钢骨混凝土柱正截面强度计算中的轴力分配.pdf

钢骨混凝土柱正截面强度计算中的轴力分配钢骨混凝土柱正截面强度计算中的轴力分配 王海龙 江见鲸 李中立 王荣辉 文摘文摘 为寻求一种较为简单的方法，计算钢骨混凝土柱的正截面强度，对钢筋 混凝土部分和钢骨部分所承担的轴力大小进行了分析， 根据冶金工业总公司结构 设计标准中的正截面承载力计算公式，提出了一种新的轴向力分配方法，该方法 根据钢骨混凝土柱在轴心受力状态下， 钢骨部分与钢筋混凝土所处的状态来分配 轴向荷载，然后根据现有规范来计算两部分的承载力，其和即为钢骨混凝土柱的 正截面强度。该方法使得钢骨混凝土柱正截面承载力计算方法概念明确，计算简 单，并与试验结果吻合较好。 关键词关键词 钢骨混凝土柱；轴力分配；强度；延性 分类号 TU 398.9 Distribution of axial force in the bearing capacity calculation of steel-reinforced concrete columns WANG Hailong, JIANG Jianjing, LI Zhongli, WANG Ronghui Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang 050043, China; Changsha Railway Institute, Changsha 410076, China Abstract To look for a simple method of calculating the bearing capacity, how to distribute the axial force was analyzed. According to the formula of the bearing capacity of steel-reinforced concrete columns which are in design code. (Steel-Reinforced Concrete Structure Design Code), a new method to determine the distribution of the axial force between the reinforced concrete part and steel part was proposed .The new method is that axial force can be allocated easily between the two parts when the columns is only in axial force state, the bearing capacity of the two parts can be got respectively from code formula. The bearing capacity of column is the addition of the two parts. The new method is simple and agrees well with the test results. Key words steel-reinforced concrete column; distribution of axial force; strength; ductility 钢骨混凝土结构就是将钢骨以及纵筋、 箍筋和包住它们的混凝土 一起按一定的方式组合，为达到整体受力而设计的一种结构，简称 SRC。目前关于钢骨混凝土柱正截面承载力的计算，各国规范采用了 不同的方法，差别较大。大致说来，中国和日本采用了承载力叠加的 方法，前苏联按平截面假定采用了钢筋混凝土构件的计算方法，英、 美等国采用了确定有关系数的钢结构构件计算方法。 承载力叠加计算方法是一种近似方法1，2, 它是将钢筋混凝 土构件和钢构件的承载力，按照某种原则进行叠加，将叠加结果作为 钢骨混凝土构件承载力的近似。 叠加方法最初是由日本学者田中尚提 出的， 并为日本建筑学会的钢骨混凝土结构设计规范和日本土木学会 的混凝土设计规范所采用。我国冶金工业总公司建筑结构设计标准 钢骨混凝土设计规程 中对钢骨混凝土柱的正截面承载力计算也采 用了叠加方法3 ，柱承载力叠加方法的关键在于轴力在钢筋混凝土 部分和钢骨部分之间如何分配4 ，确定了轴力的分配方法，也就确 定了叠加的原则，就可以计算钢骨混凝土柱正截面的承载力。 1 试验概况及试验结果 试验概况及试验结果5 以框架柱的比例模型为试验研究对象，根据框架柱的受力特点和 试验设备的能力， 试件的模型尺寸如图 1 所示； 试验加载方案见图 2。 图 2 中，通过千斤顶施加事先设计的定值轴向压力，通过水平千斤顶 的拉伸给试件施加反复水平荷载。 图 1 试件的模型及截面尺寸(单位：mm) (图在上面) 图 2 试件的加载方案 根据试验设备的能力，试件的截面高度 h 和宽度 b 均为 200 mm， 试件的高度 H 为 800 mm，试件的剪跨比等于 2.0。 构件的加载制度以构件上下端的相对位移来控制， 每次增加构件 长度的 0.5，即 4 mm，在每个位移下反复循环 5 次。 设计混凝土的强度等级为 C28.5，型钢采用热轧 A3 工字钢，其 截面高度为 126 mm，加载过程中沿强轴施加反复水平荷载，主要 试验参数为轴压比和配箍率。 表 1 中 t 为纵向钢筋的配筋率，sv 为箍筋的配筋率，fcu 为混 凝土的强度等级，fsy 为纵筋的屈服强度。其中 Nu 为钢骨混凝土柱 轴心受压承载力。即 Nu=Acfc（As+As）fsy+Assfssy (1) 轴压比是影响劲性钢筋混凝土框架柱抗震行为的重要因素之一 6 ，本次试验中主要选用了 6 种轴压比，nN/Nu 分别为 0.1,0.2,0.4,0.55,0.7,0.8,构件的纵筋均采用 4 根14 mm 的变形钢 筋，箍筋变化分别为 sv=0.404%，0.565%及 1.005%，试件的试验 参数见表 1。 2 钢骨混凝土柱正截面承载力分析及轴力分配的探讨 钢骨混凝土柱正截面承载力分析及轴力分配的探讨 钢骨混凝土柱与钢筋混凝土柱的区别在于前者内部钢骨的存在， 钢骨可以是一种单独的钢结构，承受各种荷载作用；也可以与钢筋混 凝土结构一起形成组合结构，即 SRC 结构。国内外的试验结果均表 明，在外包钢筋混凝土满足构造要求的情况下，钢骨混凝土压弯构件 在受力过程中直至达到最大承载力， 截面应变分布基本符合平截面假 定。因此，可以采用如下的数值计算方法（条分法）来计算钢骨混凝 土的正截面承载力。 基本假定： 1) SRC 柱截面的应变分布符合平截面假定，钢骨和钢筋与混凝 土之间能够共同工作，没有相对滑移； 2) 不考虑混凝土的抗拉强度，混凝土的面积按实际面积计算； 3) 不考虑混凝土收缩徐变的影响，混凝土的本构关系采用如下 的表达式 其中：f0fC，u=0.003 3, 00002 0. 4) 不考虑钢骨板材的局部屈曲，钢骨和钢筋的本构关系采用如 下的表达式 5) 不考虑柱子的长细比对截面强度的影响。 在此基础上，编制了计算程序，分别计算柱截面的正截面强度及 钢骨和钢筋混凝土部分承担的轴力，计算结果列于表 2 中，从计算结 果与试验结果来看，条分法的计算结果与试验结果吻合较好。 虽然条分法的计算结果符合实际，但其计算过程较为复杂，难于 用于设计计算， 因此， 在设计中应寻找既符合实际又方便的计算方法， 由于钢骨混凝土柱中钢骨截面的复杂性，将 SRC 柱的截面作为一个 整体来设计计算分析将十分复杂，根据塑性理论的下限定理，将钢筋 混凝土部分和钢骨部分分别计算是可行的。 因此对于钢筋混凝土部分 和钢骨部分可分别采用各自的承载力计算公式，然后进行叠加。 根据以上分析， 用叠加原理计算钢骨混凝土柱的承载力关键在于 轴力在钢骨和钢筋混凝土之间的分配6 。本文在试验、计算及分析 的基础上，提出了一种新的轴向力分配方法，轴力分配后，钢筋混凝 土柱和钢骨的正截面承载力计算仍可按文7计算公式，轴力分配 可采用下列公式： 其中, Nss 为钢骨部分所承担的轴力；Nsst0, Nrct0 分别为钢骨和钢 筋混凝土部分的轴心受拉承载力； AC 为横截面中混凝土的净截面积； Ass 为钢骨的截面积；Ar, Ar分别为受拉和受压钢筋的截面积；n 为 钢和混凝土的弹性模量之比；其表达式如下 n=ES/EC， ES, EC 分别为钢与混凝土的弹性模量。 3 计算结果与试验结果的对比和分析 计算结果与试验结果的对比和分析 用本文公式，数值计算方法及文7中的计算公式分别计算钢 骨混凝土柱在各种轴力作用下， 钢骨和钢筋混凝土部分各自所承担的 轴力，将 3 种方法计算的钢筋混凝土部分所承担的轴力绘于图 3 中， 从结果来看，本文计算方法与数值计算方法较为吻合。 图 3 钢筋混凝土部分承担轴力变化曲线 本文对 20 根钢骨混凝土短柱在不同轴向力作用下的强度和延性 进行了试验研究和分析，为理论分析提供了依据，柱子横截面尺寸如 图 1 所示。分别用本文公式、数值方法(条分法)及文7中的规范 公式对试验的 20 根 SRC 柱的正截面强度进行了计算， 并与试验结果 进行了对比，其结果列于表 2。 表 2 各计算方法的计算结果与试验结果的比较 计算方法 平均值 均方差 本文公式 1.004 0.073 数值方法 0.986 0.048 文7公式 0.968 0.071 数值方法(条分法)基于平截面假定和材料本构关系，用截面分条法进 行数值计算，其结果与试验吻合较好，但计算复杂，很难在设计中使 用。 文7中给出的简单叠加方法比一般叠加方法简单，但要计算 一个截面的强度，仍要计算两次进行比较。从表 2 中可以看出，本文 计算方法简单，而且精度能够满足要求。 4 结 论 结 论 对于钢骨混凝土柱，用叠加方法计算正截面承载力时，运用本文 提出的轴力分配方法是可行的，这种计算方法可以消除规范中 N-M 相关曲线中的尖点，使计算结果更为合理。 本文提出的轴力分配方法与文7及文8中的计算方法相衔 接。且概念明确，计算简单，与试验结果吻合较好。 *基金项目：教育部博士学科重点科研基金项目 第一作者：男, 1965 年生, 博士研究生 作者单位：王海龙 江见鲸 清华大学 土木工程系, 北京 100084; 李中立 石家庄铁道学院，石家庄 050043； 王荣辉 长沙铁道学院，长沙 410076 参考文献 1 赵世春，路湛沁. 劲性混凝土构件极限承载力分析与计算土木 工程学报，1996, 29（2） ：3745 2 蔡益燕， 王国周. 钢骨混凝土柱截面的简化计算 建筑结构， 1995， 8：815 3 叶列平. 钢骨混凝土柱的设计方法 建筑结构，1977，5：8 12 4 施建平, 赵世春. 劲性钢筋混凝土构件正截面强度新的累加模 式 四川建筑，1995，15（3） ：2527 5 王海龙. 在反复水平荷载作用下劲性钢筋混凝土框架柱的强度和 延性分析： 硕士学位论文 成都：西南交通大学，1988 6 叶列平，方鄂华，周正海, 等. 钢骨混凝土柱的轴压力限值 建 筑结构学报，1997，18（5） ：4350 7 冶金工业总公司建筑结构设计标准 钢骨混凝土结构设计规 程 北京：中国建筑工业出版社，1997 8 中华人民共和国建筑设计标准. 混凝土结构设计规范 (GBJ10-89). 北京：中国建筑工业出版社，1990