矩形钢管混凝土短柱轴心受压承载力综述

矩形钢管混凝土短柱轴心受压承载力综述

作者：严海峰董皞李京伦

来源：《商情》2011年第06期

【摘要】本文对国内外有关矩形钢管混凝土短柱轴心受压承载力计算公式进行了总结分析，同时分析了目前运用有限元对矩形钢管混凝土短柱轴心受压进行数值计算时存在的问题，最后提出了一种能提高此类构件轴心受压承载力的做法。

【关键词】矩形钢管混凝土短柱轴心受压

矩形钢管混凝土柱是近年来发展较快的一种钢—混凝土组合结构构件，与传统的圆钢管混凝土柱相比，具有在建筑上利于内部空间布置，在结构设计和施工上方便梁节点连接等优点。特别是薄壁矩形钢管混凝土组合结构运用于住宅建筑中，与传统的混凝土结构相比，可减小柱截面尺寸增加建筑使用面积，提高施工速度等优势，因此它的发展和运用很具前景。矩形钢管的做法通常是将四块钢板拼焊而成，焊缝按贴角焊缝的形式设计，其对管内核心混凝土起到的套箍约束作用要比圆钢管的小一些，但同样可以有效的提高构件延性。

国外对于矩形钢管混凝土构件力学性能的研究开展的较早，并形成了相应的设计规范，有大量的工程实践运用；我国对于这类结构的研究起步比较晚，于2004年才有相应的设计规范——《矩形钢管混凝土结构技术规程》。与传统的圆钢管混凝土结构相比，矩形钢管混凝土结构的研究广度和深度均要小很多，许多问题尚待深入研究。

本文仅仅就矩形钢管混凝土短柱轴心受压承载力计算问题对现有的国内外计算方法进行总结综述，另外也就有限元法来计算这类构件提出了一些目前存在的问题。

一、目前我国对于矩形钢管混凝土短柱轴心受压承载力计算有下面几种方法：

1.《矩形钢管混凝土结构技术规程》[1]中规定的设计计算公式：

N＝fyAs+fcAc(1)

式中fy，fc ——钢和混凝土抗压强度设计值；

As，Ac——钢管和混凝土的截面面积。

从式中显然可以看到，公式没有考虑钢管对核心混凝土的约束作用，仅通过钢管和混凝土各自承载力简单叠加而成，没有反映实质，但是用于设计非常方便。

2.文献[2]推荐的计算公式：

N＝fscAsc(2)

式中Asc——构件截面面积；

fsc——钢管混凝土轴心受压组合强度设计值。

fsc=(1.212+Bξ+Cξ2)fc

式中 B＝0.1381fy/215+0.7646;C＝-0.0727fc/15+0.0216;

ξ——套箍系数，ξ＝（Asfy/Acfc）。

这是韩林海等在对大量试验结果数据分析基础上进行回归分析得到的统一计算理论，比较符合试验结果，反映了钢管套箍作用对核心混凝土的影响。但是此公式仅是针对方钢管（即钢管截面长度＝宽度）混凝土短柱试验得到的，这个只是矩形钢管的一个特殊情况。

3.文献[3]在公式（2）基础上修正套箍系数ξ：

式中D，B——构件截面的长边和短边长度。

一般认为套箍系数ξ和截面两边长D/B值对于矩形钢管混凝土轴心受压承载力有比较明显的影响，这个在文献[4]中也提到了，同时该文献提出了轴压强度承载力的提高与ξ的关系规律不明显，和 D/B的关系规律表现为随D/B值减小而有增大的趋势。本修正公式通过引入D/B 参数对套箍系数ξ的影响，即修正ξ‘＝Фξ来考虑ξ和D/B两参数对构件承载力的影响，但是也仅仅是基于4组截面尺寸的试件试验基础上通过一元回归分析得到。由于文献[4]基于大量试验得到了ξ、D/B参数对矩形构件轴心受压承载力影响规律不明显的结论，所以个人认为这里文献[3]的这个修正公式对于其他截面尺寸的构件承载力计算是否符合实际情况存在很大的疑问。

4.文献[5]建议的计算公式：

N=Asfy+Acfc(1+Ф)

式中Ф——混凝土强度提高系数，Ф＝17.0(D/t)-2(fy/fc)；

t——钢管壁厚。

本公式适用于方钢管混凝土构件计算。从式中可以看到此公式从钢材强度和混凝土强度比值以及边长和钢管壁厚的相对比值两个影响参数来考虑对核心混凝土强度的提高，和上面认为的ξ、D/B两影响参数不同，本式提供了又一种影响参数的分析思路。

二、国外有关钢管混凝土的设计规范[6]主要有美国ACI319－89，LRFD(1994)，日本AIJ （1997）和欧洲EC4（1996）等。

1.美国LRFD（1994）规程，该规程对轴压构件是考虑构件的整体稳定，将混凝土的强度折算到钢材中，得到钢材名义抗压强度Fcr，计算公式为：

Nu=AsFcr

2.日本AIJ（1997）

AIJ规范采用叠加钢材和混凝土二者承载力的方法。计算时按L/D比值划分为长柱和短柱，当L/D

公式中参数含义同前。

3.欧洲EC4（1996）规范计算公式:Nu=Asfy+Acfck

式中，fck——混凝土轴心抗压强度标准值，其余同前。

对比中外规范发现，韩林海计算式和美国LRFD（1994）规程有类似，都将混凝土组合到钢管中形成名义抗压强度来计算，只是美国此规程的承载力公式同时考虑了构件稳定问题，我国则是独立另有稳定承载力计算公式；我国CECS159：2004规程和日本AIJ（1997）、欧洲EC4（1996）规范很相似，均采用了将两种材料的承载力叠加的方法。

三、有限元数值计算法

有限元是一个非常实用的计算分析方法，特别是借助Ansys, ABAQUS等商用有限元软件，可以解决由于试验条件限制的局限性，也能用于和试验进行对比分析。在尝试利用Ansys 建立矩形钢管混凝土模型进行有限元计算的过程中得到了一些体会，目前利用有限元软件进行模拟较为符合实际情况的构件工作状况存在以下几个方面的问题：

1.钢管混凝土在受荷过程中钢管和混凝土间可能发生脱离，而且这个脱离区域是未知的，在Ansys中较难模拟，有些采取假定钢管与混凝土整体变形协调，钢管和混凝土之间完全粘结以此来简化分析。即便是通过接触单元，设置钢管与核心混凝土的接触面可以分离，但是不能相互渗透，也无法完全模拟实际情况。

2.核心混凝土的本构关系。目前国内较为公认的方钢管核心混凝土本构关系为韩林海[2]提出的，但是这也仅是方钢管内受压混凝土的本构关系，矩形钢管内混凝土本构关系只能近似采用它，当然也有采用其他混凝土本构关系。