多边形空心钢管混凝土短柱轴压极限承载力统一解.pdf

2 0 1 3年 第1 O期 (总 第 2 8 8 期 ) Nu mb e r l 0 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 0 0 1 0 多边形空心钢管混凝土短柱轴压极限承载力统一解 赵均海 。吴鹏 。张常光 ( 长安大学 建筑工程学院 ，陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ) 摘要： 采用三参数统一强度理论 ， 以空心圆钢管混凝土短柱为基础进行极限承载力分析 ， 将混凝土划分为有效约束区和非有 效约束区， 通过均匀约束系数和侧压系数来反映截面形状及围压对极限承载力 的影响 ， 提出了适用于各种多边形截面形式空心 钢管混凝土短柱的轴压极限承载力的统一解 ， 变换参数可 自然退化为实心和两参数统一强度理论的解 ， 通过与文献试验结果的 比较验证了其正确性， 并分析了参数影响特性。 研究结果表明： 钢管混凝土短柱的轴压极限承载力随侧压系数的增大而增大； 随均匀 约束系数的增大而增大； 随空心率的增大而减小 。 关键词 ： 三参数统一强度理论 ；钢管混凝土 ；空心率；均匀约束系数 中图分类号： T U 3 9 8 9 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 3 8 0 6 Un i f i e d u l t i m a t e b e a r i n g c a pa c i t y s o l u t i o n f or p o l y g o n h o l l o w c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e s t ub c o l umn s ZHAO J u n fia i ， WUPe n g， ZHANG Cha n gg u a n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， C h a n g a n U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 6 1 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： Ba s e d o n t h r e e - p a r a me t e r u ni fi e d s t r e ng t h t h e o r y， t h e u l t i ma t e be ari n g c a p a c i t y o fh o l l o w r o un d c o nc r e t e fil l e d s t e e l t ub u l a r s t u b c o l u mn s wa s a n a l y z e d T h e c o r e c o n c r e t e wa s d i v i d e d i n t o e f f e c t i v e c o n s t r a i n t r e g i o n a n d n o n e f f e c t i v e c o n fi n e me n t r e g i o n T h r o u g h r e fle c t i n g the c r o s s s e c t i o n s h a pe a n d c o n fini n g pr e s s ur e O n the i nflu e nc e of t h e ul t i ma t e b e ari ng c a pa c i t y b y un i f o r m r e s tra i n t c o e ffi c i e n t a n d l a t e r a l p r e s s u r e c o e ffi c i e n t ， a u n i fi e d u lt i ma t e b e ari n g c a p a c i t y s o l u t i o n for p o l y g o n h o l l o w c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l ar s t u b c o l u mn s u n d e r a xi a l c o mpr e s s i o n i s pr o po s e d， i t c a n b e de g e n e r a t e d i n t o the s o l ut i o n o f the s o l i d c r o s s - s e c t i o n a nd t h e t wo p a r a me t e r u n i fie d s t r e n gth t h e o ry Ve r i fi e d t h e c o r r e c t n e s s b y c o mp ari s o n wi t h l i t e r a t u r e t e s t r e s u l t s t h e i n fl u e n c i n g f a c t o r s o f f o r mu l a i s a l s o d i s c u s s e d T h e r e s u l t s s h o w tha t the u l t i ma t e b e ari n g c a p a c i ty o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub e s tub c o k mms un d e r a x i a l c o mp r e s s i o n i n c r e a s e s wi th i n c r e a s i n g o f l a t e r a l p r e s s u r e c o e ffi c i e n t an d u n i f o rm r e s t r a i n t c o e ffi c i e n t an d d e c r e a s i n g o f ho l l o w r a t i o Ke ywor d s ： t h r e e - -p a r am e t e r u n i fi e d s tr e n g t ht h e o r y； c o n c r e t e -fi l l e d s t e e l tub e ； h o l l o w r a t i o； u n i f o rm r e s t r a i n t c o e ffi c i e n t 言 钢管 混凝土是在钢管 内填充混凝土而形成的组合构 年来 ， 随着理论研究 的深入和施工工艺的不断创新 ， 出现 件 ， 它不但充分发挥 了钢材和混凝 土各 自的优点 ， 而且还 了多种截面形式的钢管混凝土构件 ， 如 图 1 所示。 买 心圆彤 实心正 方形 空心 例形 空 心正方形 空心 八边形 空心十 六边形 图 1 钢管混凝土的截面形式 目前 ，研究钢管混凝土短柱轴压极限承载力 的方法 强度理论 分析的研究 也不在少数 0 ， 可是 针对不 同的截 不唯一 ， 但大致可分为基于试验的回归分析和基于受力模 面形式还没有统一 的解 。 本研究 以空心钢管混凝 土为基 型的理论分析两种 。 采用 回归分 析的钢管混凝 土统一理 础 ， 运用 三参数统一 强度理论 1 1 分别 对钢管 和混凝土进 论2 给出了计算轴压极限承载力的统一公式 ， 其研究范围 行受力分析， 采用钢管混凝土统一理论 2 的思想， 通过有 几乎 涵盖 了各种截 面形式 的钢管混凝 土构件 ， 但是 回 效 约束系数将其他形 状的截面转化 为圆截面进行 分析 ， 归分析的理论意义不够明确； 基于受力模型的两参数统一 建立了适用于不同截面形式的钢管混凝土短柱轴压极限 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 3 - 2 7 基金项 目：国家自 然科学基金资助项 H( 4 1 2 0 2 1 9 1 ) ； 陕西省自 然科学基金资助 , H( 2 0 1 1 J M7 o o 2 ) ； 教育部博士点基金资助项H( 2 0 1 1 0 2 0 5 1 3 0 0 0 1 ) 38 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 承载力的统一解 。 通过参数 变化 和数学变形 ， 即可得到与 文献 6 8 】 一致 的结果 。 1 三参数 统一强度理论 三参数 统一强度理论考虑 了静水应力对材 料破坏 的 影响， 它比两参数统一强度理论更加适用于拉伸强度 、 压 缩强度 O c 和双轴等压强度 均不相等 的混凝土材料 。 其 表达式为 1 1 ： ( 1 ) 一 ( 6 + c r 3 ) + 争( ) = c ( 1 ) 0 2 ( + )+ 争 ( ， ) ( 。 + b t r 2 ) 一l + z b ( 1 - 3 ) o ， + 手( ) 一 ( ， + )+ 争 ( 一 ) 等 3 a ( 1 + b ) ( _ _ 1 ) 一 ( 1 + ) c = 等 ( 3 ) 式中 ： F 、 F 强度理论 函数 ； 1 、0 2 、 o r 主应力 ； 、C 材料参数 ； o 反映静水应力对材料破坏 的影响参数 ； b 反映中间主切应力及相应面上 的正应力对 材 料破坏影响程度的系数 ； 材料的拉压 比， = t r c ； 材料 的双轴抗 压强度 与单轴 抗压 强度之 比 ， ； 0 r 。 2 钢管混凝土短柱轴压极限承载力分析 2 1 广义宽厚 比 3 对于正多边形截面 ， 如图 2所示。 l - I 图 2 正多边形截面的形状参数 其截 面 总面积 A 混凝 土面积 。 和钢管 面积 A 分 别为 ： A = n r Z t a n A ( 4 ) A ( 卜t ) 2 t a n A ( 5 ) A n ( 2 r t t ) t a n A ( 6 ) 式 中 ： r 正 多边 形 截 面 中心 至 外 皮 的垂 直 距 离 ， r = = 2 t a n A 边长 ； f 正多边形钢管的厚度 ； n 边数 ； ： 将正 多边形截 面转化 为截 面面积和含 钢率均相等 的 圆截面 ， 对应 圆钢管 的半径 。 和厚度 t 。 分别为 ： R 。 =：r ( ) ( ) ( 7 ) 显然有竺 = ， 即截 面面积和含钢率相等的正多边 t o t 形截面和圆截 面的钢管的宽厚 比相同。 故可定义与截面形 状无关的广义宽厚 比 为 ： 手 ( 8 ) 对于圆截面 ， 即为其径厚 比。 2 2 广义有效约束 系数 正多边形钢管约束混凝土时， 可将混凝土分为有效约 束混凝 土和非 有效约束混凝土 ， 分界 线为二次抛物线 12 ， 且角部受到有效约束 。 故假设混凝土对钢管侧壁 的压力 分布的迹线为二次抛物线 ， 且与有效约束混凝 土和非有效 约束混凝土的分界线具有相同的边切角 ， 则正多边形钢管 任一边的约束混凝土模 型及受力模型如 图 3 所示 。 图中 为钢管受到的环向应力。 建立直角坐标系 的迹线可表示 为 e - c 。 若设 为混凝土对钢管壁的平均压力， 则 c = ， ， m为约束均匀系数 ， 取 0 1 ， 反映了钢管对混凝土约束的均 匀情况 ， m越小约束越不均匀 ， m越大约束越趋于均匀。 由 Y 方向力 的平衡可知 ： ， t 有效约束区、 ) 日 非有效约束区 兰 【 _ _ J f r t ) t a n A 图 3约束模 型 和受 力模 型 r f r t ) t a n A 2 J ( e c ) = ( r t ) t a n A = 2 tf 0 ta n A ( 9 ) 由式( 9 ) 可得 ： 一 3 ( 1 - m) tf 0 o=一 ( r t ) 3 t a n E A 则边切角 0 满足 ： t a n 0 - y I H 1 t 一6 ( 1 - m) ( 卜t ) 2 t a n A 故非有效约束混凝土 的面积为 ： A 2 ( r - t ) t a n A 2 t a n 0 = 4 n ( 1 一 m ) t a n A ( 1 0 ) 因此 ， 定义正多边形钢管约束混凝土的有效约束面积 系数为 ： ) 将式 ( 5 ) 、 ( 8 ) 、 ( 1 0 ) 代人式 ( 1 1 ) 得 ： 39 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 ( 1 2 ) c = 卜 ) 极限状态时 ， 构件 因环 向屈服而破坏 ， 此 时有 为钢管的屈服强度 ， 则 ： 一 ) 当m = l 时， 钢管对混凝土的约束是均匀的， 即为圆钢 管混凝土的情况 ， 此时 k e = l 。 2 3 钢管混凝 土短柱轴压极 限承载力 按照钢管混凝土统一理论 2 的思想 ， 可将钢管混凝土 短柱不同形状的截面转化为圆截面进行极 限承载力计算。 为体现分析过程 的一般性 ， 以空心 圆钢管混凝土为对象进 行研究。 2 3 1 钢管受力分析 钢管混凝土承受轴 向压力时 ， 钢管截面 的受力如图 4 所示 I I 图 4 钢管受力简图 由力的平衡可知 ： 2 tf o = 2 ( r - t )f r ( 1 4 ) 在极限状态时 ， 取受拉为正 ， 受压为负 。 钢管 的 和 轴 向压应力 满足网 ： 0- l O t r 2 o r 3 且 l ( 1 5 ) 对于钢材 ， 三参数统一强度理论中的 1 、 一1 。 显然 。 、 0- 2 1 0- 的关系满足式( 1 ) ， 由式( 1 4 ) 可知 。 一 t O 1 ，代 人式( 1 ) ， 得 ： - ( 1 + 6 ( 1 + ) ( 1 6 ) 构件破坏时， 有 。 ， 则 ： =0- 3= 2 f y ( 1 7 ) 钢管 的轴向承载力为 ： = A ( 1 8 ) 2 3 2 混凝土受力分析 钢管混凝土承受轴向压力时 ， 混凝土截 面受力如 图 5 所示 。 厂 40 L 1 图 5 混凝土受力简图 图 5中 为钢管对混凝土的侧压力 为混凝土受到 的环 向应力 ； 为钢管所包围面积的直径 ； d d 为空心面积 的直径。 由力的平衡可知 ： ( 比) ( 1 9 ) 定 义 空 心 率 咩 孚，则 = 、 ，代 入 式 ( 1 9 )得 ： ： ( 2 0 ) 1 - 、 取受拉为正， 受压为负， 则混凝土懈,f r 和轴向压应 力 满足 ： 。 - t U _t 则 一 ( 。+ 6 r3 )一 争 ( )= 一 1一 ( 争 一 ) l 1 1 l 1 ， ， J j 因 为 一 争 争 一 争 且 ， 所 以 (r 2 一 ( 一 cr 3 ) - if ( 0- 。 一 0 3 ) 0 ； 故 采 用 式 ( 2 ) ，可 得 ： + ( 2 2 ) 式中 ； 混凝土 的单轴抗压强度 ， 对于钢管混凝土构件 应取圆柱体抗压强度厶， 取 0 1 3 1 ； k ： 1 - s i n q ， 混凝土的内摩擦角且满足 3 6 。 + 4 5 ； k = l 一 ， 一般取 l _ 1 5 1 3 5 1 1 l l ， 则 = 0 1 3 0 2 6 。 定义侧压系数为： K ： 墨 ( 二 二 垒 ( 2 3 ) ( 1 + b ) ( 1 - 、 ) 将式( 2 3 ) 代人式( 2 2 ) ， 得 ： = = 3 + K 1 ( 2 4) 在正多边形钢管混凝土构件中， 受到有效约束的混 凝土 的面积为 。 ( 1 - ， 根据文 献 1 6 的结 果 ， 认 为钢 管对有效约束区混凝土的有效侧压力为 。 ，则其轴 压强度为 ： + K k 。 f r ( 2 5 ) 受到非有效约束的混凝土的面积为( 1 - k 。 ) ( 1 - $ ) A ， 采 用文献 1 6 的思路 ， 假定钢管对非有效约束 区混凝土 的非 有效侧压力为 1 = ( 1 - k 。 ， 其轴压强度为 ： =f c + ( 1 - k 。 ( 2 6 ) 则混凝土的轴向承载力为 ： J7、 = ( 1 - ) A + ( 1 - k e ) ( 1 - ) A ( 2 7 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 将式( 2 5 ) 、 ( 2 6 ) 代入式 ( 2 7 ) ， 整理得 ： c = ( 1 - 4 ) A ( 1 ( 1 - 2 k o + 2 k ) ( 2 8 ) 一 ， 构件破坏时 。 一 二 2 3 _ 3 钢管混凝土短柱轴压极限承载力 钢管混凝土短柱轴压极限承载力 为钢 管和混凝 土 轴 向承载力之 和， 即 ： 束情况凹 ； 即随着 n 增加 ， 均匀约束 系数 m逐渐增 大 ， 对于 圆钢管混凝 土 n 一 时 ， 取 m = l 。 通过对文献 1 7 中试验数 据 的计算对 比后发 现 ： 对正方形 、 八边形 和十六边形截 面 钢管混凝土 的约束均匀系数 m分别取 0 4 、 0 5 和 0 6 进 行 计算时 ， 与试验结果吻合 良好 。 通过回归分析， 可得约束均匀系数m与边数n 的关系为： m= l 一 0 6 8 5 1 x 0 9 6 6 7 n n 4 ( 3 5 ) = M c ( 2 9 ) 2 4 2 反 映中间主应力对混凝土破坏影响程度的参数 b 将式 ( 1 8 ) 和式( 2 8 ) 代人式 ( 2 9 ) ， 得 ： 告 A ( 1 - 4 )A ,f ( 1 一 )A ( 1 - 2 k o+ 2 k 2 )( 3 0 ) 式 中： A 和 A 分别用式( 5 ) 和式( 6 ) 计算 。 由于 4 且 0 6 1 ， 故定义钢管承载力降低系数为： Y s = 1( 3 2 ) 钢管承载力降低系数 和混凝土承载力提高系数 y 的物理意义为 ： 钢管和混凝土 协同工 作 ， 钢管处于轴 向和 径 向受压而环 向受拉 的不利状态 ， 其 轴向承载力降低 ； 而 混凝土处于轴 向 、 径 向和环 向均受压 的有利状态 ， 其轴 向 承载力提高。 将式( 3 1 ) 、 ( 3 2 ) 代入式( 3 0 ) 化简得 ： N=T 。A 卜 y 。 ( 1 ( 3 3 ) 当 = 0 时 ， 式( 3 3 ) 即退 化为实心钢管混凝土短柱的极 限承载力计算公式 ： N = y 。 A A ( 3 4 ) 当 = 1 ， 即 0时， 式( 2 8 ) 退化为基 于两参数统一 强度 理论分析 的极 限承载力的解 ， 经过简单 的数学变形 ， 与文 献 6 8 】 结果一致。 当 = 0 ， 即没有钢管时 = 0 ， 由式 ( 2 8 ) 可知 c = ( 1 一 ) A ， 则式( 3 3 ) 退化为混凝土短柱轴压承载力的解 。 当 = 1 ， 即没有混凝土时 = 0 ， 则反映 中间主应力对 材料破坏影 响程度 的系数 b = 0 ， 由式 ( 1 6 ) 可知 ，式 ( 2 8 ) 即可退化为钢管短柱轴压承载力 的解 。 可 以看 出， 本试验结果不仅形式 简单 、 参数 的物理 意 义明确 ， 同时考虑了混凝土材料双轴与单轴抗压强度不等 的特点 ， 还可 自然退化为纯钢管或纯混凝土轴压短柱 的极 限承载力 的解 ， 体现 了其研究理论的合理性。 2 4 计算参数的确定 均匀约束 系数 m和反映 中间主应力对材料破坏影 响 程度的参数 6 是式( 3 3 ) 计算结果准确与否的关键 ， 所以确 定他们 的取值具有重要 的意义。 2 4 1 均匀约束系数 m 均匀约束 系数 m反映了不同截 面形状的钢管对混凝 土的约束均匀程度。 正多边形钢管约束混凝土时， 随着边数 n 的增加 ， 约束越来越均匀 ， 逐渐接近于圆钢管混凝土的约 参数 b 为三参数统一强度理论中引进的破坏准则选择 参数 ， 它反映了中间主应力对材料破坏影响的程度 ， 取 0 1 值在之间， 不同的b 值对应不同的强度理论： 当b = 0 时， 式( 3 3 ) 退化为基 于三参数单剪强度理论分析得到 的结果 ； 当 b = l 时 ， 式( 3 3 ) 退化为基于三参数双剪强度理论分析而得 的结 果 ； 当 O b l 时 ， 式 ( 3 3 ) 即为基于一族介 于三参数单 剪强 度理论和三参数双剪强度理论之间的新 的强度 理论 分析 得到的结果 ， 一般情况下 ， 推荐采用 b = l 2或 b = 3 4时的强 度理论 I i 】 。 3 算例分析和讨论 3 1 计 算结果 对比 为简化计算 ， 对正方形 、 八边形和十六边形钢管混凝 土的约束均匀系数 m分别取 0 4 、 0 5 和 0 6 ， 同时取 b = 0 5 ； = 1 一 ( 1 ) ， 可由试验测得 ， 本研究取 = 0 1 3 。 将文献 1 7 1 9 中的部分试验数据用式 ( 3 3 ) 或式( 3 4 ) 计算 ， 并与试验结果 进行 比较 ， 见表 1 。 从表 1 可以看 出， 式( 3 3 ) 的计算结果与文献 中的试 验 结果 吻合 良好 ， 且试验值与计算值 比值 的平均值为 ， 均方 差为 ， 表 明式( 3 3 ) 计算结果具有较高的精确度 。 在计算过程中不难发现 ， 空心钢管混凝土 的侧压系数 K明显大于实心钢管混凝土 ， 这是 因为在核心混凝 土受到 相同侧压力 的情况下 ， 空心截 面的环 向压应力大于实心截 面 ， 对提高轴向抗 压强度 的贡献 更大 ， 且随着 空心率 的 增大 ， 这种现象会更加 明显。 3 2 影响因素分析 3 2 1 参数 b的影响 参数 b的取值对钢管混凝土极 限承载力 计算精确度 有较大的影响； 当空心率 一定时 ， 随着 b的增大 ， 侧压系 数 K增大 ， 钢管混凝 土短柱 的轴压极限承载力 随之增 大 ， 见 图 6 、 7 。 从图中可以看出 ， 当 = 0 时 ， 无论 6 取何值 ， K和 均为一定值 ； 这是 因为对于实心钢管混凝土 ， 其核 心混凝土 的中间主应力等于最小主应力 ， 所 以三参数统一 强度理论中的所有 b 值的结果都相 同。 3 2 2 空心率 的影 响 为研究空心率 与侧压系数 、 轴压极限承载力 的 关 系 ， 取 L = 3 6 0 1 T i n 1 、 t = 3 1T I 1 T I 的空心圆钢管混凝土短 柱在 3 1 7 MP a ,fi = 4 0 5 MP a 、 k = 0 1 3 且不同b 值的情况进行研 究 ， 见图 6 、 7 o 从 图中可以看 出： 当 b 一定时 ， 随着空心率 的增加 ， 侧压系数 逐渐增大 ， 但轴压极限承载力 却在 不 断减小 。 这是 因为核心混凝土在受到的侧压力不变的情 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 承载力计算结果与实验结果的比较 注 ： 为正多边形钢管边长或圆钢管直径 ； 7 、 r 为相应文献中的试验测得的承载力值。 鬟 r 5 200 _ 0 2 0 4 0 6 0 8 耋 乏5 1 0 0 图 6 K与 的关系 吐 ， 图 7 与 的关 系 况下 ， 随着 的增加 ， 径 向应力逐渐增大 ， 对提高轴 向抗压 强度的贡献也越来越大 ， 所 以 逐渐增大 ； 但核心混凝土 的面积却越来越小 ， 所以 J 7 ， 逐渐减小 。 3 - 2 _ 3 均匀约束系数 m的影响 均匀约束系数 m是反映截面形状影响钢管混凝土短 柱轴压极 限承载力 的重要参 数 ， 取值范 围 0 1 ， 它与截面 形状 的边数 7 , 有关 ， n 越大则 m越大 ， 同时 由式( 1 3 ) 可知 42 图 8与 m 的关 系 从图 8中不难看出： 随着均匀约束系数 m的增大， 轴 压极限承载力 逐渐增大 ， 当m = l 时达到最大值； 即在 钢管面积和混凝土面积相同的情况下 ， 随着边数 Z 的增加 ， 钢管对混凝 土 的约 束越来 越 均匀 ，极 限承 载力 越来 越 大 ， 圆形截面 的钢管对混凝 土的约束最均匀 ， 极 限承载力 也最大。 3 2 4 参数 和广义宽厚 比 的影响 参数 是材料双轴等压强度与单轴抗压强度的比值， 对于受静水应力影响较大的混凝土和岩土类材料 ， 有其重 要 的理论意义 ， 它也是三参数统一强度理论优于两参数统 一 强度理论的集中体现， 可由试验测得； 对于混凝土材料 ， 在计算时一般取 1 1 5 1 3 5 t “ 】 。 广义宽厚 比 是反映钢管混 凝土截面尺寸对其轴压短柱极 限承载力影响的重要参数 ， 它与截 面形状 无关 。 为研究 和 对 钢管混 凝土 短柱 轴 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 盘 图 9 N与 的关系 压极 限承载 力 的影 响 ， 以 b = 0 5 、 t = 3 mm、 3 1 7 MP a 、 f = 4 0 5 MP a 、 0 6的空心弹钢管 混凝土短 柱为对象 ， 分 别取 9 0 、 1 0 0 和 1 l 0 进行分析 ， 见图 9 。 从图中可 以看 出： 当广义宽厚 比 一定时 ， 随着参数 的增大 ， 轴压极 限承载 力 逐渐增大 ， 这是因为当 增大时 ， 随之增大 ， 导致侧压 系数 不断增大 ， 进而轴压极限承载力 逐渐增大 ； 图中 所对应 的点 即为基于两参数统一强度理论分析 的解 。 当 参数 一定时， 随着广义宽厚比 的增大 ， 即截面尺寸增大 ， 轴压极限承载力 逐渐增大 。 4结 论 ( 1 ) 本研究 以空 心钢管混凝 土为基础 ， 运用 三参数统 一 强度理论分别对 钢管和混凝土进行受力分析 ， 采用钢管 混凝 土统一理论的思想 ， 通过均匀约束系数和侧压 系数来 反映截 面形状及围压对极 限承载力的影响 ， 将其他形状 的 截面转化为 圆截面进行分析 ， 提出了适用于各种多边形截 面形式空心钢管混凝土短柱的轴压极 限承载力的统一解 ， 通过参数变换可 自然退化为 实心钢 管混凝 土和基于两参 数统一强度理论 的解 ， 体现 了其理论 的合 理性 ； 通过与文 献试验结果的 比较 ， 发现本研究计算结果与试验结果吻合 良好 ， 验证了其正确性 。 并分析了相关参数 的影响特性 。 ( 2 ) b 是三参数统一强度理论 中一个重要 的参数 ， 它的 取值决定着本研究极限承载力统一解 的精确性 ； 当 b = O 时 ， 三参 数统一强度理论退化为三参数单剪强度理论 ； 当 b = l 时 ， 退 化为三参数 双剪强度 理论 ； 在 一般情况 下 ， 推荐 取 b = l 2 或 b = 3 4 ； 随着 b的增大 ， 侧压系数 K增大 ， 钢管混凝 土短柱 的轴压极限承载力逐渐增大 。 ( 3 ) 空心率 是决定钢管混凝土短柱轴压性能 的重要 因素 。 当钢管截面尺寸和材料性质不变时 ， 随着 的增大 ， 核心混凝 土受到 的环 向压应力增大 ， 对提高轴 向抗压强度 的贡献 也越 大 ， 即侧压系数逐渐增大 ， 但 由于核心混凝 土 面积 ( 1 - q , ) A 。 逐渐减小 ， 且 ( 1 - O ) A 变化 的幅度大于 K， 故 钢管混凝土短柱的轴压极限承载力 随 的增 大而逐渐 减小 。 ( 4 ) 均匀约束系数 m反映了不 同截面形状 的钢管对混 凝土的约束均匀程度 ， 他是正多边形截面边数 n 的函数 ， 本 研究通过回归分析 ， 给 出了 m和 n的关系式。 当钢管和混凝 土 的截 面积 与材料 性质不变时 ， 随着边数 的增加 ， 钢管对 混凝土的约束越均匀， 即m越大， 有效约束系数 k 。 也越大 ， 钢管混凝土短柱 的轴压极限承载力 越大 ， 圆钢管混凝土 短柱的轴压极 限承载力 最大。 ( 5 ) 三参数统一强度理论 中的参数 反映 了混凝土材 料双轴等压强度与单轴抗压强度不等的特点， 当d = l 时， 式( 3 3 ) 退化为基 于两参数统一强度理论分析 的极 限承载 力 的解 ， 随着参数 的增大 ， 钢管混凝土短柱轴压极限承载 力 逐渐增大； 广义宽厚 比 体现了钢管混凝土截面尺寸 对其轴压短柱极 限承载力 的影响 ， 当不 同形状截 面的面积 和含钢率相等时 ， 它与形状无关 ， 随着 的增大 ， 钢管混凝 土短柱轴压极限承载力 逐渐增大。 参 考文 献 ： 【 1 钟善桐 钢管混凝土结构 M E 京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 2 】 钟善桐 冈 管混凝土统一理论 ： 研究与应用 M 京： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 6 3 查晓雄 ， 余敏 ， 黎玉婷 ， 等 实空心钢管混凝土轴压承载力的统 一 理论和公式l J 1 _建筑钢结构进展 ， 2 0 1 1 ， 1 3 ( 1 ) ： 2 - 7 ， 4 2 4 王宏伟， 卢德辉 基于统一理论的空心钢管混凝土轴压承载力 计算 广州大学学报， 2 0 1 1 ， 1 0 ( 1 ) ： 4 8 5 3 【 5 张玉芬 ， 赵均海 ， 李小伟 基于统一理论的复式钢管混凝土轴压 承载力计算 西安建筑科技大学学报 ， 2 0 0 9 ， 4 1 ( 1 ) ： 4 1 4 6 6 】翟越， 赵均海， 计琳， 等 冈 管混凝土轴向受压短柱承载力的统 一 解 J _长安大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 3 ) ： 5 5 5 8 7 】李小伟 ， 赵均海 ， 朱铁栋 ， 等 方钢 管混凝土轴压短柱的力学fl生 能【 J J 中国公路学报， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 4 ) ： 7 7 8 1 8 张兆强 基于统一强度理论的离心钢管混凝土柱轴压承载力研 究 J 1 四川建筑， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 6 5 1 6 8 【 9 周蓉 ， 魏雪英， 赵均海 ， 等 内圆外方实复式钢管混凝土柱偏压 承载力研究 工业建筑， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 增T U ) ： 6 6 4 6 6 8 【 1 0 张常光 ， 赵均海 ， 魏雪英， 等 外方内圆中空夹层钢管混凝土轴压 短柱的极限承载力叨建筑科学与工程学报， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 4 ) ： 7 8 8 2 【 1 1 俞茂宏 强度理论新体 系： 理论 、 发展和应用 M 西安 ： 西安交通 大学出版社， 2 0 1 1 1 2 VAR MA A H， S AUS E R， R I C L E S J M， e t a 1 D e v e l o p me n t a n d v a l - i d a t i o n o f fib e r mo d e l f o r h i g h s t r e n g t h s q ua r e c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e b e a m- c o l u mn s J A me r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e S t r u c t u r a l J o u r _ n a l ， 2 0 0 5 ， 1 0 2 ( 1 ) ： 7 3 8 4 1 3 】 过镇海， 时旭东 冈 筋混凝土原理和分析 M】 E 京： 清华大学出 版社 ， 2 0 0 3 1 4 】 赵均海 强度理论及其工程应用 M E 京： 科学出版社 ， 2 0 0 3 1 5 L I N C T， L I Y F A n e f f e c t i v e p e a k s t r e s s f o r mu l a f o r c o n c r e t e c o n fi n e d w i t h c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c s J C a n a d i a n J o u r n al o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 3 0 ( 5 ) ： 8 8 2 8 8 9 【 1 6 MAN DE R J B， P RI E S T L E Y M J N， P ARK RT h e o r e t i c al s t r e s s s t r a i n mo d e l f o r c o n fi n e d c o n c r e t e J J o u rna l o f S t r u c t u r al E n g i n e e r - i n g ， 1 9 8 8 ， 1 1 4 ( 8 ) ： 1 8 0 4 1 8 2 6 1 7 】 王宏伟 ， 徐 国林 ， 钟善桐 ， 等 空心率对空心钢管混凝土轴压短 柱工作性能及承载力影响的研究 J 工程力学 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 1 0 ) ： 1 1 2 1 1 8 【 1 8 余志武 ， 丁发兴 ， 林松 ， 等 冈 管高性能混凝土短柱受力性能研 究l J 1建筑结构学报， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 2 ) ： 4 1 4 7 【 1 9 S AKI NO K， N AK AHAR A H， MORI NO S ， e t a 1 B e h a v i o r o f c e n t r all y l o a d e d c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b e s h o r t c o l u mn s J J o u rnal o f S t ruc t u r al E n g i n e e r i n g ， 2 0 04， 1 3 0 ( 2 ) ： 1 8 0 1 8 8 作者简介： 联系地址 联系电话 赵均海 ( 1 9 6 0 一 ) ， 男 ， 工学博士 ， 教授 ， 博士研究生导 师 ， 主要从事结构 强度理论 、 组合结构基本理论及其 应用等的研究。 西安市长安大学小寨校区 1 9 7 号信箱( 7 1 0 0 6 1 ) 02 9 -8 2 3 3 7 23 8 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m