轴压作用下钢管混凝土长柱的力学性能研究.pdf

安徽建筑 2 0 1 2年第 1期( 总 1 8 2期 ) 轴压作用下钢管混凝土长柱的力 学性能研究 St u d y o n Me c h a n i c a l Pr o p e r t i e s o f L o n g Co l u m n f o r St e e l Co n c r e t e u n d e r Ax i a l Co m p r e s s i o n 王瑞瑞 ， 杨绍 山 ， 陈鹏 ( 1 山东科技大学土建学院 ， 山东青岛2 6 6 5 9 0； 2 威海市质监站环翠区分站 ， 山东威海2 6 4 2 0 0 ) 摘 要 ： 对不同截面下的钢管混凝土长柱在轴心受压作用下的力学性 能进行 分析研 究。 关键 词 ： 钢管混凝土； 长柱； 轴压； 力学性能 中图分类号 ： T U 3 7 5 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 1 9 3 - 0 2 0 引 言 随着经济的快速发展 ，社会需求的变化和功能要求的提 高， 钢管混凝土在建筑结构中应用非常广泛 ， 正被越来越广泛 地应用于工业厂房、 高层建筑和桥梁等结构工程中， 并取得巨 大的效益 ，人们对钢管混凝土的研究也成为一项很重要的课 题。钢管混凝土柱作为钢管混凝土结构的主要受力构件， 在这 种结构中可以发挥钢材和混凝土两种材料的性能， 对钢管混凝 土柱的力学性能的分析研究 ， 更能看出钢管混凝土较传统构件 具有明显的优越性 ， 其必将越来越多的应用到工程建设中来。 1 钢管混凝土长柱在轴心受压作用下的力学性能 钢管混凝土柱是由型钢混凝土柱及螺旋箍筋柱发展而来 的。柱有 长短之分 ， 房屋建筑中的短柱一般是指净高与截面宽 度之比不大于 4的柱，包括因嵌砌粘土砖填充墙形成的柱， 就 是短柱， 另一种说法是折减系数 值( 或 ) 小于 l O的为 短柱( 其强度无需折减， 即取 值 = 1 ) ， 而大于、 等于 1 0的就叫 长柱( 其强度必需折减， 即取 值小于 1 o钢管混凝土按截面 形式不同， 可分为圆形钢管混凝土、 方形钢管混凝土和矩形钢 管混凝土 ， 钢管中的混凝土一般为素混凝土 ， 不再配纵向钢筋 及箍筋。本文取方形截面和圆形截面进行受力分析研究。 1 1方形截面钢管混凝土长柱轴心受压作用下的力学性能分析 研 究 对于方形钢管混凝土长柱， 在轴压作用下， 是钢管的横向 极限拉力控制着构件的承载力， 从方形螺旋箍混凝土柱的试验 中发现 ，其截面是由方形虚线向实线的类圆形发展变化的， 如 图 1 所示， 在轴压作用下所产生的弯曲应力， 与原残余初应力 ( 如图 2所示 ) 的方向恰好相反， 因此可相互抵消， 由此可简化 看作此处截面上只承受横向拉应力。另外 ， 针对长柱计算时要 从纵向弯曲系数 或承载力的折减系数来解决。 我们取半个单位长度的方形钢管为研究对象 ，受力分析 如图 3所示 。 可得钢管混凝土轴压长柱极限承载力 ， v 盯的简化计算公 式为： Mr = 肌 【 3 ( + K( 口 _ 2 ) 其中： 为钢管混凝土的总的强度承载力 ； 为钢管壁厚； a为边 长。 收稿 日期 ： 2 0 1 卜 1 1 - 0 7 作者简介： 王瑞瑞( 1 9 8 4 一 ) ， 女， 山东东营人， 山东科技大学在读硕士 研 究方向： 结构工程。 图 1 方形钢管混凝土柱在轴 压作用下受力情况 图 2 方形钢筋箍内初应力 纵 向弯曲系数 p = 1 0 1 9 4 9 + 0 0 0 4 8 1 1 2 A 一 0 0 0 0 1 5 3 6 A ( A = ) 。 由此可知， A越小， 临界力越大， 极限变形也越大； A越大， 临界力越小 ， 极限变形也越小。在长细比A一定的情况下纵向 弯曲系数 的大小主要和钢材的屈服强度有关。当 = 1 0时， 构件属强度破坏， 承载力极限值为 。 1 2圆形钢管混凝土长柱轴心受压作用下的力学性能分析研究 圆形截面的钢管大多数为轧制成型， 钢管内壁的初应力 很小而且分布均匀， 设计计算时可以忽略不计。对于圆形钢管 混凝土长柱， 在轴压作用下， 构件的承载力是由钢管的环向极 限拉应力控制着， 其截面形式如图 4所示。 当钢管混凝土长柱受轴心压力 作用时，钢管和混凝土 都发生纵向应变 s ， 设钢管内半径为 r ， 钢管中心线的伸长量为 2 仃( r + t 2 ) ， 则钢管中心线的半径增大l z , 8 ( r + t 2 ) ， 钢管内表面 的半径缩小t A s t 1 2 ， 得钢管内半径变化量为 s 气 r ， 另纵向变 形引起混凝土外半径增大量为A ，在轴心压力作用下， 随 着纵向应力的增大， 增大， 并大于 ， 当 时， 混凝土和钢 管的半径变化量相等， 即 ； ， 钢管和混凝土之间没有任何作 用力 ； 当t z t z , 时， ， 钢管的径向变形大于混凝土的径向变 形 ， 此时， 钢管产生环向拉力作用于混凝土， 此外 ， 混凝土还受 到径向压力的作用； 当 吼 时， 。 ， 由于钢管和混凝土之间 的粘结力作用， 此时， 钢管和混凝土得到相反的应力状态 ， 钢管 产生环向压力， 而混凝土则受到环向拉力和径向拉力的作用。 通过大量的参数分析 ，可以得到圆形截面的钢管混凝土 长柱在轴心压力作用下的承载力实用计算公式为 。 其中， 稳定系数 受混凝土强度等级 、 钢材屈服强度和截 面含钢量、 截面半径等因素的影响。 ：1 , - 1 一 ) ( 1 - A 1 2 业) 1 2 AA A p-1 2 、 一 ( 一 ) ( A 。 - A t,) A A A = 4 L D ， D为钢管外半径， L为轴压长柱的有效计算长度。 A = 们7 、 丽为钢管混凝土轴压作用下长柱弹性失 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 匡 2 0 1 2年第 1期( 总 1 8 2期 l 安徽建筑 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 图 3 方形钢 管受力分析图 图 4 圆形钢 管混凝土柱截面图 稳和弹塑性失稳的界限长细比，此时的稳定系 ( 上接 第 1 9 8页) 数 ； s 。 参数 ， p ) + ， p) = 0 4 8 + 3 9 1 p 1 6 2 ， p = A J A 2 结果分析 通过理论上对轴压作用下不同截面的钢管混凝土长柱进行受力分析和 比较 ， 可以得出圆形截面的承载力较于方形截面的钢管混凝土要高， 圆钢管对 混凝土的约束性能也较好， 便于施工， 选用圆形截面的钢管混凝土更为合理。 随着含钢率的增加，方形截面的钢管混凝土强度值与圆形截面的钢管混凝土 强度值相差越来越大， 再有随着高层建筑高度的增大， 底层柱的轴压力也会随 之增大。因此， 为满足轴压比以及强度的要求， 可在管壁较厚的大尺寸方形截 面的钢管混凝土柱中减少壁厚而另设置一根圆钢管构成组合钢管混凝土柱 ， 这样， 一方面可以提高承载力， 另一方面也可以减少因钢管壁过厚而带来的材 料供应和钢管加工的困难。 参考文献 1 东南大学 ，天津大学， 同济大学 混凝土结构 M】 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 6 2 钟 善桐 钢管混凝土统一理论研究与应用 M 北 京：清华大学 出版社， 2 0 0 6 3 姜绍飞， 廖云， 张昕宇， 韩林海 大长细比钢管混凝土轴压柱的力学性能I J 】 沈阳建筑 工程学院学报( 自然科 学版) ， 2 0 0 2 ( 1 ) 4 过镇海 钢筋混凝土基本原理 M 北京： 清华大学出版社 ， 1 9 9 9 5 韩林海 钢管混凝土结构 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 0 1 1削 面 图 2 2剖 面 图 并在池四周设置 6个降水观察井和卵石盲沟等 排水系统。沉淀池在正常使用过程中， 由于池内充满水， 不存在抗浮问题。沉 淀池选在枯水期地下水位较低时进行检修清淤，通过降水观察井内抽水确保 地下水位降至底板下 ， 由于沉淀池所处地势较高 ， 水可以通过卵石盲沟排到 地势较低的水渠里去， 从而达到抗浮的目的。沉淀池降排水抗浮卵石肓沟及 降水井平面及剖面布置图如图 2 所示。 2 2分析 比较 经计算配重抗浮方案所需毛石混凝土量为 6 8 7 5 m3 左右 ， 施工工艺成熟， 对工期影响不大； 3 2 程桩抗浮方案所需桩长 8 m的 D 4 0 0预应力混凝土管桩共 3 0 0余根，且打桩和试桩对工期有一定影响；降排水法抗浮方案所需卵石 4 2 5 0 m， ， 施工对工期影响不大。 显然前两种方案造价远高于后一种方案。 还有 一 种抗浮方法就是改变水池结构型式， 曾遇到这样的情况 ， 某工业用水循环 水池， 面积比较大， 埋深为地面以下5 m， 池底为硬土层。根据岩土工勘报告地 下水位较高， 接近地面， 采用常规的抗浮方法造价太高， 后来改变水池结构型 式取消池底， 利用硬土层作为池底 ， 仅在水池四周做钢筋混凝土池壁挡土墙。 这种方案， 如果工艺满足要求， 相比其它常规抗浮方法优势明显。 3 结语 污水处理池的抗浮稳定性验算是设计之初就要考虑的问题。 不同的抗浮 设计方案的选用， 施工工期、 施工难易程度及工程造价都会有所不同。只有根 据水池污水处理池的形状大小、 埋深及结合地下水位、 地下土层等具体情况 进行综合考虑， 才能选出合理的抗浮设计方案。 参考文献 1 G B 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ， 建筑地基基础设计规范 s 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 2 【 2 J G J 9 4 2 0 0 8 ， 建筑桩基技术规范【 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 8 L 虽