矩形钢管混凝土轴心受力构件的设计方法_沈祖炎

二、短柱轴压的强度承载力计算
根据钢管和 混凝土 共同 工作的 机制, 参照我 国建
筑结构设计统 一标准 的规 定, 得到 轴心 受压构 件的强
度承载力设计值的计算公式为:
N u = A( f A s + f cA c)
( 1)
式中: f , f c 分别 为钢 材和 混凝 土的 抗压 强 度设 计值; A s, A c 分别为钢 管和 管内 混凝 土的 截面 面积; A是约 束效应对混凝土承载力提高的影响系数。
( 2)
轴心受压构件的强度设计应满足下式要求:
3
N [ 1CN u
( 3)
式中: N 为轴心压力设计值; C为考虑有无地震作用组
合的系数, 不 考虑 地 震作 用 时, C取 结 构重 要 性 系数
C0, 考虑地震作用时, C取承载力抗震调整系数 CRE 。
三、长柱轴压的稳定承载力计算
长柱轴压的稳定承载力计算参照钢结构构件设计
考虑到影响 A的 因素比 较复 杂, 有钢 管的 强度与 宽厚比、混凝土的强度、矩形截面的形状以 及混凝土浇
筑的密实度等等, 有 关文献的 试验 结果也 表明 A的离 散性大; 矩形钢管对混凝土进行约束时, 钢 板主要是受 弯, 而不象圆钢管为环向受拉, 对管内混凝 土的约束主 要集中在角点, 因而对 矩形钢 管混 凝土轴 心受 压构件 的强度承载力的 提高 有限, 对 于管 壁较薄 的构 件更是 如此, 这有些类 似于矩 形配箍 的混 凝土柱 和螺 旋形配 箍的圆形混凝土柱的比较; 另外, 长期荷载 作用下混凝 土的徐变效应将降低混凝土的承载力。综 合考虑以上
配置不尽合理, 两种材料的强度匹配也有 问题, 所以混
凝土工作承担系数 Ac 的范围宜 在 011 ~ 017 之间。 Ac 按下式计算:
Ac =
f cA c f cA c + f A s
( 13)
对 钢 管宽 厚 比 的 限 制, 主要 考
虑防 止 局 部失 稳, 确 保 构 件 全截 面
有效。虽 然 在 钢 管 混凝 土 柱 中, 由
当量回转半径 是截面 对哪 个轴的, 这是 因为在 设计过
程中, 要根据具 体情况 首先 判断钢 管混 凝土轴 心受压
构件最可能沿 哪个主 轴方 向失稳, 否则 对两个 方向均
作分析, 比较后取较小值作为构件的稳定承载力。
对于单一材 料的截 面, 回 转半径 是一 个只和 截面
几何形状和尺 寸有关 的几 何量, 但 对于 复合材 料的截
4
矩。将上式分子和分母同乘以 N u, 并代入式( 2) , 得:
NE =
N
u
P2 E l 20f
s( I (A
s+ s+
I c E c/ E s) A cf c/ f )
=
N
u
P2 E K2 f
s
( 10)
将式( 8) 代入上式, 得当量回转半径的表达式为
r0 =
I s+ I c Ec/ E s A s + A cf c/ f
Design Method of Axially Loaded Members of Concrete- filled Rectangular Steel Tube Author: Shen Zuyan, H uang Kuisheng( College of Civil Engineering, T ongji University, Shanghai 200092, China) Abstract: Contents about member design in Technical Specif ication f or Structures w ith Concrete-f illed R ectang ular S teel T ube Mem bers( CECS159: 2004) are presented. The formula of load-carrying capacity in axial force and the design m et hod of CFRT columns are introduced. The comparison of results is made betw een t he formula and tests. Keywords:concrete-filled rectangular steel tube; technical specification; load- carrying capacity; member design
于管 内 混 凝土 的 约 束, 使 得 板的 屈
曲模 式 发 生改 变, 板 件 的 稳 定临 界
图 1 轴心受压 应力 高 于 空钢 管, 但 一 旦 板 件发 生 构件截面图 局部 失 稳, 对管 内 混 凝 土 的 受力 非
常不利。矩形钢 管混 凝土 轴心 受压
构件管壁板件 宽厚 比 h / t , b/ t 不 应 大于 60 E, E 按下
诸多因素, 同时为了方便使用, 不考虑约束 效应对混凝 土 承 载 力 的 提 高, 取 A= 1 ( 这 一 方 法 也 广 为 美 国 ( AISC) 、日 本、英 国等 国家 规范 所 采用[ 6, 7] ) 。矩 形钢 管混凝土轴心受压构件的截面极限强度设 计值一般可
用下式表达:
Nu = fA s+ f cA c
类结构的特点的。 ( 2) 在柱墙协同作用的情况下, 原则上 水平剪力在
墙柱间按刚度进 行分 配, 但并 不简 单地按 刚度 比例分 配, 还与墙的高 宽比、约 束条 件等有 关, 其确 切比 例较 难确定。但 对 一般 多 高层 民 用建 筑, 层高 通 常在 3m 左右, 柱剪力仅占 25% 左右( 表 3) , 可见5规 程6将剪力 仅由墙来承担的假定与结构有限元分析结 果是基本接 近的。按此设计, 墙的抗剪承载力是偏安全的。
U= 1 - 01 65 K20
( 5)
当 K0> 01 215 时:
U=
1 2 K20
[
(
01965
+
013 K0+
K20)
- ( 01965 + 01 3 K0+ K20) 2 - 4 K20] 式中: K0 为矩形钢管混凝土 轴心受压 构件的 相对长细 比, 可按下式计算:
K0 =
K P
fy Es
百度文库式计算:
E= 235/ f y 式中 f y 为钢管材料的屈服强度。
( 14) ( 下转第 18 页)
事实上, 外包框 架因内 嵌剪 力墙的 支撑 作用而 使刚度 增大, 其所分配的剪 力势必 增加, 分析表 明, 柱所 分配 剪力比例的大小与以下因素有关:
( 1) 与剪力墙的高宽比 H / B 有关。墙的抗侧刚度 ( 包括抗弯刚度 和剪切 刚度) 中, 当 H / B 越小 时, 墙的 剪切刚度 所占 比 例越 大, 柱分 配 到的 剪 力就 越 小; 反 之, 当 H / B 越大时, 墙的弯曲刚度所占比例增大, 但剪 切刚度所占比例减小, 柱 分配的 剪力会增 加, 这与 表 3 的结果相符合。
( 7)
K= l 0/ r 0
( 8)
上式中 K为矩形钢管混凝 土轴心 受压 构件的 长细比,
f y 为钢材的屈服强 度, Es 为钢材 的弹 性模量, l 0 为构
件的计算长度, r 0 为构件截面的当量回转半径。
问题最终成为如 何求得 截面的当 量回转 半径 r 0。 需要说明的是: 矩形截面是双轴对称的, 这里并未确定
矩形钢管混凝土轴心受力构件的设计方法
沈祖炎 黄奎生
( 同济大学建筑工程系 上海 200092)
[ 提要] 介绍了5矩形钢管混凝土结构技术规程6( CECS159: 2004) 中承重构件设计的部分内容, 阐述了矩形钢 管混凝土轴心受力构件承载力计算公式和实用设计方法, 并与一些试验研究的结果进行了比较, 表明该设计 方法是合理有效、简便实用的。 [ 关键词] 矩形钢管混凝土 技术规程 承载力 构件设计
压的工作承担系数等方面的构造要求。 图 1 为轴心受
压构件截面图。
为了方便混凝 土的 浇筑, 避 免混凝 土浇 筑时 钢管
外鼓现象, 构件 截面 最 小边 不宜 小于 100mm, 钢 管壁
厚不宜小于 4mm, 截面高宽比 h / b 不宜大于 2。
混凝土工作承 担系 数太大 或太 小, 都会 造成 截面
( 11)
得出矩形钢管混凝土构件截面的 当量回转半 径 r 0 后, 就可采用钢结构 的设 计方法, 进行 矩形钢 管混 凝土轴
心受压构件稳定性的计算和设计。
四、轴心受拉构件的承载力计算
混凝土的抗拉 强度 相对于 钢材 来说很 小, 受 拉后
易开裂, 在计算矩形钢管混凝土轴心受拉 构件时, 不计
混凝土的作 用, 认为 钢管承 担了 所有的 拉力。矩 形钢
面就不同了, 因此, 引入当量回转半径 一词。下面是矩
形钢管混凝土构件截面当量回转半径的推导过程。
根据弹性稳 定理论 的临 界力计 算公 式可 知, 矩形
钢管混凝土轴心受压构件( 按两端简支的 轴心压杆) 的
欧拉临界力为:
NE =
P2( E sI s +
l
2 0
E c I c)
( 9)
式中 Is 为钢管截面对形心轴的惯性矩, Ec 为管内混凝 土的弹性模量, I c 为 管内混 凝土截 面对 形心轴 的惯性
第 35 卷 第 1 期
建筑结构
2005 年 1 月
[ 按语] 矩形钢管混凝土结构是一种有着很好应用前景的组合结构。有些国家已制定了 这方面的技 术标准。我国 的工程建设也迫切需要适合本国的有关技术标准。历经 四年有余, 5矩 形钢管混凝 土结构技术 规程6于 2004 年 8 月开始施行。其间编制组立足于国内设计、制作和施 工实践经 验, 汇集 国内有 关研究成 果, 同时 参考国外 的有关 经验, 从讨论稿、征求意见稿、送审稿到报批稿正式出版, 付出了辛勤的劳动。这里集中发 表的几篇文 章反映了编 制组成员在构件设计、节点设计、抗侧力构件设计及防 火设计 方面所作 的一些 研究工作, 希望能 对读者了 解规程 有所帮助。对于编制组而言, 规程的正式出版不是意味着结束, 而是意味着新的开始。希 望广大工程 技术人员在 使用规程时多提宝贵意见和建议, 并及时反馈给编制组, 大家一起把该规程的实施和未来的修订工作做得更好。
( 2) 与柱、墙刚度比相关, 即与构件 的截面大小、钢 材牌号、混凝土强度等级的选用有关。
( 3) 与剪力墙的边界约束条件相关( 悬臂墙与二端 固支墙的分析结果明显不一致) 。
四、结论 通过上述算例的结构有限元分析及进一步的论证 分析, 可得出如下结论: ( 1) 5规程6将作用 于带 框混 凝土 剪力 墙的整 体弯 矩全部由 钢管 混 凝土 柱中 产生 的 轴向 拉 力或 压 力承 担, 而不考虑柱及剪力墙的局部弯矩的 假定, 是符合该
的方式, 引入轴心受 压构件 的稳 定系 数 U。根据 矩形 钢管混凝土构件的截面特性和内填混凝土对钢管局部
稳定的贡献, U的 值取为 b 类截 面轴 心受 压构件 的稳 定系数。因此, 轴 心受 压构件 的稳定 性设 计应满 足下 式要求:
N [ CUN u
( 4)
当 K0 [ 01 215 时:
一、引言 钢管混凝土是在劲性混凝土和螺旋配筋混凝土的
基础上演变和发展起来的。最初采用 圆钢管。上世纪
80 年代以来, 国内对方钢管 混凝土进 行了一 些试验和 数值分析方 面的 研究[ 1- 3] 。但 由于 工程界 过分注 重圆
钢管混凝土中 套箍作 用的 有利作 用, 认 为方钢 管混凝 土柱性能不如圆钢管混凝土柱, 而未对 其在抗弯性能、 构造处理、施工方便等方面的优势予以 充分重视, 在一 定程度上 使得 国 内在 这方 面的 研 究和 应 用落 后 于日 本、澳大利亚等国。近年来, 矩形钢管混 凝土及异型钢 管混凝土柱的研究工作 逐步 展开[ 4, 5] 。 在大量 理论研 究及试验分析 的基础 上, 有 关部门 组织 国内工 程界的 专家 学 者 制 定 了5矩 形 钢 管 混 凝 土 结 构 技 术 规 程6 ( CECS159: 2004) 。以下 就 规范 中 矩形 钢 管混 凝 土轴 心受力构件的承载力计算公式及设计方法予以介绍。
管混凝土轴心受拉构件的强度设计应满足下式要求:
N [ 1CA snf
( 12)
式中 N 为轴心拉力设计值, A sn为钢管净截面面积。 五、构造要求
为了满足构造的合理性、工程的实践 性, 以及各类
计算公式的适用 性, 设 计的矩 形钢 管混凝 土构 件必须
满足截面尺寸及高宽比、钢管壁宽厚比、管 内混凝土受