带肋方钢管混凝土偏压构件承载力计算方法研究.pdf

2 0 1 1 年第 l 2期 铁道建筑 Ra L ma y Eng i n e e r i ng 14 3 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 1 4 3 0 3 带肋方钢管混凝土偏压构件承载力计算方法研究 黄义 勇 ( 中铁上海设计院集团有限公司 ， 上 海2 0 0 0 7 0 ) 摘要 ： 带肋方钢 管混凝土是指在方形钢管 中设置纵向加劲肋后再填充混凝土而形成的构件 ， 与无肋方钢 管混凝土构件相比， 由于加劲肋阻碍 了管壁局部屈曲的产生， 其承载力和延性都有所提 高。在前期有限 元计算的基础上， 对带肋方钢管混凝土轴压、 纯弯、 偏压构件的承载力进行 了参数分析 ， 计算过程 中考虑 了焊接残余应力和初始几何缺陷的影响， 提 出了轴压 、 纯弯、 偏压构件承载力计算公式。对于轴压构件 ， 考虑 了较大宽厚比使构件承载力降低 ， 及加劲肋使构件承载力提 高。对于纯弯构件 ， 考虑 了加劲肋对承 载力的贡献。对于偏压构件 ， 修正了长细比对承载力的影响。所有的计算公式与无肋方钢管混凝土承 载力的计算公式相衔接 。最后， 将公式的计算结果与试验结果进行 比较 ， 两者符合 良好 ， 这些公式可为 有关工程 实践提供参考。 关键词 ： 带肋方钢管混凝土 轴压 纯弯 偏压 计算公式 中图分 类号 ： T U 3 9 2 3 文献标 识 码 ： A 带肋 方钢 管混 凝 土柱是 指在 方形 钢管 管壁 内设 置 纵向加劲肋 ， 然后再浇筑混凝土而形成的构件 ， 具有承 载力高、 节点形式简单 、 建筑布局灵活 、 施工： 疗便 、 更易 采用防火措施等特点。尤其在截面宽厚 比( B t ) 较大 时 ， 采用设置加劲肋的钢管制作成 的方钢管混凝土柱 ， 在加载过程中可有效地控制局部鼓 曲的发展 ， 提高构 件约束能力及管壁稳定性 ， 进而提高构件承载力， 增大 延性 。 国内外已有学者对带肋方钢管混凝土构件的力学 性能做了相关研究 。陶忠和于清( 2 0 0 6年) 对薄壁 带肋方钢管混凝土轴压和偏压试件进行了试验及理论 研究 ， 并提出了薄壁带肋方钢管混凝土轴压和偏压构 件的 承 载 力 简 化 计 算 方 法。C L O T I L D A 等 ( 2 0 1 0 年) 对采用角钢拼焊而成 的薄壁带肋方钢管混凝土 构件进行 了推 出试验与轴压试 验 ， 其中有 些构件加劲 肋 带 有楔 形接 头 。试 验 结果 表 明 ： 设 置带 楔 形 接 头 加 劲肋的构造措施可 以提高薄壁方钢管混凝土柱的界面 黏结力 、 轴压 极 限 承 载力 与 延性 。郭 兰 慧 等 ( 2 0 1 1 年) E 3 结合贵州洪家渡水电站钢管混凝土厂房柱 的设 计 ， 对大长宽 比的薄壁加劲矩形钢管混凝 土构件在双 向压弯荷载作用下 的性能进行了理论分析 ， 研究 了构 件的变形 、 截面内力和截面变形轴 随荷载的变化 。黄 收稿 日期： 2 0 1 1 - 0 6 - 1 2 ； 修 回日期 ： 2 0 1 1 0 9 - 1 2 基金项 目： 国家 自然科学基金( 5 1 0 0 8 1 2 2 ， 5 0 9 6 8 0 0 6 ) 作 者简 介： 黄义勇( 1 9 6 4 一 )， 男 ， 江西安义人 ， 高级工程师 。 宏等( 2 0 1 1年) 对带肋方钢管混凝土轴压短柱进行 了试验研究和理论分析。 本文拟在前期对带肋方钢管混凝土轴压、 纯弯、 偏 压构件进行的有限元分析和计算的基础上 ， 通过参数 分 析 ， 提出带 肋方 钢管 混 凝 土 轴压 、 纯弯 、 偏 压 承 载力 计算公式 ， 这些计算公式与无肋方钢管混凝土轴压 、 纯 弯和偏压构件承载力计算公式相衔接。最后， 将公式 计 算结 果与各 类试 验结 果进行 了比较 。 1 轴压 强度承载 力 由黄宏等 ( 2 0 l 1 年 ) 的研究可知 ， 对带肋方钢管 混凝土柱轴压强度承载力的影响因素 ， 除了与无肋方 钢管混凝土相同的因素外 ， 还与钢管宽厚 比 B t 及加 劲肋高厚比 有关。因此 ， 在无肋方钢管混凝土轴 压承载力计算 公式的基础上 ， 本文将引入系数 I f ， 。 ， ： ，分别考虑这两个参数对带肋方钢管混凝土轴压短 柱承载力的影响 。按此思路 ， 设定本文的带肋方钢管 混凝土轴压承载力 为 N = 。 A 。 + 2 A ( 1 ) 其中， A 为钢管截面面积 A 和混凝土截面面积 A 之 和； 如式( 2 ) 所定义 ， 式( 2 ) 中 为约束效应系数 ( =A f ( A f。 ) ， f 为混凝土标准立方体强度， 为 钢材屈服强度 ) ； A 为加劲肋 的横截面面积 ， 为加劲 肋 的屈 服强度 。 = ( 1 1 8+0 8 5 ) Z ( 2 ) 。考虑 了大宽厚比使构件轴压 承载力折减 。通 铁道建筑 过有限元 方 法 进行 参数 分 析， 得 到 ， 和 ( B t ) ( B t ) 。 之 间的关 系 ， 如 图 1所 示 ， 其 中 ( B t ) 。为方 钢 管的宽厚比限值， ( B t ) 。 = 6 0 2 3 5 。图 1 所示的 与 B t 关系可用一个二次函数来模拟 ， 如式( 3 ) 。 一 o o 0 1 f r + o o 7 【 + 0 ( 3) 考虑 了加劲肋 高厚 比对轴 压承载力 的影 响。 在确定 与 B t 之间的关系的基础上 ， 通过有限元进 行参数分析， 可得到 ：与加劲肋 的高厚 比 的关 系 ， 如图 2所示。可见， 在一定范 围内， 加劲肋 的高厚 比越大 ， 承载力越大， 并且 当高厚 比达到一定值时 ， 提 图 1 。 与宽厚 比之间的关 系 蜮 ： 图 2 ： 与肋高厚比之间的关 系 试验值 l( N ( a ) 轴压承载力 高高厚 比对承载力的提高影响很小 。由式( 4 ) 计算 2=0 8 5 1 n ( h s t )一0 8 5 ( 4 ) 图 3 ( a ) 为计算值 与试验值 的比较情况 ， 为文献 1 和 4 中所述的轴压构件承载力试验值 ， 为按式( 1 ) 的计算值 ， 的平均值为 0 9 6 4， 均方 差为 0 0 4 ， 可见本文公式计算结果与试验结果总体上 吻合 较好 。 2抗弯承载力 带肋方钢管混凝土纯弯构件的抗弯承载力可以看 成是无肋方钢管混凝土抗弯承载力与纵向加劲肋抗弯 承载力的叠加 。在文献 5 提 出的无肋方钢管t 昆 凝 土 抗 弯承 载力计 算公 式 的基 础 上 ， 考 虑纵 向加 劲 肋 的贡 献 ， 带肋方钢管混凝土构件抗弯承载力 为 M = +y 2 ( 5 ) 式 中， 。 为无肋方钢管混凝土塑性发展系数 ， 由式 ( 6 ) 计算得到 ； ： = ， 。 与 分别由式( 3 ) 和式 ( 2 ) 计算得到 ； 。 为截面抗弯模量 ， =B 6 ( B为 截面宽) ； ， 分别为加劲肋的截面抗弯模量 和屈服 强度 。 l=1 0 4+0 4 8 1 n ( +0 1 ) ( 6 ) 为加劲肋高厚 比对抗弯承载力影响系数 ， 采用 有限元方法 进行参数分析 ， 可以得到 与 t 的 关系 ， 如图4所示。两者关系可用直线模 拟， 如式 ( 7 ) 所示 。 y 2=一0 0 2 ( t )+3 5 4 ( 7 ) 图 3 ( b ) 给出了文献 6 中2个无肋和带肋方钢管 混凝土纯弯构件承载力试验值 和公式计算值 的比较， 其中， 为试验值 ， 为按式( 5 ) 的计算值 ， M M 的 平均值为 0 8 7 3 ， 均方差为 0 0 6 2 。 3偏压承载力 带肋 方钢 管混凝 土偏 压承 载力计算 公式 是在 无肋 构件计算公式基础上进行调整得到 ， 如式( 8 ) 所示。 试验值 ( k N m ) ( b ) 抗弯承载力 图 3 公式计算值与试验值 比较 Z 蜮 试验值N J k N ( c ) 偏压承载力 2 0 1 1年第 1 2期 带肋方钢 管混凝 土偏压构件承载力计算方法研究 1 4 5 图 4 y 与肋 高厚 比之 间的关 系 N =6 l N ( 8) 式 中， 为按照文献 5 提出的无肋构件偏压承 载力 计算公式求 得的计算值 ， 如式 ( 9 ) 所示 ， 只是式 ( 9 ) 中 为带肋构件轴压承载力 ， 由式 ( 1 ) 计算得到 ， 为 带肋构件抗弯强度承载力， 由式 ( 5 ) 计算得 到， 弯矩 为 与偏心距的乘积 。 f + 号 ： 1( N N 2 ， 叩 。 ) l + 叩 l 一 ( ) 2 _ c + 吉 = c 0 4)( + 3 u 。 ( 4) 式( 8 ) 中， 8 为考虑 了焊接残余应力和 初始几何 缺陷影响的修正系数 ， 采用有限元方法 进行参数分 析 ， 发现其主要与长细 比 A有关 ， 6 。 与 A的关系如图 5 所 示 ， 可 由式 ( 1 2 ) 模 拟 。 1=1 5 31 0 一 A+1 0 7 4 ( 1 2 ) 图 3 ( e ) 给出了带肋方钢管混凝土偏压承载力 与 文献 1 和 文 献 7 的试 验 结 果 之 间 的 比较 情 况 ， N N 的平均值为 0 8 7 8 ， 均方差为 0 0 7 7 。从 图 3 ( C ) 可见 ， 公式计算结果总体偏于安全 。 本文提出公式的适用范围为 ： =2 0 05 0 0 MP a ， =3 0 8 0 MPa， Bt：5 0 2 5 0， t =0 5 0； A =2 0 1 6 0 ， 每侧加劲肋数 目1或 2 。 图 5 8 与 A之间的关系 4 结论 1 ) 考 虑 钢 管宽 厚 比 和 加 劲肋 高厚 比 对 构件 承 载 力的影响， 提出了带肋方钢管混凝土轴压强度承载力 的计 算公 式 。 2 ) 考虑加劲肋高厚 比对构件承载力 的影响 ， 提出 了带肋方钢管混凝土纯弯构件的承载力计算公式。 3 ) 考虑构件长细 比， 焊接残余应力和初始几何缺 陷对构件承载力的影响 ， 提出了带肋方钢管混凝土偏 压构件的承载力计算公式。 4 ) 本文公式计算结果与其它文献所述 的试验结 果较接近 ， 计算结果总体略偏于安全。 参 考 文 献 1 陶忠 ， 于 清 新 型组 合结 构 柱一试 验 、 理论 与 方法 M 北 京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 6 【 2 C L O T I L D A P ， H A N I Z A H A H， A Z MI 1 ， e t a 1 E x p e r i m e n t a l be h a v i o u r o f c on c r e t e f i l l e d t h i n wa l l e d s t e e l t u be s wi t h t a b s t i f f e n e r s J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 1 0 ， 6 6 ( 7)： 91 5 9 2 2 3 郭 兰慧， 张素梅 ， 徐政 ， 等 带有加劲肋 的大长宽 比薄壁矩形 钢管混凝 土试 验研 究与理 论分 析 J 土木 工程学 报 ， 2 0 1 1 ， 4 4 ( 1 )： 4 2 4 9 4 黄宏 ， 李毅 ， 张安 哥 带肋 方钢 管混凝土轴压 短柱 的试验研 究及有限元分析 J 建筑结构 学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 2 ) ： 7 5 8 2 5 韩林海 钢管混 凝土结 构一理论 与实践 ( 第 二版 ) M 北 京 ： 科学 出版社 , 2 0 0 7 6 李毅 ， 黄宏 ， 张安哥 带 肋方 钢管混凝 土纯弯力学 性能研 究 J 铁道建筑 ， 2 0 0 9 ( 1 0 ) ： 1 1 3 1 1 6 7 万城勇 带肋方钢管混凝土柱偏心受压力 学性能研究 D 南昌 ： 华东交通大学 ， 2 0 1 0 ( 责任审编 白敏华)