圆钢管混凝土柱轴心受压承载力计算分析

圆钢管混凝土柱轴心受压承载力计算分析
胡栋
【摘要】The article analyzes different types of concrete-filled steel tubular columns and factors that influence the load carrying capacity of concrete-filled steel tubular columns. It also introduces four computational theories for columns and compares the designing codes in different countries, the results shows that although there are differences among these codes, the factors of these code concerning have little difference, and the computational results also have little difference.%本文对钢管混凝土柱的形式、影响钢管混凝土柱承载力的因素行了分析,简要介绍钢管混凝土柱承载力计算公式
的四种理论,并对各国规范计算轴心受压柱公式进行验证比较,结果表明各国规范尽
管公式在形式上有所区别,但考虑因素都大同小异,计算结果偏差不大.
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2011(033)003
【总页数】3页(P59-61)
【关键词】钢管混凝土柱;受压承载力
【作者】胡栋
【作者单位】同济大学土木工程学院建筑工程系,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU375.3
1897年John Lally［1］在钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱，距今钢管
混凝土结构在土木工程中的应用已逾百年的历史。

20世纪20年代前后美国波士顿、纽约、芝加哥等地曾将其用于单层、多层建筑的承重柱［1］。

苏联于1937
年开始对钢管混凝土结构做系统的研究，并在工业厂房、空间结构和拱桥结构中应用。

在20世纪60年代之后，钢管混凝土技术在西欧、北美及日本等发达工业国
家受到重视，开展了大量的实验研究工作，取得了许多成果，主要相关设计规程有EC4，BS5400，ACI318-99(1999)，AISC-LRFD(99)和AIJ(97)等。

我国于1959
年开始研究钢管混凝土，在钢管混凝土力学性能研究方面取得了丰硕的成果，并制定了相应的技术规程：CECS 28：90《钢管混凝土结构设计与设计施工规程》、JCJ 01-89《钢管混凝土结构设计与施工规程》，DL/T 5085-1999《钢- 混组合结构设计规程》等［2，3］。

1 钢管混凝土柱的性能及研究方法
1.1 钢管混凝土柱的形式
目前应用较多的钢管混凝土柱截面形式主要有以下几种，如图1所示。

钢管混凝土柱有长柱与短柱之分，通常将长径比L/D≤4的柱叫做短柱。

对于短柱和长柱，在受力时，计算其承载力所考虑的因素略有不同。

一般来说，计算钢管混凝土柱的承载力时，需要考虑的因素有套箍指标，钢管的屈服强度，混凝土的强度，柱两端的约束条件及两端的弯矩比值等。

但对于长柱，由于其长细比较大，在加载过程中可能会出现失稳的现象，故而计算公式中需考虑长细比的影响。

这些因素在各种规程中的计算式中都有体现。

1.2 钢管混凝土柱轴心受压性能
钢管混凝土柱轴心受压时主要有如下特征：①钢管对混凝土具有套箍约束作用，使
混凝土处于三向受压状态，从而提高混凝土具的抗压强度和压缩变形能力;②借助
内填混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态，从而提高其承载能力。

根据哈尔滨锅炉厂做过的轴心受压对比试验［5］，同等条件下，圆钢管混凝土柱的承载能力远大于混凝土柱承载能力，且其承载能力甚至要大于组成钢管混凝土柱的混凝土核心柱及外包钢管承载力之和。

在长期荷载作用下，钢管混凝土柱中核心混凝土具有如下一些特点：①混凝土处于密闭状态，和周围的环境没有湿度的交换;②沿构件的轴向收缩将受到外包钢管混
凝土的限制;③在受力过程中，核心混凝土和外包钢管存在着相互作用［4］。

影响长期荷载作用下钢管混凝土构件受力性能的主要有加载龄期、持荷时间、轴压比、含钢率、钢材种类、混凝土强度等级、荷载偏心率及徐变等。

1.3 承载能力测试方法
目前对于钢管混凝土柱轴心受压的实验方法有以下三种形式，如图2所示。

大量
实验研究表明，此三种加载方法所得的极限承载力值几乎相等，只是变形会有所差别。

故柱在轴心受压承载力计算时候，柱端的加荷方式造成的影响可以不考虑。

1.4 钢管混凝土柱承载力计算的理论
目前主要有4种钢管混凝土计算理论和方法：
(1) 中国建筑研究院提出的拟混凝土理论，在计算时，主要考虑核心混凝土三向受压应力状态下的受力，将钢管壁视为分布在核心混凝土周围的等效纵向钢筋。

中国工程建设标准化协会标准CECS 28：90、欧洲的EC4、美国ACI标准的计算方法采用此理论。

(2) 哈尔滨工业大学及福州大学等研究的基于回归分析的统一计算理论，将钢管混凝土视为一种组合材料，采用整体几何特性和组合性能指标来计算构件的各项承载力，不再区分钢管和混凝土，其成果为福建省工程建设标准DBJ13-51-2003及国
家军用标准GBJ4142-2000采用。

(3) 同济大学基于钢结构分析方法提出的拟钢结构理论，其将混凝土折算成钢，再按照钢结构设计规范的模式进行分析计算，求得等效钢管的性质，并以等效钢管构件的承载力作为原钢管混凝土构件的承载力，美国LRFD规范的计算方法以此理论为基础。

(4) 日本及我国天津地区采用的强度叠加理论，即将填充混凝土和钢管两部分的承载力进行叠加，作为钢管混凝土构件整体的承载力，日本钢骨钢筋混凝土结构计算标准AIJ97和天津规程DB29-57-2003采用该计算理论。

2 各国规程计算对比分析
2.1 中国DL/T5085-1999规程
DL/T5085-1999规程，即《钢-混组合结构设计规程》［6］，提出套箍系数的概念，其建立的理论基础为前述的统一计算理论。

轴压构件承载力计算公式为：
式中，ξ0为套箍系数，ξ=αsfy/fc;αs为构件截面含钢率，αs=As/Ac;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;ηs、ηc为设计系数;Asc为钢管混凝土的截面面积，
Asc=As+Ac;φ为轴心受压稳定系数。

2.2 美国AISC-LRFD(99)规程
美国钢结构协会(AISC)推荐的《荷载抗力系数设计法钢结构规程》(LRFD)［7］的理论基础为拟钢结构理论。

该规程把钢管混凝土组合构件视为纯钢构件，把混凝土的强度折算到钢材中，直接采用钢结构稳定承载力设计公式。

轴心受压构件承载力计算公式为：
式中，N为轴力设计值;Nu为钢管混凝土轴心受压极限承载力，Nu=Fcr·As;φC为折减系数，取值为0.85，Fcr为临界应力，按下式计算：
其中，λc为构件的相对长细比。

2.3 欧洲EC4(94)规程
欧洲标准协会于1996年颁布了Eurocode4：Design of composite steel and concrete structure(EC4)［8］，该规程采用修正后的全截面塑性抗压承载力作为钢管混凝土轴压构件的强度承载力，对于圆钢管混凝土，轴压构件承载力计算公式为：
式中，As、Ac分别为钢管截面面积和混凝土截面面积;fy为钢材屈服强度;f＇c为混凝土圆柱体抗压强度;γs为钢材的材料分项系数，取1.1;γc为混凝土的材料分项系数，取1.5。

2.4 日本AIJ(97)规程
日本在1997年颁布了《钢管混凝土设计与施工指南》(AIJ97)［9］，该规范强度叠加理论计算，并考虑钢管对核心混凝土的约束效应。

相关轴压构件承载力计算公式为：
F=min(fy，0.7fu)，fy为钢材屈服强度，fu为钢材抗拉强度，f＇c为混凝土圆柱体抗压强度。

2.5 不同规程轴压构件承载力对比
由以上各规程计算方法可以看出，以不同理论推导出的轴心受压承载力计算公式有所不同，现根据上述理论和计算公式，对不同参数圆钢管混凝土柱轴心受压承载力进行计算，结果见表1、表2。

表1 各规程轴心受压承载力对比注：构件长度为5000mm，钢材强度为Q235。

编号钢管外径/mm钢管壁厚/mm混凝土等级DL/T5085-1999/kN AISC-
LRFD(99)/kN EC4(94)/kN AIJ(97)/kN 400 6 C30 4578.5 3924.7 3314.2 4906.5 2 400 8 C30 5335.4 4560.1 3911.0 5615.1 3 400 10 C30 6214.6 5327.4 4624.2 6415.5 4 600 8 C30 9115.6 7672.5 6708.7 9861.5 5 600 10
C30 10534.3 8501.2 7648.2 11013.8 6 600 12 C30 11427.5 9430.1 8581.6 12159.4 7 800 10 C40 16235.3 14158.4 12282.0 17801.6 8 800 12 C40 17681.2 15359.3 13296.6 19014.8 9 800 14 C40 18957.7 16436.4 14201.9 20173.1 10 1000 12 C40 23675.6 21852.6 17430.5 24418.3 11 1000 14 C40 26834.1 24583.0 20148.6 27904.1 1 12 1000 16 C40 30024.6 27952.4 23428.7 31831.2
表2 计算值与平均值的比较注：N1、N2、N3、N4 分别为 DL/T5085-1999，AISC-LRFD(99)，EC4(94)，AIJ(97)计算所得承载力。

编号平均值/kN N/N1
N/N2 N/N3 N/N4 1 4180.98 1.10 0.94 0.79 1.17 2 4855.40 1.10 0.94 0.81 1.16 3 5645.43 1.10 0.94 0.82 1.14 4 8339.58 1.09 0.92 0.80 1.18 5 9424.38 1.12 0.90 0.81 1.17 6 10399.65 1.10 0.91 0.83 1.17 7 15119.33 1.07 0.94
0.81 1.18 8 16337.98 1.08 0.94 0.81 1.16 9 17442.28 1.09 0.94 0.81 1.16 10 21844.25 1.08 1.00 0.80 1.12 11 24867.45 1.08 0.99 0.81 1.12 12 28309.23 1.06 0.99 0.83 1.12
通过上面的分析可以看出有DL/T5085-1999规程、AISC-LRFD(99)规程、EC4规程、AIJ(97)规程得出的结果差别并不是太大，AISC-LRFD(99)，DL/T5085-1999结果较为接近，EC4(94)计算值较小，偏于保守。

表明有不同理论得出的计算公式，结果虽有所不同，但都能应用于工程实践中。

参考文献
［1］Lally.Handbook of lally column construction(Steel Columns-Concrete
Filled)［M］.New York：Lally Column Companies，1926.
［2］钟善桐.高层钢管混凝土结构［M］.哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1999. ［3］蔡绍怀.现代钢管混凝土结构［M］.北京：人民交通出版社，2003.
［4］韩林海.长期荷载作用对圆钢管混凝土压弯构件力学性能影响的研究［J］. 土木工程学报，2002，35(2)：8-19.
［5］钟善桐.钢管混凝土结构(第3版)［M］.北京：清华大学出版社，2003. ［6］DL/T5085-1999，钢-混组合结构设计规程［S］.
［7］Load and Resistance Factor Design Specification［S］.American Institute of Steel Construction，1999.
［8］Eurocode 4：Design of Composite Steel and Concrete Structure ［S］.European Committee for Standardization，1996.
［9］Recommendations for Design and Construction of Concrete Filled SteelTubular Structures［S］. Architectural institute of Japan，1997. ［10］聂建国.钢-混凝土组合结构［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.。