin—walledsquareconcretefilledsteeltubularshortcolumnsKeywds：unifiedstrengththeory；stifeningfib；concretefilledsquaresteeltube；shortcolumnsunderaxialcompression；ultimat

7、ebeatingcapacity0引言薄壁鋼管混凝土是指在薄壁鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件，其具有鋼材用量少，焊接工作量小，工程造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，所以在鋼管混凝土工程中運(yùn)用廣泛。薄壁鋼管混凝土在荷載作用下其管壁較易產(chǎn)生局部屈曲，當(dāng)構(gòu)件截面形狀為方形或矩形時(shí)更是如此。近年來國內(nèi)外學(xué)者先后提出了一些抵消這種影響的構(gòu)造措施，包括采用約束拉桿，角部隅撐和設(shè)置縱向加勁肋等。黃宏等人對(duì)帶肋方鋼管混凝土柱偏心受壓及純彎的力學(xué)性能進(jìn)行了分析與研究；左志亮等

8、人對(duì)帶約束拉桿的T形鋼管混凝土短柱軸壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究嘲；徐超等人對(duì)方形設(shè)肋薄壁鋼管混凝土柱的恢復(fù)力模型進(jìn)行了研究及分析【叼；黃義勇對(duì)帶肋方鋼管混凝土偏壓構(gòu)件承載力的計(jì)算方法進(jìn)行了研究；陳曦等人對(duì)帶約束拉桿的矩形鋼管混凝土軸壓承載力進(jìn)行了分析【司；郭蘭慧等對(duì)帶有加勁肋的大長(zhǎng)寬比薄壁矩形鋼管混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究及理論分析[9]。研究結(jié)果表明，與不設(shè)加勁肋的方鋼管混凝土相比，加勁肋的存在可延緩鋼管混凝土試件的局部屈曲，從而使試件的承載能力

9、有所提高。以上研究大多是在試驗(yàn)或有限元模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)帶肋或帶約束拉桿的鋼管混凝土進(jìn)行定性分析，且大多都是將鋼管和混凝土視為一種材料進(jìn)行分析，而沒有考慮中間主切應(yīng)力及材料拉壓比對(duì)其承載力的影響。本研究通過引入修正的等效約束折減系數(shù)和混凝土強(qiáng)度折減系數(shù)，將方鋼管混凝土等效為圓鋼管混凝土，采用統(tǒng)一強(qiáng)度理論，考慮中間主切應(yīng)力及材料拉壓比的影響，推導(dǎo)了帶肋薄壁方鋼管混凝土軸壓短柱極限承載力的計(jì)算公式，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析。1統(tǒng)一強(qiáng)度理論統(tǒng)一

10、強(qiáng)度理論是從一個(gè)統(tǒng)一的力學(xué)模型出發(fā)，考慮了應(yīng)力狀態(tài)的所有應(yīng)力分量及它們對(duì)材料屈服和破壞的不同影響，而建立的一個(gè)全新的強(qiáng)度理論。該理論考慮了中間主應(yīng)力or：的影響，用一個(gè)適用于各類材料的統(tǒng)一方程來描述，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：收稿Et期：20130305基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41202191)；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011JM7002)；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20110205130001)5學(xué)兔兔www.xuetutu.

11、com——鋼材單向拉伸屈服應(yīng)力。當(dāng)薄壁鋼管環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，鋼管的承載力達(dá)到最大值。即O“0=，推得最大內(nèi)壓力：EPl(11)r將式(11)代人式(10)，考慮修正的等效約束折減系數(shù)，化簡(jiǎn)得：Nsl盟f(1)(16)f卜261(12)L、，J32核心區(qū)混凝土的極限承載力對(duì)核心區(qū)混凝土，其應(yīng)力狀態(tài)為0，=：_p；，由文獻(xiàn)[14】得：『；j：1sin~o(13)j————l1sincp式中：k——側(cè)壓力影響系數(shù)，其取值范圍10～70

12、；——混凝土的內(nèi)摩擦角，三軸受壓混凝土的內(nèi)摩擦角變化范圍為30?！?0。，側(cè)壓力小時(shí)內(nèi)摩擦角大，側(cè)壓力大時(shí)內(nèi)摩擦角??；or——混凝土受到的側(cè)向約束應(yīng)力；——混凝土圓柱體的單軸抗壓強(qiáng)度=O雹；——混凝土的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度。當(dāng)混凝土受到的側(cè)向約束應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，核心區(qū)混凝土的承載能力達(dá)到極限狀態(tài)。由式(6)、(7)、(13)整理得：。)(14)式中：Ⅳc——帶肋鋼管混凝土中混凝土的極限承載力；A?！诵膮^(qū)混凝土的面積，A(B一2t)2

13、4nb。t。；6——加勁肋的長(zhǎng)度；——加勁肋的厚度。定義叼為帶肋方鋼管混凝土加勁肋與周邊鋼的面積比，則：釘：(15)。4Bt核心區(qū)混凝土的極限承載力可化簡(jiǎn)為：(2vk~fy)(16)33加勁肋的極限承載力加勁肋的極限承載力％為：心Ⅳsl(17)^s1式中：As2——加勁肋的面積，且Aa=4nbt。把式(13)代人式(19)，整理得：忙f(1)(16)f二卜26](18)34帶肋薄壁方鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力帶肋薄壁方鋼管混凝土軸壓

14、短柱的極限承載力為方鋼管、核心區(qū)混凝土和加勁肋的極限承載力之和，即：N=NNN19式中：Ⅳ——帶肋薄壁方鋼管混凝土的極限承載力。把式(12)、(16)、(18)代人式(19)，化簡(jiǎn)得：肛『2(1叼，(芋)]式中：A=1n一2v；E=ru一47(1n)]。4算例分析(20)由于鋼材的拉壓強(qiáng)度相近，取材料拉壓比a=l，此時(shí)統(tǒng)一強(qiáng)度理論退化為統(tǒng)一屈服準(zhǔn)則。當(dāng)b為不同值時(shí)，統(tǒng)一強(qiáng)度理論退化為其他新的屈服準(zhǔn)則當(dāng)a=l，k=3，b=O5時(shí)，式(20

15、)可化簡(jiǎn)為：Ⅳ=生f(1)f3A(1)孚1](20)L、，1／J)一取文獻(xiàn)[15—16]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與用式(21)計(jì)算的帶肋方鋼管混凝土軸壓短柱極限承載力相比較，結(jié)果見表1。由表1可見，采用本文公式計(jì)算所得的理論值與文獻(xiàn)[15—161的試驗(yàn)值均吻合良好，且的平均值分別為：0986、1042，方差分別為O0015和00007o并且該公式的適用范圍不僅適用于帶肋方鋼管混凝土軸壓短柱，對(duì)于不設(shè)加勁肋的方鋼管混凝土軸壓短柱也同樣適用。5影響因素

16、分析51和b對(duì)Ⅳ的影響分析和b變化時(shí)，用式(2O)計(jì)算的文獻(xiàn)[16]中試件CUS161的極限承載力Ⅳ變化如圖3所示。由圖3可以看出，Ⅳ隨的增大而減小，隨b的增大而增大。Ot的增大是由于的減小，對(duì)應(yīng)的極限面的面積隨著減小，承載力降低。b取不同的值時(shí)統(tǒng)一強(qiáng)度理論退化為不同的屈服準(zhǔn)則，由不同的屈服準(zhǔn)則可以得到一系列的極限面。從統(tǒng)一強(qiáng)度理論的平面極限線圖可以知道極限面的面積大小隨b的增大而增大，而Ⅳ隨極限面面積的增大而增大。52叼和對(duì)Ⅳ的影響分

17、析當(dāng)B=160mm，t=25mm，25mmt32MPa，且=0005時(shí)，和變化時(shí)，用式(20)計(jì)算的極限承載力Ⅳ變化如圖4所示。由圖4可以看出，Ⅳ隨叼和的增大而增大。當(dāng)曰和t一定的情況下，由式(15)可知增大時(shí)加勁肋的面積增大。加勁肋面積的增加一方面直接增大了加勁肋對(duì)帶肋方鋼管極限承載力的貢獻(xiàn)，另一方面由于加勁肋個(gè)數(shù)的增加對(duì)周邊鋼管提供了更多的橫向約束支撐點(diǎn)，或者是加勁肋長(zhǎng)度的增大，增強(qiáng)了鋼管對(duì)核心區(qū)混凝土的約束作用，從而提高了鋼管的極