圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱轴心受压承载力研究.pdf

第 4 0卷第 1期 2 0 1 4年 2月 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 09 圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱轴心受压承载力研究 胡 潇 ， 钱永久 ( 1 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， I t ) l l 成都6 1 0 0 5 9 ； 2 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 为了研究圆形钢套管加固钢筋混凝土柱的轴心受压承载力计算方法， 进行了 1 根未加固的普通钢筋混凝 土柱和 3根圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱在不同加固钢套管厚度下的轴心受压试验， 在试验结果的基础上， 考 虑混凝土三向受压 R i c h a r d公式与蔡绍怀公式， 根据叠加法与极限平衡法建立了圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱 的轴压承载力公式。研究结果表明， 对 比国内外规程， 利用叠加法且考虑蔡绍怀公式计算出的承载力与试验结果 吻合度最高。 关键词： 加固； 圆形钢套管； 三向受压； 叠加法； 极限平衡法 中图分类号： T U 3 7 5 3 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 1 1 0 90 5 S t u d y o f c a p a c i t y o f b e h a v i o r o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s ho r t c o l u mn s t r e n g t he ne d b y c i r c u l a r s t e e l t u b e u n d e r a x i a l l o a d i n g HU X i a o ， Q I A N Y o n g j i u ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f G e o h a z a r d P r e v e n t i o n a n d G e o e n v i r o me n t P r o t e c t i o n ， C h e n g d u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Ch e n g d u 6 1 0 0 5 9， C h i n a； 2 C i v i l E n g i n e e ri n g A c a d e m y ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o s t u d y t h e b a s i c me c h a n i c a l p e rf o r ma n c e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h 0 n c o l u mn s t r e n g t h e n e d b y c i r c u l a r s t e e l t u b e a s e t o f e x p e rime n t a l w o r k wa s c a r r i e d o u t 1 c o n t r a s t u n s t r e n g t h e n e d r e i nfo r c e d c o n c r e t e c o l u mn a n d 3 r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s s t r e n g t h e n e d b y c i r c u l a r s t e e l t u b e we r e t e s t e d u n d e r a x i a l l o a d i n g T h e p r i ma ry p ara me t e r o f t h e s t r e n g t h e n e d c o l u mn s wa s s t e e l t u b e t h i c k n e s s Ba s e d o n t h e e x p e rime n t ， a c c o r d i n g t o t h e c o mp r e s s i o n i n t r i p d i r e c t i o n o f Ri c h a r d and CAI S h a o h u a i ， t h i s p a p e r s e t u p t h e f o rm u l a s o f axi a l c o mp r e s s i o n b e a ti n g c a p a c i t y a p p l i e d s u p e r p o s i t i o n me t h o d a n d l i mi t e q u i l i b riu m me t h o d r e s p e c t i v e l y Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e s u p e r p o s i t i o n me t h o d a c c o r d i n g t o f o rm u l a s o f CA I S h a o b u a i o n w a s b e t t e r t h a n t h e l i mi t e q i l i b r i u m me t h o d， t h e r e s u l t s b y wh i c h we r e t a l l i e d wi t h t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s Ke y wo r d s ： s t r e n g t h e n； c i rcu l a r s t e e l t u b e； c o mp r e s s i o n i n t ri p - d i r e c t i o n； s u p e r p o s i t i o n me t h o d； l i mi t e q u i l i b ri u m me t h o d 0 引 言 圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱轴心受压承载 力 的计算方法常常借鉴钢管 昆 凝 土， 钢管混凝 土短 柱轴心受压承载力的计算 方法 归纳起来共分 4种 。 分别是基于叠加理论 的极 限承载力 、 基于拟钢理 论 的极 限承 载 力 J 、 基 于 统 一 理 论 的 极 限 承 载 力 J 、 基于极限平衡法提 出的极 限承载力 J 。根据 作者 圆形钢套管加 固钢筋混凝 土短柱轴心受压试 验研究 论文 的试验 结果 ， 应用叠 加法与极 限平衡 收藕 日期 ： 2 0 1 2 1 0 1 2 作者简介： 胡潇( 1 9 7 6一 ) ， 女， 四川成都人， 博士， 讲师， 主要从事 结构抗震加固方面的研究。 基金项目： 四川省教育厅自然科学科研基金( 1 0 Z C 0 6 9 ) E ma i l ： h u x i a o c d u t e ll 法对圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱的轴心受压承 载力进行计算 ， 并将这两种方法的计算结果与国内 外规程进行比较、 讨论。 1 圆形钢套管加 固钢筋混凝 土短柱 轴压承载力计算 1 1 三向受压 混凝土的强度极限 根据 C o n s i d e r e 和 R ic h a r d t l 5 等人的试验资料， 认为在等侧压力 作用下 的三 向受压 混凝 土的强 度 与侧压力 之 间具有线性关系即： = 。+研 ( 1 ) 式中 约束混凝土的轴心抗压强度 ； 。 非约束混凝土圆柱体抗压强度； 混凝土的约束应力； K试验确定的测压系数 ， 一般取 K ： 4 0 。 1 1 0 t J w l 建筑科学研究 第 4 0卷 蔡绍怀 根据大量试验资料， 特别是在高侧压 力下的试验资料表明 ， 。 与 之间不像早期公式那 样为线性关系， 他建议用下列经验公式表达 ： f = ( 1+1 + 2 ) ( 2 ) J c 式中 。 约束混凝土的轴心抗压强度； 非约束混凝土棱柱体抗压强度 ； 混凝土的约束应力 。 1 2 极限承载力 圆形钢套管加固钢筋混凝土轴心受压短柱是由 钢套管、 混凝土、 钢筋 3种材料共同工作， 其受力过 程复杂 ， 采用叠加法求其极限承载力既简单又快捷。 此法实质是螺旋配筋钢筋混凝土柱计算原理和方法 的借鉴和发展 。 圆形钢套管加 固钢筋混凝土轴心受压柱 、 核心 混凝土 、 钢套管受力如图 1所示。 当短柱达到极限承载力时， 文献认为此刻钢套 管的纵 向应力为零 ， 径 向应力非常小忽略不计 ， 而环 向应力达到钢材屈服强度 ， 此时钢套 管对核心混 凝土的约束效应最大 。根据叠加法 ， 圆形钢套管加 固钢筋混凝土短柱的极 限承载力可写成 ： ( d ) 等测压的三向受压混凝土 ( e ) 钢套管应力状态 图 1 钢套管和核心混凝土的受力 4 1 F i g 1 S t r e s s s t a t e o f s t e e l t u b e a n d c o r e c o n c r e t e N ： 。 A + 厂 v A l ( 3 ) = ( 4 ) 式 中A 、 A 。 混凝土和纵向钢筋 的面积 ； 约束混凝土的抗压强度； 纵筋屈服强度 。 圆形钢套管加固 R C试件轴压承载力试验结果 与叠加法理论计算结果对 比见表 1 、 2 。 表 1 圆形钢套管加固R C试件轴压承载力试验结果与叠加法理论计算结果对比( 1 ) Ta b l e 1 Co mp a r i s o n b e t ween c o mp u ti n g r e s u l t b y s u p e r p o s i t i o n me t h o d a n d e x p e r i m e n t a l r esu l t o f s t r e n g t h e n e d c o l u mn s ( 1 ) 通过表 1 、 2可知， 胁 、 绍 怀 的均值分别为 0 8 8 7 、 0 9 7 7 ， 标准差分别为 0 0 4 8 0 、 0 0 4 7 3 ， 均值 和离散性都 良好 ， 表 明钢套管加固钢筋混凝土短柱 叠加法的计算值与试验值 吻合良好 ， 用来分析计 算模型是恰当的。尤其是 蔡 绍 怀， 由于蔡绍怀运用 大量高侧压下钢管混凝 土试验 的结果 ， 因此跟本文 实际情况更加符合； 而 R i c h a r d t 建议的公式表达形 式简单， 认为极限值与侧向压力呈线性关系， 但没有 考虑侧压力相等时混凝土强度对约束混凝土强度提 高的影响， 因此计算结果吻合度与离散型较次。 1 3 进入塑性阶段的承载 力 不少研究者通过试验发现， 试件达到极限状态 时， 钢套管的纵向应力并未降为零， 且钢套管环向应 力也没有达到单 向受拉的屈服点 。因此许多专家及 学者放弃了求极限承载力的方法， 转而研究钢套管 进入塑性阶段的试件承载力 。 胡 潇， 等： 圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱轴心受压承载力研究 1 1 1 表2 圆形钢套管加固 R C试件轴压承载力试验 结果与叠加法理论计算结果对比( 2 ) Ta b l e 2 Co mp a r i s o n b e t we e n c o mp u t i n g r e s u l t b y s u p e r p o s i t i o n m e t h o d a n d e x p e rime n t a l r e s u l t o f s t r e n g t h e n e d c o l u mn s ( 2 ) 圆形钢套管屈服并不意味着试件丧失承载力， 在钢管屈服的塑流过程中， 核心混凝土的套箍强化 才能得到充分发展 ， 在钢套 管和核心混凝土之 间由 于产生内力重分布而使得其承载力和变形能力得到 明显提高。因此， 作者将采用蔡绍怀介绍的极限平 衡法_ 4 探讨圆形钢套管加固钢筋混凝土轴心受压 短柱进入塑性阶段的承载力， 考虑 R i c h a r d t 与蔡 绍怀公式。 N =A +A 1 ( 5 ) a 2 = ( 6 ) 厶 由钢材的 V o n Mi s e s屈 服条件可建立另外两个 方程 ， 即为 ： +o r l o r 2+ =f 和 “ = L 5 o +K f r 唾 ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) N R i r d ：A 。 ( 。+ 4 Q )+A 1 f r 一 e 一 手 c务 ( 1 + ) + m ( 1 2 ) 一 ( 1 3 ) 咖 由上述公式可见 ， 荷载 是混凝 土约束应力 的函数。本文目标是求最大值 J7v ， 通过分别求上 述公式一阶导可求各自极值： d N ， 、 l j 隔 ( 1 4 ) = 1 ( 1 5 ) 求得各自的 ， 代人 中， 求值。 N R i 。 h r d =A ( 。+4 1 )+A 1 f c 、 e 。 = 0 ( 1 6 ) 陌 +2 ( 1 7 ) 酰 A s 豢 at 且 A A (10 ) 一 辑 = l 一 3 L, fr J,2 一 吉 务 ( 11 ) 与 极 限 平 衡 法 理 论 计 算R C结 果 对 比 见 表 3 、4 。 圆 形 钢 套 管 加 固 试 件 轴 压 承 载 力 试 验 结 果 表 3 圆形钢套管加固R C试件轴压承载力试验结果与极限平衡法理论计算结果对比( 1 ) Ta b l e 3 Co mp a ris o n b e t we e n c o mp ut i n g r e s u l t b y l i mi t e q u i l i b r i u m me tho d a n d e x p e rime n t a l r e s u l t o f s t r e n g t h e n e d c o l u mn s ( 1 ) 1 1 2 四川建筑科学研究 第 4 0卷 表4 圆形钢套管加固 R C试件轴压承载力试验 结果与极限平衡法理论计算结果对比( 2 ) T a b l e 4 Co mp a r i s o n b e t we e n c o mp u ti n g r e s u l t b y l i m i t e q u i l i b r i u m me t h o d a n d e x p e rime n t a l r e s ult o f s t r e n g t h e n e d c o l u mn s ( 2 ) 通过表 3 、 4对比可知， 应用极限平衡法计算的 R i 。 ， 蔡 绍 怀， 其平均值为 0 8 8 0与 0 9 6 1 ， 标准差 为 0 0 6 2 7与 0 0 4 5 6 ， 吻合度 与离散性较 好 ， 但是 ， 其 中 J7、 r 蔡 绍 怀与试验值相 比吻合度最高 ； 极限平衡法 与叠加法相比， 叠加法计算方法简单， 计算精度符合 要求。 2 本文公式 与国内外规程计算 结果 比较 圆形钢套管加固钢筋混凝土构件的设计在工程 中常常被当作钢管混凝土来进行计算 。迄今为止国 内外 已有多部关于圆形钢管 昆 凝土方面的规程或规 范。我国先后主要颁布了下列几部关于圆形钢管混 凝土结构方面的规程， 如： D B J 1 3 5 1 啊2 o 0 3 钢管 混凝土结构技术规程 ( 2 0 0 3 ) 、 D L T 5 O 8 5 一l 9 9 9 钢一 混凝土组合结构设计规程 ( 1 9 9 9 ) 7 J 、 C E C S 2 8 ： 9 0 ( 钢管混凝土结构设计与施工规程 。国外具 有代表性且应用较广的为美国规程 A C I ( 1 9 9 9 ) 9 j 、 日本规程 A I J ( 1 9 9 7 ) 、 欧洲规范 E C 4 ( 1 9 9 6 ) J 。 本文以本文试验结果和周绪红试验结果作为对象， 将本文承载力公式与国内外规程进行对 比。 计算时 ， 上述公式钢材和混凝土材料分项 系数 均取 1 0 ， 强度 指标 均取标准值。计算 结果列于表 5 、 6 ， 试件试验值与计算值比较如图2 所示。 表 5 圆形钢套管加固钢筋混凝土柱国内公式计算结果比较 Ta b l e 5 Co m p a r i s o n o f c o mp u ti n g r e s ult s r e c o r d i n g t o t h i s p a p e r a n d d o m e s ti c r e g u l a tio n s 注 ： 本文公式选用叠加法 ， v 蔡绍 怀。 表 6 圆形钢套管加固钢筋混凝土柱国外公式计算结果比较 Ta b l e 6 Co mp a ris o n o f c o mp u ti n g r e s ult s r e c o r d i n g to t h i s p a p e r a n d f o r e i g n r e g u l a ti o n s 通过表 3 、 4以及图 2的对 比分析可得出以下结 论 ： 1 ) 从上述结果 比较可知 ， 进行圆形钢套管加 固 钢筋混凝土计算时， 国内外规程中， 规程 C E C S与 E C 4的计算结果与 结果 相 比平均值为 0 9 2 4与 0 8 7 3 ， 偏差均在 0 0 4左 右 ， 吻合度最 高； 规程 D B J 及 D L T 的计 算 结 果 与 结 果 相 比 平 均 值 为 0 7 6 6 、 0 8 1 5 ， 离散性很好， 吻合度较高， 符合工程要 胡 潇， 等： 圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱轴心受压承载力研究 l l 3 k N ( a ) 本文公式 M k N ( b ) DBJ I 3 - 5 1 - 2 0 0 3 ( 2 0 0 3 ) M k N ( d 】 CE C S 2 8 ：9 0 M k N ( e ) A CI ( 1 9 9 9 ) 6 0o 0 蚤 4 0 0 0 2 0 0 0 0 k N ( c ) D I 2 T 5 0 8 5 - 1 9 9 9 ( 1 9 9 9 ) 6 O 0 o 互4 0 0 0 20 o 0 0 0 2 00 0 4 0 0 0 6 0 0 0 0 20 0 0 4 0 0 0 6 00 0 M k N M k N ( f ) AL I ( 1 9 9 7 )( g ) E C 4 ( 1 9 9 6 ) 图2 试件试验值与计算值比较 F i g 2 Co mp a r i s o n b e t we e n e x p e r i m e n t a l r e s u l t a n d c o m p u t i n g r e s u l t 求 ； 规程 A C I 和规程 A U与 l 结果相比平均偏差偏 低 ， 设计保守。 2 ) 以上规程与本文公式相比， 规程的计算结果 普遍偏保守 ， 只有规程 C E C S的计算结果与本文公 式结果最为接近 。这是因为以上规程主要针对普通 钢管 昆 凝土而制定 ， 跟 圆形钢套管约束还是有一定 区别 。而本文公式与试验结果吻合度较 高， 也说明 运用现行的规程计算钢套管加固钢筋混凝土的计算 还有较大提升空间 ， 运用本文公式可最大发挥其钢 套管的 内在作用 。 3 ) 运用 中国地 区的规程计算 与本 文公式相 比 偏差最小 ( D L T 、 C E C S ) ( 0 8 1 5 、 0 9 2 4 ) ， 而 国外规 程( A C I 、 A L 1 ) 却显得偏差大 ( 0 6 5 1 、 0 6 9 5 ) ， 通过研 究各个规程的公式形式发现 ， 中国地 区规程给 出的 公式是运用统一理论； 国外规程给出的公式普遍采 用叠加原理， 并且其中， 美国规程只考虑混凝土与钢 管的叠加 ， 而没有考虑它们之间的相互影响 ， 因此结 果最为保守 。 总体说来 ， 在上述有 限的试验对象与参数范围 内， 以上各规程计算结果与本文推导公式计算结果 吻合较好 ， 上述各规程都基本适合钢套管加固钢筋 混凝土轴压强度承载力计算 ， 但着重推荐 C E C S与 本文公式 。 3 结 论 1 ) 采用叠加法求其极限承载力， 蔡 绍 怀与试验 结果最为吻合 ， 而 胁 公式由于本身没有考虑混 凝土强度的影响， 吻合度与离散度最低。 2 ) 采用极限平衡法计算构件塑性承载力吻合 度与离散性较好， 但是， 其中 蔡 绍 怀 与试验值相比吻 合度最高； 极限平衡法与叠加法相比， 叠加法计算方 法简单 ， 计算精度符合要求。 3 ) 由于叠加法 思路清晰 、 公式简单 ， 按照此方 法计算 出的柱承载力 蔡 绍 怀 与 国内外规程相 比较其 吻合度最高， 因此可供加固设计和施工时参考。 参 考 文 献： 1 D B 2 9 5 7 2 0 0 3 天津市钢结构住宅设计规程 s 2 C EC S 1 5 9： 2 0 0 4矩形钢管混凝土结构技术规程 s 3 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 4 4 蔡 绍怀 现 代钢 管混凝 土结 构 M 北京 ： 人 民交 通 出版社 ， 2 0 o 3 5 赵 国藩 高等钢筋混凝土结构学 M 北京： 机械 出版社， 2 o o 8 6 D B J I 3 5 1 2 0 0 3钢管混凝土结构技术规程 s 7 D L T 5 0 8 5 -1 9 9 9钢一 混凝土组合结构设计规程 s 8 C E C S 2 8 ： 9 0钢管 昆 凝 土结构设计与施工规程 S 9 A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e B u i l d i n g c o d e r e q u i r e m e n t s f o r s t r u c - t u r a l c o n c r e t e a n d c o m m e n t a r y s A C I 3 1 8 -0 5 A C I 3 1 8 R - 0 5 ， ACI Co mmi t t e e 31 8， Mi c h i g a n， 2 0 0 5 1 0 AL 1 R e c o mm e n d a t i o n s f o r D e s i g n and C o n s t r u c t i o n o f C o n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b u l a r S t r u c t u r e s S A r c h i t e c t u r a l I n s t i t u t e o f J a p a n ( AI J ) ， T o k y o ： 1 9 9 7 1 1 E u r o p e an C o mm i t t e e f o r S t and a r d i z a t i o n E u r o c o d e 4： D e s i gn o f C o mp o s i t e S t e e l a n d C o n c r e t e S t r u c t u r e s - P a r t 1 1： Ge n e r a l Ru l e s and R u l e s f o r B u i l d i n g s S 1 9 9 4