钢管_钢骨混凝土组合柱轴压比限值的研究.pdf

收稿日期:2006 - 04 - 10 基金项目:辽宁省教育厅科研项目(2004D247) ;沈阳建筑大学省级重点实验室开放基金资助项目 作者简介:徐亚丰(1963 - ) ,男,教授,博士,国家一级注册结构工程师,主要从事组合结构研究. 文章编号:1671 - 2021(2006)05 - 0740 - 05 钢管-钢骨混凝土组合柱轴压比限值的研究 徐亚丰,赫 芳,向常艳,郝 微,韩景学,顾心倩 (沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳110168) 摘 要:目的 研究使钢管-钢骨混凝土组合柱发生延性破坏时所需要确定的轴压比 限值.方法 通过对钢管、 钢骨的简化处理,从界限破坏出发,分析了钢管-钢骨混凝 土组合柱轴压比限值的组成,建立了界限破坏时的计算简图,进而推导出轴压比限值 的理论计算公式.结果 在确定了轴压比限值的计算公式基础上,对其进行了简化计 算,根据不同的抗震等级确定了试验中3个试件的轴压比限值.结论 钢管-钢骨混 凝土框架柱比钢管混凝土核心柱的轴压比限制提高10 %左右,其值随着钢骨含率的 增加而提高.因此相比钢管混凝土核心柱,钢管-钢骨混凝土组合柱具有更好的延 性. 关键词:钢管-钢骨混凝土组合柱;轴压比限值;延性;界限破坏 中图分类号:TU39812 文献标识码:A 文献1中提出了钢管-钢骨混凝土组合柱 的新型式,这种组合柱是在钢管混凝土组合柱的 基础上,外包角钢的新型柱.通过钢管、 钢骨、 混凝 土的共同工作,达到提高柱承载力和延性的目的. 钢管-钢骨混凝土偏心受压柱正截面的破坏形态 有大偏心受压破坏与小偏心受压破坏两种,前者 属于延性破坏类型,后者属脆性破坏类型.因此为 了在抗震设计上获得良好的延性,框架柱以大偏 心受压为宜. 在结构抗震设计中,轴压比是影响结构延性 主要因素,轴压比越大,结构或构件的延性越差, 要想获得较好的延性,必须对结构的轴压比进行 限值,但如果严格控制轴压比,势必造成柱截面尺 寸过大,剪跨比变小,甚至形成短柱,有可能产生 脆性破坏2 - 15. 轴压比限值就是由正截面界限破坏时力的平 衡条件得出的,它是指轴向压力值N除以柱截面 面积A而得到的名义压应力与混凝土轴心抗压 强度fc比值的最大允许值,以防止出现对抗震不 利的脆性破坏2. 笔者从界限破坏时的平衡条件出发,根据平 截面假定,推导出钢管-钢骨混凝土组合柱轴压 比限值的理论计算公式,同时对其进行了简化处 理,提出了供设计用的轴压比限值的计算公式,结 合钢管-钢骨混凝土组合柱试验分别给出了钢管 -钢骨混凝土组合柱在不同钢骨下的轴压比限 值. 1 轴压比计算的简化处理 111 基本假设 (1)平截面假定,即混凝土与钢管共同工作, 协调变形,不发生相对滑移; (2)钢骨和钢管均为理想弹塑性材料,其应力 -应变关系如图1所示6; (3)不考虑受拉区混凝土的作用; (4)钢管-钢骨混凝土组合柱界限破坏点定 义为截面边缘压应变达到混凝土极限压应变cu, 同时受拉外包钢屈服,并以界限破坏点作为轴压 比限值点5. 2 0 0 6年0 9月 第22卷第5期 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版) Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science) Sep.2006 Vol122 , No15 图1 钢骨与钢管应力-应变关系 112 钢管的等效处理 对于配有圆钢管的钢骨混凝土柱,可借鉴圆 形截面钢筋混凝土柱的计算方法.在计算圆形截 面钢筋混凝土柱时,将沿圆周均匀布置的纵向钢 筋等代为一个连续钢环,对于配有圆钢管的钢骨 混凝土柱,其中的圆形钢管就相当于一个圆 环6. 113 外包钢的等效处理 效仿文献4钢筋的等效处理方法,为方便将 全部外包钢连续化为4块钢板,其中2块是翼缘 板,另外2块是腹板,如图2所示. 于是外包钢腹板的计算厚度 d = 4As1 2b (1) 式中:As1为单肢钢骨的截面面积;b=h , b为钢 管-钢骨混凝土柱截面宽度, h为钢管-钢骨混 凝土柱截面高度. 图2 钢骨等效示意图 114 界限破坏时的界面计算简图 在文献6研究钢管混凝土核心柱的基础上, 叠加钢骨的拉力和压力,并定义钢管-钢骨混凝 土组合柱的界限破坏状态为在受拉区外包钢骨达 到屈服拉应变的同时,受压区混凝土被压碎,此时 钢管的受拉翼缘没有屈服,而受压翼缘和受压外 包钢骨都屈服.对称配骨和配钢管的矩形截面其 混凝土试验柱的计算简图如图3所示(图中符号, 上角o表示试验值,下角s表示外包钢骨,下角a 表示钢管12 ) . 图3 钢管-钢骨混凝土组合柱的正截面计算 2 轴压比限值的理论计算 由界限破坏时截面上力的平衡条件可得钢管 -钢骨混凝土组合柱轴压比限值的试验值 noa = Nou f o cbh (2) Nou f o cbh = ho h o b+ Nosf f o cbh + Nosw f o cbh + Noa f o cbh (3) 式中:Nou为界限破坏时轴向压力试验值;Nosf为界 第22卷徐亚丰等:钢管-钢骨混凝土组合柱轴压比限值的研究741 限破坏时钢骨翼缘合力的试验值;Nosw为界限破 坏时钢骨腹板合力的试验值;Noa为界限破坏时钢 管受力的试验值6; o b为界限受压区相对高度的 试验值;f o c为混凝土轴心抗压强度试验值. 211 界限破坏时钢管受力试验值Noa计算6 借鉴圆形截面钢筋混凝土柱的计算方法,有 Noa = ( -t)f o aA (4) t= 1125 - 2(5) 式中:A为钢管的截面面积;为对应于受压钢 管截面的圆心角与2的比值;t为受拉钢管面 积与全部钢管面积的比值,当01625时,取t = 0. 将式(5)代入式(4)得 Noa= (3- 11 25) f o aAa (6) 212 界限破坏时钢骨翼缘合力试验值Nosf计算 当混凝土受压边缘的压应变达到极限压应变 时,钢骨受压翼缘的压应变已超过其屈服压应变, 同时受拉钢骨亦屈服,故对于对称配筋的钢骨翼 缘合力为零,即 Nosf= 0(7) 213 界限破坏时钢骨腹板合力试验值Nosw计算 求钢骨腹板的合力试验值Nosw要复杂些.由 图4所示的腹板应力图知,当受拉钢骨屈服时,受 拉腹板的合拉力与反对称的受压腹板的相应部分 的合压力部分抵消(h2=h- xob - d 2 ) , 因此Nosw 为腹板受压区中高度为h1的受压屈服部分压力 的合力. 图4 界限破坏时钢骨腹板应力、 应变图 钢骨腹板的合力试验值 Nosw=fyh1d(8) 由平截面假定,可求得: h1= x0b (1 - o y o cu ) - d 2 (9) 将式(9)代入式(8)得: Nosw=fy xob (1 - o y o cu ) - d 2 d(10) 214 钢管-钢骨混凝土组合柱轴压比限值的试 验值 将式(6)、(7)、(10)代入式 (3) , 得钢管-钢骨 混凝土组合柱轴压比限值的试验值的理论计算公 式 noa = ho h o b+ (3- 11 25) f o a f o c Aa bh + 1 (1 - o y o cu ) - d 2 o bho f o y f o c d b ho h o b (11) 3 轴压比限值的简化分析 与我国规范13在确定轴压比限值一样,简化 上述理论公式并把试验值转化为设计值.略去式 (11)中等式右边第三项的小值 d 2 o bho ,并取 f o a fc fa fck0181 fa fc ; f o y fc fy fck0181 fy fc ; ho h 0195 ; o y o cu y cu013 ;对等式右边第三项中的值取为 0172 ,对等式右边第三项方括号中的 o b取为 015 ,其余的 o b则按文献8的建议,取 o b=b= 1 + fy 01003Es . 对于钢管-钢骨混凝土组合柱,可进一步简 化,由文献8可知,当处于界限破坏时, 015 , = Aa bh ,代入式(11)可得: noa = 0195 o b+ 012 fa fc a+ 01748 o b d b fy fc (12) 近似地用轴向力的标准值代替其试验值,用 混凝土轴心抗压强度的标准值代替其试验值,即 Nou=Nk,f o c=fck,再考虑到Nk、fck与相应设计 值的关系 742沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第22卷 N/ Nk = ( GNGk+EhNhk)/ (NGk+Nnk) 1125 ,fck/fc= 1136 则noa =Nk / ( fckbh ) = N/ (11251136fcbh ) = N/ (117fcbh)(13) 令n =N/ ( fcbh ) , 并称其为钢管-钢骨混 凝土组合柱轴压比限值的设计值,则由式(13)可 得: na = 117 noa = 1162 o b+ 0134 fa fc a+ 1127 o b d b fy fc 由我国现行规范13可知,这是对于三级抗震 框架而言的,对抗震等级为二级和一级的,则每次 约降低10 % ,故钢管-钢骨混凝土组合柱轴压比 限值的实用计算公式为 na = (1 162 o b+ 0134 fa fc a+ 1127 o b d b fy fc) (14) 式中:为抗震等级影响系数,一、 二和三级分别 取018、019和110 ;b , h为柱截面的宽和高; d为 考虑钢骨腹板的计算厚度,按式(1)计算;a为配 钢管率. 式(14)对于钢管-钢骨混凝土组合柱均可采 用,其中等式右边第二项是钢管对轴压比的贡献, 它的大小与钢管的配钢管率及钢管的强度等级有 关;等式右边第三项是钢骨对轴压比的贡献,它的 大小与钢骨的等效腹板厚度及钢骨的强度等级有 关. 4 轴压比限值系数 由文献1试验数据,其中混凝土强度等级为 C52 ,配钢管率为4. 54 % ,按式(11)和式(14)计算 出试验值后,用标准值代替试验值,标准值乘以 1.7倍后变为设计值,得钢管-钢骨混凝土组合 柱的轴压比限值系数(见表1) . 表1 钢管-钢骨混凝土组合柱的轴压比限值系数 试件 型号 抗震等级 一级 理论值 近似值 二级 理论值 近似值 三级 理论值 近似值 ?503018701850198019611091107 ?363018601830197019411081104 ?253018501820196019211071102 从表中可以看出,理论值和近似值的计算相 差很小,在5 %之内,而且钢骨含率越高,误差越 小.随着钢骨含率的增加,构件的轴压比限值亦提 高,说明其延性得到了提高.表中数值会大于1. 0 的情况,这是允许的,因为轴压比是指名义压应力 与f的比值,不是真实的6. 如果将外包钢按等截面的原则换算成钢筋, 即不考虑钢骨对轴压比的贡献,从而形成钢管混 凝土核心柱,运用文献6中公式 (8) , 得到混凝土 强度等级为C52 ,配钢管率为4154 %时,钢管混 凝土核心柱的轴压比限值系数对于一、 二、 三级抗 震等级,分别取0178、0188、0197.可以看出,钢管 -钢骨混凝土组合柱较钢管混凝土核心柱有更好 的延性. 5 结 论 (1)从大小偏心界限时的平衡条件出发,根据 平截面假定确定变形关系,推导出了钢管-钢骨 混凝土框架柱轴压比限值的理论计算公式(式 11) 及简化计算公式(式14) ; (2)在工程设计中可以利用简化的轴压比限 值计算公式进行计算; (3)试验中钢管-钢骨混凝土框架柱比钢管 混凝土核心柱的轴压比限制提高10 %左右,其值 随着钢骨含率的增加而提高. 参考文献: 1 徐亚丰,姜桂兰,向常艳,等.轴心受压下钢骨-钢 管混凝土组合短柱承载力研究J .沈阳建筑大学 学报:自然科学版,2005 ,21(6) :640 - 643. 2 Wang QingLi. 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Journal of Structural Engineering ,2005 ,131(3) :488 - 497. 8 程文氵 襄,李爱群,张晓峰,等.钢筋混凝土柱轴压比 限值J .建筑结构学报,1994 ,15(6) :25 - 30. 9 叶列平,方鄂华,周正海,等.钢骨混凝土柱的轴压 力限制J .建筑结构学报,1997 ,18(5) :43 - 50. 10 李向民,张瑜,陈宗木 梁.高层建筑框架柱轴压比限 值的讨论J .结构工程师,1999(1) :1 - 4. 11陈周熠.钢管混凝土核心柱设计计算方法研究 D.大连:大连理工大学土木工程学院,2002. 12 中华人民共和国建设部.J G J138 - 2001 ,中华人民 共和国行业标准.型钢混凝土组合结构技术规程 S.北京:中国建筑工业出版社,2002. 13 中华人民共和国建设部. GB 50010 - 2002 ,混凝土 结构设计规范S.北京:中华人民共和国建设部, 2002. 14 林拥军,程文,徐明,等.配有圆钢管的钢骨混凝土 柱轴压比限值的试验研究J .土木工程学报, 2001 ,34(6) :23 - 29. 15 Xiao Jianzhuang , Zhang Jianrong. Analysis of Axial Compression Ratio of RC ColumnJ .Building Struc2 ture ,2003(2) :33 - 35. The Study of the Limited Values of Axial Compression Ratio in the Steel Tube - Steel Concrete Composite Column XU Yafeng , HE Fang , XIAN G Changyan , HAO Wei , HAN Jingxue , GU Xinqian (School of Civil Engineering ,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang ,China ,110168) Abstract :The study aims to find out the proper limited values of axial compression ratio of the steel tube - steel concrete composite column under the condition of ductility damage. After the simplified disposal of the steel tube and the steel ,the composition of the limited values of the axial compression ration in steel tube - steel concrete composite column is analyzed from the angle of limit damage. Thus ,the calculation formulasof limited values of axial compression ratio have been reduced ,on the basis of the limited values of axial com2 pression ratio of 3 short columns having been calculated. The result shows that the steel tube - steel concrete composite column has a better ductility. Key Words :steel tube - steel concrete composite column ;the limited values of axial compression ratio ;duc2 tility;damage of limit 744沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第22卷