钢管混凝土偏压扭短柱承载力简化计算方法研究.pdf

第l O 期 2 0 0 7 年1 0 月 广东 土 木与建 筑 GUA NGDONG A RCHI TE C T URE CI VI L E NGI NE E RI NG N o 1 0 OC T 2 0 0 7 钢管混凝土偏压扭短柱承载力简化计算方法研究 尧 国皇 黄用军 宋宝东 孙素文 ( 中建国际深圳设计顾问有限公 司 深圳 5 1 8 0 3 3 ) 摘要 ： 在现有研 究成果的基础上 ， 推 导了钢管混凝土偏压扭短 柱极 限承载力的计算公式 ， 并对偏心率、 扭矩 比、 截 面舍钢率、 钢材屈服强度和混凝 土强度等参数的影响规律进行 分析 ， 提 出钢管混凝 土偏压扭短柱极 限承载 力 的简化计算公式 ， 其结果准确性 高且偏于安全 ， 可为相关工程提供参考。 关键词 ： 钢 管混凝土；偏压扭 ；承载力 ；简化计算 1 前 言 钢管混 凝 土是 在劲性 钢筋混 凝土及 螺旋 配筋混 凝土的基础上演变和发展而来的 由于钢管和混凝 土两种不同材料之间的相互作用 使得钢管混凝土 具有承载力高、 塑性和韧性好 、 施工方便 、 耐火性能 好 、 经济效益高等优点 在土建工程中的应用越来越 广 并 取得 良好 的经 济效益 和建筑 效果 。 以往 国内 外研究人员对钢管混凝土构件在轴压 、 纯弯和压弯 荷载作用下的力学性能和承载力计算进行了大量的 研究 还制定 了相应 的设计 规程 对此进 行 了较 全 面 的综 述 。 对纯 扭 、 压扭 、 弯 扭及 压 弯扭 受力 状 态 下 的 工作性能也有一些研究报道 但对压弯扭构件工 作机理的研究仍有必要深入进行 在 以往 的钢管 混凝 土构 件 研究 成 果 的基 础上 文献 1 采用通用有 限元 法 A B A Q U S ( H i b b i t t ， 2 0 0 3 ) t s 对钢管混凝土构件在复杂受力状态下 的工作性能进 行了较为深入的研究 其分析结果得到了实验结果 的验证 有限元分析的建模方法和材料本构关系模 型的选 取方法详 见文献 1 ， 并在此 基础上 对钢管 混 凝土构件承载力实用计算方法进行 了研究 计算结 果与收集到的各类实验结果进行了比较 结果表 明 两者 吻合较 好 。文 献 1 给 出的钢 管混 凝 土压 弯 扭 短柱承载力相关方程如下 ： 当帅 2 77 。 T 二 时 ( + 0 M M u ) z 4 + ( ) = 1 ( 1 ) 当 I】 0 4 ) 0 J 对于方钢管混凝土： o = 1 + 0 1 4 ( 7 ) 刀 ： 一 0 - 3 1 7 5 ( 0 4 ( 8 ) l 0 1 + 0 1 3 4 4 ( 4 0 4 ) 式( 1 ) ( 2 ) 的适用条件如下 ： = 0 2 5 0 = 2 3 5 4 2 0 MP a ， Au = 3 0 9 0 MP a ， 口= 0 0 4 0 2 ， 各参数的具体 含 义详见 文献 1 。 从式( 1 ) 可见 如果已知钢管混凝土压弯扭短柱所 承受的轴力、 弯矩和扭矩 则可较方便地验算其承载 力 但 在实 际结构 中最常 见的是偏 压扭 的受力状 态 ， 采用以上隐式的计算公式就显得较不方便 因此进 行钢 管混凝 土偏 压扭短柱 极 限承 载力 的简化计算 方 法 的研究是 很有必 要 的 2 偏 压扭 短柱 承载 力计 算方法 的推导 以下以圆形截面钢管混凝土为例 ，推导钢管混 凝土偏压扭短柱极限承载力的计算方法。 当 I】 2 77 。 r _ 时，令 M= N e ( e为荷载偏心距) ， 代入式( 1 ) 可得 ： ( I】 + 。 N e 眠 ) 。 + ( ) = 1 ( 9 ) 将 上 式移项并 开方 可得 ： v - ( 1 I】+ 。 CM u ) = 令k = 厂 r = ， 且。 e e ( - ) 3 3 2 ) = 4 a i r e r 1 ( 其中 g 为钢管混凝土抗弯强 23 维普资讯 2 0 0 7 年1 0 月 第1 0 期 尧国皇 等： 钢管混 凝土 偏压 扭短 柱承 载力 简化计 算方 法研 究 O C T 2 0 0 7 N o 。 1 0 度计算系数； e r 为荷载偏心率) 。将以上两式代入 式 可得 ： N= k ( 1 + ) u r m| 令 偏压扭 短柱 承载力 计算 系数 为 ( ) = ， = k( 1 + ) m r 当N N 2 r l 。 T 二 时， 同样令性 e ( e为荷载偏心距 ) ， 代人式( 2 ) 并移项可得 ： 一 b N 2 N + 0 e M u c N u N - k = O 令 。 c b N 黟 - e M c u 代入式 并求解 得 = ( 一 fl+ X fl 2+ 4 a k) ( 2 a) 又 ： ( 4 y ) ( e r ) _ c u= ， 代入式 并整理可得 ： = ( - ) 2 b ) u 此 时 ， 偏压扭 短柱 承载力计 算系数 为 ： ( ) = ， v u = ( 一 2 r1 。 T 二 时 ( 1 + ) u ， m ， 当N N 2 rl 。 时 N = Z- X Z 2 - 4 b k ) 一 u 二 U 式中 = ( 3 ) ( e r ) - c；式 中 u 前 的表达式即为方钢管混凝土偏压扭短柱承载力计算 系数 ； 式 、 一 中， 当 k = l ( 即扭矩为零) 时 ， 承载 力计算公式退化为钢管混凝土偏压短柱极限承载力 的计算公式。同样 以上公式的适用条件为 ： 4 = o 2 5 0 = 23 5 4 2 0MP a =3 0 9 0 MP a， c t =O 0 4 0 2。 3 参数 分析 从以上推导结果可见 影响偏压扭短柱承载力 计算系数可能的参数有荷载偏心率 、 扭矩比、 截面含 钢率 、 钢材屈服强度和混凝土强度 以下采用典型算 例对以上参数的影响规律进行分析 基本计算条件 为： 含钢率 a - O 1 。 C 6 0 混凝土。 Q 3 4 5 钢材。 r r - o 4 。 图 1 分别给出了各参数对圆钢管混凝土和方钢 管混凝土偏压扭短柱承载力计算系数 的影 响规律 可见各参数对圆钢管混凝土和方钢管混凝土偏压扭 短柱承载力计算系数的影响规律基本类似即在其 他参数固定不变的情况下偏压扭短柱承载力计算 系数随荷载偏心率的增大而减小 ：偏压扭短柱承载 力计算系数随扭矩比的增大而减小 ： 截面含钢率、 钢 材屈服强度和混凝土强度对偏压扭短柱承载力计算 系数影 响较小 4 偏压扭短柱承载力简化计算 从图 1的参数分析结果可见影响偏压扭短柱 承载力计算系数的主要参数为荷载偏心率和扭矩 比， 其他参数则影响较小 ， 进一步对偏压扭短柱承载 力计算系数计算公式进行简化 将忽略截面含钢率、 钢材屈服强度和混凝土强度等参数的影响。我们注 ( b )方钢管 混凝 土 图 1参数分析 维普资讯 2 0 0 7 年1 O 月 第l O 期 广东 土木 与建 筑 O C T 2 0 o 7 N o 1 0 意到实际工程中的 一般都小于 0 4 ，因此以下 简化计算方法采用 r r o = o 4的计算值进行推导 且 5 结论 该推导过程是偏于安全的。 采用 回归分析法 可以推导 出钢管混凝土偏压 扭短柱承载力计算系数的简化计算公式如下： 对于圆钢管混凝土 = 1 1 (1 0 8 7 ( e r ) 2 + l 5 e H 对于方钢管混凝土 ( ) = 【 11 ( 0 3 5 1 6 2 e ( r e 一 r 。 ) 2 + 1 8 1 ) 2 8 e r + Q 图 2分别给出了式 得出的圆钢管混凝土 和方钢管混凝土偏压扭短柱承载力计算系数结果 与上节有关公式的计算结果相 比，式 的结果 准确度较高且偏于安全 。 式( 1 7 ) 式( 1 8 ) ( a )圆钢管混凝土 ( b )方钢管混凝土 图 2 偏压扭短柱承载力计算系数 的计算结果对比 在计算得出偏压扭短柱承载力计算系数后 乘 以钢管混凝土轴压强度 便可较方便地求得钢管混 凝 土偏压扭 短柱 的极 限承载力 。 在以往有关研究成果的基础上本文推导 了钢 管混凝土偏压扭短柱极限承载力的计算公式 并对 偏心率 、 扭矩 比、 截面含钢率 、 钢材屈服强度和混凝 土强度 等参数 的影 响规律进 行 了分析 ，在此基 础上 提 出 了钢管混 凝土偏 压扭短 柱极 限承 载力 的简 化计 算公式 其结果准确度较高且偏于安全 ， 本文的研究 成果可为相关工程设计提供参考 参考文献 1 韩林海 钢管混凝土结构一 理论与实践 M 北京： 科学 出 版 社 2 0 0 7 2 韩林海 ， 钟善桐钢管混凝土力学 M 大连 ： 大连理工 大学 出版社 1 9 9 6 3 宫安钢管混凝土短柱在压扭复合受力下 的研究 ( 硕士 学位论文) D 北 京： 北京建筑工程学院， 1 9 8 9 4 1周竞、钢管混凝土 中长柱在压扭复合受力下 的试验研究 ( 硕士学位论文 ) D 北京 ： 北京建筑工程学院 ， 1 9 9 0 5 Hi b b i t t ， K a d s o n ， S o r e n s o n A B A Q U S V e r s i o n 6 4 ： T h e o r y ma nu a l ， u s e r s ma n ua l ， v e rific a t i o n ma nu a l a n d e x a mp l e p r o b l e ms ma n u a 1 Hi b b i t t ， Ka r l s o n a n d S o r e n s o n I n c ， 2 0 0 3 ( 上接 第 1 1页 ) 4 3 岩溶地区的多层建筑可采用复合地基方案 但 不应盲 目提高 C F G桩复合地基承载力和变形模量 否则很可能造成工程质量隐患或事故。 4 4 钻( 冲 ) 孑 L 灌注桩是重要建筑及 高层建筑 中的 常用桩型 其优点是能有效穿过土洞和溶洞 提供较 大的单桩竖向抗压承载力 在桩长合理的情况下是 一 种安全可靠和经济的方案。 参考文献 1 G B 5 0 0 7 2 0 0 2 建筑地基基础设计规范 S 2 D B J 1 5 3 1 2 0 0 3 ( 广东省标准 ) 建 筑地 基基础设计规 范 S 3 王光文花都 岩溶 地区常见桩基 和复合地基的选型 J 广东土木 与建筑 ， 2 0 0 7 ( 6 ) 4 王 为凯广州新 白云国际机场 钻孔灌注桩施 工 J 施 工技术 ， 2 0 0 3 ( 1 ) 2 5 维普资讯