不同截面钢管混凝土结构承载力

1 引言
（ CFST） 指的由混凝土填入钢管中形成的组合结构 ， 钢管混凝土 是套箍混凝土中的一种特殊形式 。 钢管混凝土的基本原理是指借助 于钢管对于核心混凝土的套箍约束作用 ， 使的混凝土处于三向受压 状态 ， 使得核心混凝土具有很好的抗压强度和压缩变形能力 。 钢管 混凝土具有强度高 、 自重轻 、 延性好 、 耐冲击 、 施工方便 、 节省材料等 优点 。 钢管混凝土构件根据其界面形式可以划分为圆形 、 方形 、 多边 形等形式 ， 其中圆形和方形的使用最为广泛 。 本文对目前钢管混凝 土结构常用的截面形式受力特点进行介绍 ， 并对不同钢管混凝土极 限承载力进行分析 ， 以供工程实践参考 。 2 常用截面特点 钢管混凝土中常用的截面主要有圆形 、 方形 、 多边形等 ， 其中多 边形钢管混凝土中以八边形居多 ， 各截面形式如图 1 所示 。
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不同截面钢管混凝土结构承载力分析
黄勇祥
( 湖 南省 电力 勘 测 设 计 院 ， 湖 南 长 沙 410007)
摘 要 ： 本文对 不 同 截 面 钢 管 混 凝 土 受 力 特点进行分析和 比较 ， 重 点分析 圆 形 、 方 形 及 多 边 形 钢 管 混 凝 土 柱 受 力 特点 。 根据 工程 中不 同 截 面 钢 管 混 凝 土 承载 力 公 式 不 同 ， 本文对 部 分 理 论 公 式 进行 简 化 ， 提 出 不 同 钢 管 混 凝 土 截 面 承载 力 统 一 公 式 ， 公 式 计 算 结 果 与 实 验 值 符 合 良好 。 关键词 ： 截 面 不 同 ； 钢 管 混 凝 土 ； 角 点 ； 承载 力
f A (A 2 K ) AB ( A 2 B) 0.2 B 0.05, B f 2 f 2
圆形 钢管 混 凝土 是 目前 研 究最 为 充 分 的 截 面 形 式 且 在 工 程 中 应用也最为广泛 。 对于圆形钢管混凝土柱 ， 混凝土受到钢管对其均 匀约束作用 。 圆形钢管混凝土承载力及变形能力均优于其他截面形 式钢管混凝土构件 。 由于圆形钢管对于混凝土约束效果比较好 ， 所 以圆形钢管混凝土构件主要用于轴压及小偏心受压构件 。 对于大偏 心受 压构 件 来说 ， 由 于受 拉 侧钢 管 不能 对 混凝 土 约 束 ， 因 此 混 凝 土 三向受压性能不能得到发挥 。 2.2 方形截面 方形钢管混凝土构件在结构中应用也很广泛 ， 但是方形钢管对 于混凝土的约束不如圆形钢管的约束效果好 ， 方形钢管混凝土的承 载力明显低于圆形钢管混凝土 。 研究表明 ， 方形钢管对于内部混凝 土的 约 束可 以 分为 两 个部 分 ： 有效 约 束区 和 非有 效 约 束 区 ， 二 者 的 界限为一抛物线 ， 有效约束区的混凝土极限抗压强度是高于非有效 约束区 ， 非有效约束区的混凝土所受到侧向约束是不均匀的 。 但方 形钢 管 混凝 土 梁柱 的 节点 处 理相 比 圆形 钢 管混 凝 土 梁 柱 节 点 处 理 要 简 便 ， 方 形 钢管 与 其他 构件 的 交贯 线 可以 在 一个 平 面 内 ， 便 于 现 场施工 。 同时由于方形钢管混凝土的截面惯性矩较大 ， 其在大偏心 及长 柱 情况 下 的承 载 力完 全 有可 能 超过 同 样材 料 用 量 的 圆 形 钢 管 混凝土柱 。 2.3 八边形截面 采用圆形钢管混凝土时 ， 在节点区域将会消耗大量的钢材同时 给施工带来很大的困难 ， 影响结构的整体经济效益 。 对于方形钢管 混 凝 土柱 ， 由 于外 钢 管的 四 个角 部 分应 力 集中 比 较严 重 ， 易 出 现 薄 弱区域 ， 特别对于抗震不利 。 同时当构件截面的钢管的宽厚比很大
(a) 圆 形 2.1 圆形截面
(b) 方 形 图 1 不同截面钢管混凝土
(c) 八 边 形
时 ， 则要考虑钢管局部屈曲 。 采用八边形钢管混凝土结构不仅可以 缓解方形钢管混凝土四角应力集中问题及局部屈曲 ， 同时可以兼顾 到圆形钢管的约束效果 。 八边形钢管对于混凝土的约束也分为有效 约束区及非有效约束区 ， 且二者界限也为一抛物线 。 但是由于八边 形钢管其角点为 120 度相比于方形钢管混凝土角点 90 度 ， 其尖锐 性 缓解 很 多 ， 有 效 缓解 了 方形 钢 管混 凝 土角 点 应 力 集 中 问 题 ， 同 时 又兼顾了方形钢管混凝土梁柱节点的连接 ， 相比于圆形和方形钢管 混凝土结构具有一定的优势 。 各截面应力图如图 2 所示 。 3 承载力计算 国内外关于钢管混凝土结构设计方面的规范已经给出了很多 。 国 外 主 要 有 美 国 的 ACI （ 2005） 和 AISC （ 2005） 、 日 本 的 AIJ （ 1997） 德 国 的 DIN1886 （ 1997） 及 欧 洲 的 EC4(2004) 等 等 ， 在 这 些 规 范 中 以 上 面五种规范具有代表性 ， 应用比较广泛 。 这些规范中大都对圆形钢 管混凝土及方形钢管混凝土的承载力的计算都有比较详细的介绍 ， 然而对于多边形钢管混凝土承载力计算却未见详细叙述 。 我国 近年 来 也颁 布 了不 少 关于 钢 管 混 凝 土 结 构 设 计 方 面 的 规 范 ， 具 有 典 型 的 主 要 有 国 家 建 筑 材 料 工 业 局 标 准 JCJ01-89, 中 国 工 程建 设 标准 协 会 的 标 准 CECS28:92 中 华 人 民 共 和 国 电 力 行 业 标 准 DL/T5085-1999 等都给出了圆钢管混凝土设计方面的规定 。 部分规 范也给出了方钢管混凝土结构设计方面条文 。 国内学者对不同截面形式的钢管混凝土的承载力进行了统一 ， 提出不同截面的钢管混凝土承载力统一公式 。 其中哈尔滨工业大学 查晓雄教授提出圆形和多边形钢管混凝土强度统一公式 ：
f 其中 ：Ke 是截 面 折减 系 数 ， 圆 形 取 Ke=1.0 ， 四 边 形 取 Ke=03285 ， 八边形取 Ke=0.724 。 根据 工程 中 ， 钢材 取 Q235-Q420, 混凝 土 取 C30-C80 ， 本 文 对 多 边形钢管混凝土其套箍系数进行折减 ， 可以达到不同截面钢管混凝 土承载力统一公式 ： 1 1.5k 2 1 f f f ， 其中 k 3 k 3 , B f 。 参考相关文献 ， 利用 1 B 该简化公式对不同截面钢管混凝土短柱进行承载力计算 ， 计算参数 及结果如表 1 所示 。 表 1 计算试件