双钢管混凝土柱受力分析及截面设计.pdf

第 3 9卷第 3期 2 0 1 3年 6月 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 双钢管混凝土柱受力分析及截面设计 蔡奇 ， 张玉芬。 ， 刘一颖。 ( 1 北京市市政工程研究院， 北京1 0 0 0 3 7 ； 2 清华大学土木系， 北京1 0 0 0 8 4 ； 3 海军工程质量监督站， 北京1 0 0 1 6 1 ) 摘要： 阐述了双钢管混凝土的研究现状 ， 比较单钢管混凝土分析了双钢管混凝土柱的受力机理， 探讨双钢管混凝 土在极限状态下混凝土和钢管各 自的应力状态。由于双钢管混凝土柱中有两个不同的钢管嵌套， 其承载力必然与 它们的组合效果有关。引入体积变形系数得出截面形式的最佳组合状态， 可供工程设计应用参考。 关键词 ： 双钢管混凝土； 轴压机理 ； 变形； 承载力 中图分类号： T U 3 9 8 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 1 0 3 Be h a v i o r a n a l y s i s a n d s e c t i o n d e s i g n o f c o n c r e t e fi l l e d t wi n s t e e l t u b e s c o l u m n C A I Q i ， Z H A N G Y u f e n ， L I U Yiy i n g ( 1 B e r i n g Mu n i c i p a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 7 ， C h i n a ； 2 D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， T s i n g h H a U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 4， C h i n a ； 3 N a v y C o n s t r u c t i o n B u r e a u Q u al i t y S u p e r v i s i o n S t a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 1 6 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e r e s e a r c h s t a t u s o f t h e c o n c r e t e fi l l e d t w i n s t e e l t u b u l a t c o l u mn s ， i t s me c h a n i s m wa s s t u d i e d i n c o mp a r i s o n w i t h c o n c r e t e fi l l e d s i n g l e s t e e l t u b u l a r c o l u mn T h e s t r e s s e s o f c o n c ret e a n d s t eel t u b e s w e r e a n aly z e d res p e c t i v e l y u n d e r t h e l i mi t s t a t e o f t h e c o mp o s i t e c o l u mn s B e c a u s e t h e r e a re b o t h o u t e r a n d i n n e r s t eel t u b e s t o c o n fin e t h e c o n c r e t e， the c o mp r e s s i v e c a p a c i t y h as i n e v i t a b l e rel a t i o n s h i p wit h t h e c o mb i n a t i o n o f t h e t w i n t u b e s B ase d o n t h e a s s u mp t i o n t h a t t h e b u l k mo d ulu s o f t h e c o n fi n e d c o n c r e t e v a rie s wit h t l l e v o l u me o f t h e c o n c ret e t h e o p t i mal s i z e s o f t h e s t an d a r d i n n e r a n d o u t e r s t e e l t u b e s C an b e o b t a i n e d T h e res u l t s c a n b e h e l p f u l t o the e n g i n e e ri n g a p p l i c a t i o n o f t h e c o n c r e t e fi l l e d t wi n s t e e l t u b e s c o l u mn s Ke y wo r d s ： c o n c ret e - fi l l e d d o u b l e s t e e l t u b e s ； a x i al b e h a v i o r ； d e f o r ma t i o n； b e a r i n g c a p a c i t y O前言 钢管混凝土以承载力高、 塑性和抗震性能好、 经 济效果显著和施工简便等优点被工程界重视并广泛 应用于工业厂房柱、 桥梁和各种构架柱等实际工程 中 J 。随着其在高层建筑、 大跨桥梁等结构工程 中 越来越广泛的应用 ， 柱承受的荷载越来越大， 这就要 求柱不但具有很高 的承载 力而且还要有较好 的延 性。因此出现 了由同心设置的内、 外圆钢管构成 的 轴心受压双钢管混凝土结构 ， 可 以在不改变截面尺 寸的情况下明显提高组合柱的承载力 和延性 ， 具有 收稿 日期 ： 2 0 1 2 4 ) 1 1 3 作者简介： 蔡奇( 1 9 8 0一 ) ， 男 ， 硕士， 高级工程师， 研究方向为工程 质量控制、 鉴定评估与研究。 基金项 目： 国家 自然科学基 金( 5 1 0 0 8 0 2 7) ； 中央 高校科研 业务费 资 助项 目( C HD 2 0 1 1 Z D 0 0 9 ) ； 清华 大学土木 工程 安全 与耐久教 育部重 点实验室开放基金 Ema i l ： fl2 3 2 2 7 1 6 3 ， c o rn 较强的理论意义和工程价值 。 近年来双钢管混凝土结构得到 了研究和应用 ， 文献 2 对内圆外圆双钢管高强混凝土柱进行了试 验研究并提出了轴压承载力近似计算公式， 并对双 钢管混凝土柱轴压承载力的影响因素进行了分析研 究 。文献 3 进行 了内圆外 圆双钢管混凝土短柱的 轴心受压试验 ， 给出了轴心受压双钢管混凝 土短柱 的荷载一 位移全过程数值分析和正截面承载力计算 公式。文献 4 对内圆外方的双钢管混凝土长柱和 短柱做了静力试验， 结合有限元分析结果， 建立了双 层钢管混凝土柱的承载力计算公式。文献 5 在实 验研究的基础上， 进行了多圆钢管混凝土柱的力学 性能和承载力计算分析。本文则通过分析单、 双钢 管混凝土柱受力机理 ， 探讨在钢管混凝土极 限状态 下混凝土和钢管各自的应力状态； 由于双钢管混凝 土柱中有两个不同的钢管嵌套， 因此存在截面形式 的最佳组合状态， 本文通过研究内部受箍混凝土的 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 体积变形， 给出了内外钢管合理的匹配值以便为工 程实践提供参考。 1 双钢管混凝土的轴压工作机理 单钢管混凝土柱受轴向压力时 ， 在加载初期 ， 由 于混凝 土的泊松比约为 0 2左右 ， 而钢管 的泊松 比 约为 0 3 ， 因此钢管和核心混凝 土之间两者有分离 的趋势 J 。随着荷载和纵 向应变的增加 ， 混凝 土中 的微细裂纹开始扩展 ， 混凝土处于弹塑性状态 ， 混凝 土的横向变形系数将显著增大 ， 直至与钢材泊桑 比 接近 。此时， 钢管混凝土开始鼓胀 ， 钢管对其横向约 束作用明显加强 ， 使之强度得到提高 ， 这就是所谓的 套箍强化作用。由于钢管的套箍作用 ， 内部 昆 凝土 在承受轴向压力 的同时， 还受有侧压力。侧压力 的 存在抑制了裂纹的产生 和发展 ， 这样混凝 土中微细 裂纹的产生或扩展只有在较高的应 力下才能实现 ， 而微柱的失稳或折断只有在更高 的应 力下才能发 生。其结果就表现为核心混凝土的抗压强度和变形 能力的大幅度提高 剖。 轴心受压双钢管混凝土短柱与单钢管混凝土柱 的受力全过程一样都可以分为弹性阶段、 弹塑性阶 段和破坏 阶段 。钢管对混凝土的套箍强化作用对于 双钢管混凝土依然存在， 图 1 例举了内圆外圆的双 钢管混凝土在轴压下 的受力简图。与单钢管混凝土 不同， 在加荷初期 ， 内钢管与 昆 凝土之间就存在有挤 压力， 在这种压力的作用下 ， 可以使延缓内钢管的局 部屈曲以及混凝土的内部微裂缝发展 ； 当荷载增大 时， 随着混凝土横向变形系数的增大， 截面整体开始 进人塑性阶段。混凝土和钢管之间产生相互的紧箍 力和鼓胀力， 在内外钢管和内外层混凝土之间均 同 时产生 ， 混凝土处于三向受压状态 ， 混凝土的承载力 得到提高， 钢管也由于混凝土的存在， 其稳定性有所 增强。外层混凝土得到外钢管 的约束 力 ， 同时对 内 钢管产生包裹作用延缓其过早出现凸皱， 从而使内 层混凝土同时得到 内外钢管的环 向紧箍力 ， 获得更 高的塑性阶段； 直到外钢管发生塑流现象进入强化 阶段， 其环向拉应力继续增长， 内、 外层混凝土及内 钢管纵向应力同样增加， 使得内钢管也屈服， 最终试 件轴向应变发展加剧， 试件进入破坏阶段。 + ， 、上 +r + 。 ( a ) 外钢管 C o ) 外层混凝土 ( c ) 内钢管 ( d ) 内层混凝土 图 1 双钢管混凝土柱轴压受力简图 F i g 1 S i mp l i fi e d s t r e s s mo de l o f e v e r y c o mp o n e n t o ft he s t ub c o l u m n 因此 ， 双钢管? 昆 凝土与单钢管混凝土一样 ， 强度 提高根本原因在于压力作用下钢管和混凝土之间产 生套箍约束作用， 而由于双钢管混凝土短柱中核心 混凝土受到的紧箍作用要大于单钢管混凝土 ， 双钢 管混凝土柱弹塑性阶段的应力峰值大于具有相同含 钢率的单钢 管混凝 土柱应 力峰 值 J ， 所 以其 承 载 力、 延性方面都比单钢管混凝土柱有所提高。 2 双钢管混凝土截面设计 综上分析得出双钢管混凝土的内外钢管共同套 箍约束混凝土， 限制或约束其横向变形的能力更大， 所以受箍混凝土具有更高的强度和变形能力。由于 双钢管混凝土柱有两个不同的钢管嵌套， 因此存在 合理的内、 外层钢管直径使组合柱的性能最强 ， 即在 受轴向压力时 ， 钢管对混凝土必然存在截面形式 的 最佳组合状态。而钢管对混凝土的约束强弱可以用 混凝土的体积变化来反应， 即在相同的压力作用下， 混凝土的体积变化越小则钢管对混凝土 的约束 越 强。因此 ， 可以通过讨论极限状态前混凝土体积变 化来确定内外钢管的匹配问题。这种约束反映在 当 组合柱接近破坏时内外钢管还能把混凝土限制在其 极限变形 内， 限制其微裂缝的发展， 从而提高混凝土 的抗压强度。所以可以讨论如何在此时使混凝土变 形最小， 说明其得到钢管的约束作用最强， 从而组合 柱的 良好性能得以发挥。 定义混凝土在钢管约束作用下的体积变形系数 为 g ( ) ， 该系数与混凝 土的材料参数、 钢管的几何 形状等有关 。则双钢管混凝土在轴压作用下， 内、 外层混凝土的体积增量为： =g ( i ) I ， c i ( 1 ) v o 。=g ( v o 。 ) l e 。 ( 2 ) 则混凝土总的体积增量为： = +v c =g ( ) 。 +g ( ) i ( 3 ) 式中， 、 分别 为 内外 混 凝 土 的体 积 增 量 ； g ( ) 、 g ( ) 分别为内外混凝土的体积变形系数。 钢管 昆 凝土在极限状态下， 混凝土内部因产生 裂缝或被压碎， 体积必然会膨胀， A V o i 、 。 均大于 零 。根据公式( 3 ) ， 有 2 。 I ， c i 。 混凝土的体积变化最小时必然满足下面的条 件 ： 。= i 即 g ( 。 ) 。=g ( i ) i( 4 ) 对于内外双圆的钢管混凝土柱 ， 该条件变为 ： g ( )- r r ( 、 D2 。 一 ) 九=g ( i ) I T 上 ， 2i ( 5 ) 2 0 1 3 N o 3 蔡奇， 等 ： 双钢管混凝土柱受力分析及截面设计 3 式中， h为组合柱柱高。 于是可得到： D i g ( ) ， 对于内 圆外 方 的双钢 管混 凝 土组合 柱 ， 条 件 ( 4 ) 变为： g ( ) ( B ： 一 ) =g ( i ) ( 7 ) 整理有 ： 一Di： 曼 f 8 1 B 。 g ( ) + g ( 。 ) 如果认为 g ( V )为常数， 对于 内外双 圆的钢管 混凝 土柱在 内外径之 比 D； D 。= 0 7 0 7的情况下钢 管对混凝土的约束效果最好， 该结论与文献 9 的 结论一致； 同理， 对于内圆外方的双钢管混凝土组合 柱 ， 可以得到内圆直径与方钢管边长之 比为 Di B= 0 7 9 8时约束效果最好。 根据文献 1 1 中方法计算双钢管混凝 土的极 限承载力， 在含钢率不变的情况下， 变换内钢管直径 大小得到双钢管混凝土柱承载力 的变化情况 。图 2 为内圆外圆双钢管混凝土柱的承载力提高系数 叼 。 ( 7 1 。 = N N o ， N为实际组合柱的轴压承载力， 0 为 不考虑组合套箍时组合柱的轴压承载力) 与内外钢 管直径边长比值的关系， 图 3为内圆外方双钢管混 凝土柱的承载力提高系数 与内外钢管直径边长 比值的关系。从图中可以看出， 内圆直径在 0 6 D 。 一 0 7 D 0 7 B 0 8 B范围内对组合柱承载力增强 作用 明显 ， 因此与本文得出的结论基本一致。 图2 内外钢管直径比与 的关系 Fi g 2 Re l a t i o n s h i p b e t we e n D I D 。 an d ， s s c 3 结 论 1 ) 双钢管混凝土的轴压工作机理与单钢管混 凝土有很多相似处， 由于双钢管混凝土柱有两个不 图 3 内外钢管直径边长 比与 的关 系 F i g 3 Re l a t i o n s h i p b e t we e n DI B a n d 同的钢管嵌套， 混凝土受到的套箍约束作用增强， 所 以其延性及承载力能大幅度得到提高。 2 ) 通过讨论极限状态前混凝土体积变化来确 定内外钢管的匹配 问题 ， 可 以看到内外双圆的钢管 混凝土柱在 内外径之 比约 0 7 0 7的情况下钢管对混 凝土的约束效果最好 ； 对于 内圆外方 的双钢管混凝 土组合柱 ， 可以得到内圆直径与方钢管边长之 比为 0 7 9 8 时约束效果最好。本文的计算结果可作为进 一 步试验和理论研究的基础。 参 考 文 献 ： 1 韩林海钢管混凝土结构理论与实践 M 北京： 科学出 版社 ， 2 0 0 4 2 张春梅， 阴毅 ， 周云双钢管高强混凝土柱轴压承载力的 试验研究 J 广州大学学报： 自然科学版， 2 0 0 4 ， 3 ( 1 ) ： 6 1 -6 5 3 江韩， 储 良 成 ， 等 轴心受压双钢管混凝土短柱正截面受压 承载力理论分析及试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 4 ) ： 2 9- 3 8 4 裴万吉 复式钢管混凝土柱力学性能分析 D 西安： 长安大 学 ， 2 0 0 5 5 蔡绍怀， 焦占栓 复式钢管混凝土柱的基本性能和承载力计算 J 建筑结构学报， 1 9 9 7 ， 1 8 ( 6 ) ： 2 0 -2 5 6 谭克锋， 曹青 钢管混凝土加载过程中横向变形及增强机理 的研究 J 西南科技大学学报， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 4 ) ： 2 5 - 2 9 7 李小伟， 赵均海， 等 方钢管混凝土轴压短柱的力学性能 J 中国公路学报 ， 2 0 0 6， 1 9 ( 4 ) ： 7 7 - 8 1 8 蒋再育， 汤关柞 混凝土受压后的变形与破损问题的探讨与 “ 混凝土破坏机理的探讨” 一文商榷 J 混凝土， 1 9 8 0 ( 6 ) ： 4 0 4 2 9 张春梅， 阴毅， 周云 影响钢管混凝土柱轴压承载力的因 素分析 J 工业建筑， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 6 6 - 6 8 1 0 Y u a n W F ， T a n K H ， Z h a n g Y F A S i m p l e M o d e l u s e d i n O p t i - m u m D e s i g n o f C o n c r e t e F i U e d T w i n S t e e l T u b u l a r C o l u m n C N P r o c e e d i n g o f t h e 6 t h I n t e ma t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ad v a n c e s i n S t e e l S t r u c t u r e s， Ho n g Ko n g， 1 6 1 8， De c e mbe r ， 2 0 0 9： 51 4 - 5 1 9 1 1 张玉芬 复式钢管混凝土轴压性能及节点抗震试验研究 D 西安 ： 长安大学， 2 0 1 0