钢管混凝土叠合柱偏心受压承载力的计算方法_郭全全
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基金项目： 国家自然科学基金 （ 50878013 ） 、 教育部博士点新教师基金 （ 200800061008 ） 作者简介： 郭全全， 博士， 副教授 0423 收稿日期： 2013-
叠合柱的受力特点介于钢筋混凝土柱和钢管混 凝土之间， 目前在国内外通行的设计方法中， 针对钢 筋混凝土柱和钢管混凝土柱分别采用截面极限平衡 理论和将钢管混凝土视为统一体的统一设计理论 ， 在 组合了两种柱型的叠合柱中如何计算其正截面承载 力就成为设计中首先需要解决的问题。 国内多位学 者针对轴心受压进行了 60 多个试件的模型试验
注： 1 含管率 ρ a = A a / A ， 为钢管面积与柱截面面积之比 。2 位置系数 d a / h ， 为钢管外径与柱截面偏心方向边长之比。3 纵筋配筋率 ρ s = A s / A co ， 为 纵筋面积与管外混凝土面积之比 。
· 58 ·
土
木
工
程
学
报
2014 年
2
试验结果及分析
为受压纵筋和受压侧钢管的屈服强度 （ 按材性试验， 分别取为 290． 5MPa 和 333MPa ） ， ε c 为管外混凝土受 压区最外边缘压应变、ε cu 为混凝土极限压应变 （ 取 0． 0033 ） ； σ s 和 σ a 分别为受拉纵筋和受拉侧钢管的应 f y 和 f a 分别为受压纵筋和受压侧钢管的屈服强度 力、 （ 按材性试验， 分别取为 290． 5MPa 和 333MPa ） 。 由图 5 可知， ①钢管混凝土叠合柱受偏心压力作用， 管外混 凝土、 管内混凝土、 钢管以及钢筋的变形基本协调一 致， 各部分之间未发生相对滑移； ② 不论偏心距大小， 受压钢筋屈服总是先于受压区混凝土压碎； ③ 构件的 破坏均以混凝土受压达到其极限压应变为特征 。
图2 Fig． 2
加载方式及测点布置图
Test setup and measuring point arrangement
试件参数及主要试验结果
极限承载力实测值 N1 （ kN） 3200 2210 1427 1111 922 602 501 531 573 611 694 671 791 按 CECS188 ： 2005 计算 N2 （ kN） — 968 403 279． 3 230 169 141 197． 1 188 138 293 302 384
Abstract： The results of 13 steel tubereinforced concrete columns （ STＲC ） with a slenderness ratio of 4． 67 under eccentric compression loads are introduced． Test results show that failure modes are divided into two types，namely large and small eccentric failures whose demarcation failure criterion is that tensile bars reach yield strength and the concrete compressive edge reaches the ultimate compressive strain． Furthermore，the NM curve of STＲC shows parabolic correlation and the crosssection strain obeys the plane assumption． It also observed that compressive bars reach compressive strength prior to concrete crushed on the compressive zone no matter how much the eccentricity is． Compared to the test results， the bearing capacity of SＲTC （ 51% ～ 77． 4% ） is underestimated greatly by current specification． Based on the experiments， equations to calculate the normalsection bearing capacity using limit equilibrium theory are proposed． The bearing capacity equations presented in this paper is simple and coordinates with the current specification． The calculated values agree well with the experimental results． Keywords： steel tubereinforced concrete columns； eccentric compression； experiment； normalsection bearing capacity Email： qq_guo@ buaa． edu． cn
Parameters of specimens and mainly test results
ρa （ % ） 2． 02 2． 02 2． 02 2． 02 2． 02 2． 02 2． 02 2． 00 2． 01 2． 01 2． 02 2． 02 2． 02 da / h 0． 44 0． 44 0． 44 0． 44 0． 44 0． 44 0． 44 0． 3 0． 34 0． 56 0． 44 0． 44 0． 44 ρs （ % ） 0． 89 0． 89 0． 89 0． 89 0． 89 0． 89 0． 89 0． 81 0． 83 1． 00 1． 58 2． 11 2． 64 破坏形态 轴心受压 小偏心 小偏心 界限破坏 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 界限破坏
（ 1． 北京航空航天大学 ，北京 100191 ； 2． 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045 ； 3． 北京沃利帕森工程技术有限公司，北京 100016 ）
摘要： 介绍了 13 根钢管混凝土叠合柱短柱 （ 长细比 4． 67 ） 的偏心受压试验结果， 研究结果表明： 钢管混凝土叠合柱 偏心受压短柱正截面的破坏类型分为大偏心和小偏心受压破坏两种 ， 以受拉区钢筋达到屈服强度 ， 同时混凝土受 M 具有抛物线的相关关系 ； 叠合柱横截面应变符合平截面分布 ， 压边缘达到极限压应变为界限破坏准则 ， 同时其 N不论偏心距大小， 受压钢筋屈服总是先于受压区混凝土压碎 。 与试验结果相比， 现行规程大幅度 （ 51% ～ 77． 4% ） 低估了叠合柱偏心受压承载力 。基于试验采用截面极限平衡理论提出了叠合柱偏心受压短柱的正截面承载力公 式， 公式形式简单， 与我国现行的规范体系相协调 ， 计算结果与试验结果吻合良好 。 关键词： 钢管混凝土叠合柱； 偏心受压； 试验； 正截面承载力
表1 Table 1
试件 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 Z12 Z13 e（ mm） 0 50 100 130 150 190 220 190 190 190 190 190 190 钢管规格（ mm） Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ89 × 7 Φ102 × 6 Φ168 × 3． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 柱纵筋 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ16 8 Φ16 10 Φ16
［18 ］
，
提出叠合柱的承载力由钢管混凝土强度和管外钢筋 混凝土强度两部分叠加而成， 进而给出了叠合柱的轴 心受压承载力计算公式， 这些成果已在我国 2005 年颁
第 47 卷
第5 期
郭全全等·钢管混凝土叠合柱偏心受压承载力的计算方法
· 57 ·
［9 ］ 布的《钢 管 混 凝 土 叠 合 柱 结 构 技 术 规 程 》 （ CECS 188 —2005 ） 中 体 现， 但针对偏心受压状态的研究很
心抗 压 强 度 为 31． 4MPa。 试 验 采 用 刀 铰 加 载， 用 5000kN 压力试验机施加竖向荷载， 采用电阻式应变片 测量应变， 所有应变片均布置在柱半高截面上， 柱纵 向位移采用电子位移计， 沿柱高 3 个四等分点布置百 分表测定柱挠曲线。加载方式和测点布置见图 2 。
少， 在规程中定性地提出了按钢筋混凝土柱计算的近 似处理方法， 其中轴力取钢管外钢筋混凝土分担的部 分轴力加以折减， 以考虑核心钢管混凝土部分对轴力 的分担， 弯矩不作折减。 这一规定无疑会造成两个结 果： 其一， 在叠合柱中， 钢管的直径一般为柱边尺寸的 1 /3 ～ 1 /2 ， 钢管的含钢率在 2% ～ 10% 之间， 事实上核 心钢管相当于一个三维的配筋场， 既是纵筋又是横向 ， 箍筋 可随着应力场的变化而自行调节变换其配筋功 能， 规程中的计算方法未能合理地评价核心钢管的抗 弯能力， 材料利用不充分； 其二， 在大偏心受压构件中 则截面纵筋配筋率会增大， 对于截面 减少设计轴力， 设计而言是安全的， 但在小偏心构件中， 设计轴力减 小， 则配筋率相应减小， 显然是不安全的。 本文进行了 13 根叠合柱偏心受压短柱的正截面 承载力试验， 确定其破坏模式和工作机理， 基于试验 采用截面极限平衡理论推导了叠合柱偏心受压短柱 的正截面承载力公式， 提出了叠合柱短柱的偏心受压 承载力计算公式。
Guo Quanquan1 Li Qian2 Zhang Peiyao1 Hu Jieting3
（ 1． Beihang University，Beijing 100191 ，China； 2． Beijing Institute of Architectural Design，Beijing 100045 ，China； 3． WorleyParsons China，Beijing 100016 ，China）
引
言
合在高层、 超高层建筑中的重载柱中应用， 目前在我 国的沈阳、 上海、 重庆、 天津、 南京等城市的二十余个 工程项目中得到了应用
［12 ］
。
钢管混凝土叠合柱 （ 以下简称叠合柱 ） 是针对钢 管混凝土柱中存在的节点力学性能和施工的简易性 、 经济性不能两全的缺点发展而来的， 是我国率先提出 的新型组合柱， 这一柱型吸收了钢管混凝土柱的 优 点， 同时又克服了钢管混凝土柱节点处理难、 防火较 差的缺点， 具备技术的先进性和经济合理性， 非常适
图1 Fig． 1
试件基本尺寸及配筋图
Dimension of specimens and reinforcement
1
试验概述
钢管混凝土叠合柱偏心受压试验中， 试件的设计 b × h = 300mm × 300mm ， 截面尺寸为 柱高 1400mm， 试 ， 件基本尺寸和配筋见图 1 ， 试件参数详见表 1 。 所用钢 筋实测屈服强度： 12 钢筋为 290． 5MPa，16 钢筋为 275MPa； 所用钢管实测屈服强度为 333MPa； 管外混凝 土实测轴心抗压强度为 25． 6MPa； 管内混凝土实测轴
+ 中图分类号： TU398 ． 9
文献标识码： A
131X（ 2014 ） 05005608 文章编号： 1000-
Calculation for bearing capacity of steel tubereinforced concrete columns under eccentric compression
DOI:10.15951/j.tmgcxb.2014.05.014
第 47 卷第 5 期 2 0 1 4 年5 月
土
木
工
Βιβλιοθήκη Baidu
程
学
报
CHINA CIVIL ENGINEEＲING JOUＲNAL
Vol． 47 May
No． 5 2014
钢管混凝土叠合柱偏心受压承载力的计算方法
吴邦睿
1
李
芊
2
章沛瑶
1
胡洁婷
3
叠合柱的受力特点介于钢筋混凝土柱和钢管混 凝土之间， 目前在国内外通行的设计方法中， 针对钢 筋混凝土柱和钢管混凝土柱分别采用截面极限平衡 理论和将钢管混凝土视为统一体的统一设计理论 ， 在 组合了两种柱型的叠合柱中如何计算其正截面承载 力就成为设计中首先需要解决的问题。 国内多位学 者针对轴心受压进行了 60 多个试件的模型试验
注： 1 含管率 ρ a = A a / A ， 为钢管面积与柱截面面积之比 。2 位置系数 d a / h ， 为钢管外径与柱截面偏心方向边长之比。3 纵筋配筋率 ρ s = A s / A co ， 为 纵筋面积与管外混凝土面积之比 。
· 58 ·
土
木
工
程
学
报
2014 年
2
试验结果及分析
为受压纵筋和受压侧钢管的屈服强度 （ 按材性试验， 分别取为 290． 5MPa 和 333MPa ） ， ε c 为管外混凝土受 压区最外边缘压应变、ε cu 为混凝土极限压应变 （ 取 0． 0033 ） ； σ s 和 σ a 分别为受拉纵筋和受拉侧钢管的应 f y 和 f a 分别为受压纵筋和受压侧钢管的屈服强度 力、 （ 按材性试验， 分别取为 290． 5MPa 和 333MPa ） 。 由图 5 可知， ①钢管混凝土叠合柱受偏心压力作用， 管外混 凝土、 管内混凝土、 钢管以及钢筋的变形基本协调一 致， 各部分之间未发生相对滑移； ② 不论偏心距大小， 受压钢筋屈服总是先于受压区混凝土压碎； ③ 构件的 破坏均以混凝土受压达到其极限压应变为特征 。
图2 Fig． 2
加载方式及测点布置图
Test setup and measuring point arrangement
试件参数及主要试验结果
极限承载力实测值 N1 （ kN） 3200 2210 1427 1111 922 602 501 531 573 611 694 671 791 按 CECS188 ： 2005 计算 N2 （ kN） — 968 403 279． 3 230 169 141 197． 1 188 138 293 302 384
Abstract： The results of 13 steel tubereinforced concrete columns （ STＲC ） with a slenderness ratio of 4． 67 under eccentric compression loads are introduced． Test results show that failure modes are divided into two types，namely large and small eccentric failures whose demarcation failure criterion is that tensile bars reach yield strength and the concrete compressive edge reaches the ultimate compressive strain． Furthermore，the NM curve of STＲC shows parabolic correlation and the crosssection strain obeys the plane assumption． It also observed that compressive bars reach compressive strength prior to concrete crushed on the compressive zone no matter how much the eccentricity is． Compared to the test results， the bearing capacity of SＲTC （ 51% ～ 77． 4% ） is underestimated greatly by current specification． Based on the experiments， equations to calculate the normalsection bearing capacity using limit equilibrium theory are proposed． The bearing capacity equations presented in this paper is simple and coordinates with the current specification． The calculated values agree well with the experimental results． Keywords： steel tubereinforced concrete columns； eccentric compression； experiment； normalsection bearing capacity Email： qq_guo@ buaa． edu． cn
Parameters of specimens and mainly test results
ρa （ % ） 2． 02 2． 02 2． 02 2． 02 2． 02 2． 02 2． 02 2． 00 2． 01 2． 01 2． 02 2． 02 2． 02 da / h 0． 44 0． 44 0． 44 0． 44 0． 44 0． 44 0． 44 0． 3 0． 34 0． 56 0． 44 0． 44 0． 44 ρs （ % ） 0． 89 0． 89 0． 89 0． 89 0． 89 0． 89 0． 89 0． 81 0． 83 1． 00 1． 58 2． 11 2． 64 破坏形态 轴心受压 小偏心 小偏心 界限破坏 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 大偏心 界限破坏
（ 1． 北京航空航天大学 ，北京 100191 ； 2． 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045 ； 3． 北京沃利帕森工程技术有限公司，北京 100016 ）
摘要： 介绍了 13 根钢管混凝土叠合柱短柱 （ 长细比 4． 67 ） 的偏心受压试验结果， 研究结果表明： 钢管混凝土叠合柱 偏心受压短柱正截面的破坏类型分为大偏心和小偏心受压破坏两种 ， 以受拉区钢筋达到屈服强度 ， 同时混凝土受 M 具有抛物线的相关关系 ； 叠合柱横截面应变符合平截面分布 ， 压边缘达到极限压应变为界限破坏准则 ， 同时其 N不论偏心距大小， 受压钢筋屈服总是先于受压区混凝土压碎 。 与试验结果相比， 现行规程大幅度 （ 51% ～ 77． 4% ） 低估了叠合柱偏心受压承载力 。基于试验采用截面极限平衡理论提出了叠合柱偏心受压短柱的正截面承载力公 式， 公式形式简单， 与我国现行的规范体系相协调 ， 计算结果与试验结果吻合良好 。 关键词： 钢管混凝土叠合柱； 偏心受压； 试验； 正截面承载力
表1 Table 1
试件 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 Z12 Z13 e（ mm） 0 50 100 130 150 190 220 190 190 190 190 190 190 钢管规格（ mm） Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ89 × 7 Φ102 × 6 Φ168 × 3． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 Φ133 × 4． 5 柱纵筋 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ12 6 Φ16 8 Φ16 10 Φ16
［18 ］
，
提出叠合柱的承载力由钢管混凝土强度和管外钢筋 混凝土强度两部分叠加而成， 进而给出了叠合柱的轴 心受压承载力计算公式， 这些成果已在我国 2005 年颁
第 47 卷
第5 期
郭全全等·钢管混凝土叠合柱偏心受压承载力的计算方法
· 57 ·
［9 ］ 布的《钢 管 混 凝 土 叠 合 柱 结 构 技 术 规 程 》 （ CECS 188 —2005 ） 中 体 现， 但针对偏心受压状态的研究很
心抗 压 强 度 为 31． 4MPa。 试 验 采 用 刀 铰 加 载， 用 5000kN 压力试验机施加竖向荷载， 采用电阻式应变片 测量应变， 所有应变片均布置在柱半高截面上， 柱纵 向位移采用电子位移计， 沿柱高 3 个四等分点布置百 分表测定柱挠曲线。加载方式和测点布置见图 2 。
少， 在规程中定性地提出了按钢筋混凝土柱计算的近 似处理方法， 其中轴力取钢管外钢筋混凝土分担的部 分轴力加以折减， 以考虑核心钢管混凝土部分对轴力 的分担， 弯矩不作折减。 这一规定无疑会造成两个结 果： 其一， 在叠合柱中， 钢管的直径一般为柱边尺寸的 1 /3 ～ 1 /2 ， 钢管的含钢率在 2% ～ 10% 之间， 事实上核 心钢管相当于一个三维的配筋场， 既是纵筋又是横向 ， 箍筋 可随着应力场的变化而自行调节变换其配筋功 能， 规程中的计算方法未能合理地评价核心钢管的抗 弯能力， 材料利用不充分； 其二， 在大偏心受压构件中 则截面纵筋配筋率会增大， 对于截面 减少设计轴力， 设计而言是安全的， 但在小偏心构件中， 设计轴力减 小， 则配筋率相应减小， 显然是不安全的。 本文进行了 13 根叠合柱偏心受压短柱的正截面 承载力试验， 确定其破坏模式和工作机理， 基于试验 采用截面极限平衡理论推导了叠合柱偏心受压短柱 的正截面承载力公式， 提出了叠合柱短柱的偏心受压 承载力计算公式。
Guo Quanquan1 Li Qian2 Zhang Peiyao1 Hu Jieting3
（ 1． Beihang University，Beijing 100191 ，China； 2． Beijing Institute of Architectural Design，Beijing 100045 ，China； 3． WorleyParsons China，Beijing 100016 ，China）
引
言
合在高层、 超高层建筑中的重载柱中应用， 目前在我 国的沈阳、 上海、 重庆、 天津、 南京等城市的二十余个 工程项目中得到了应用
［12 ］
。
钢管混凝土叠合柱 （ 以下简称叠合柱 ） 是针对钢 管混凝土柱中存在的节点力学性能和施工的简易性 、 经济性不能两全的缺点发展而来的， 是我国率先提出 的新型组合柱， 这一柱型吸收了钢管混凝土柱的 优 点， 同时又克服了钢管混凝土柱节点处理难、 防火较 差的缺点， 具备技术的先进性和经济合理性， 非常适
图1 Fig． 1
试件基本尺寸及配筋图
Dimension of specimens and reinforcement
1
试验概述
钢管混凝土叠合柱偏心受压试验中， 试件的设计 b × h = 300mm × 300mm ， 截面尺寸为 柱高 1400mm， 试 ， 件基本尺寸和配筋见图 1 ， 试件参数详见表 1 。 所用钢 筋实测屈服强度： 12 钢筋为 290． 5MPa，16 钢筋为 275MPa； 所用钢管实测屈服强度为 333MPa； 管外混凝 土实测轴心抗压强度为 25． 6MPa； 管内混凝土实测轴
+ 中图分类号： TU398 ． 9
文献标识码： A
131X（ 2014 ） 05005608 文章编号： 1000-
Calculation for bearing capacity of steel tubereinforced concrete columns under eccentric compression
DOI:10.15951/j.tmgcxb.2014.05.014
第 47 卷第 5 期 2 0 1 4 年5 月
土
木
工
Βιβλιοθήκη Baidu
程
学
报
CHINA CIVIL ENGINEEＲING JOUＲNAL
Vol． 47 May
No． 5 2014
钢管混凝土叠合柱偏心受压承载力的计算方法
吴邦睿
1
李
芊
2
章沛瑶
1
胡洁婷
3