圆钢管混凝土压弯构件承载力设计方法比较.pdf

第 39卷?第 4期2 0 0 7年 4月?哈?尔?滨?工?业?大?学?学?报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY?Vo l?39 N o?4Apr.2007?圆钢管混凝土压弯构件承载力设计方法比较马欣伯,张素梅(哈尔滨工业大学 土木工程学院,哈尔滨 150090,E-mai:l mxbtmgc )摘?要:对美国 AISC-LRFD(99)规程、欧洲 Eurocode 4(EC4-94)规程、日本 A IJ规程以及中国 JCJ 01-89规程、CECS规程、DL/T 5085-1999规程、中国福建 DBJ 13-51-2003规程等 7部国内外典型圆钢管混凝土设计规程中压弯构件承载力设计公式的特点及计算结果进行较为详细的比较,同时检验了各部规程计算结果与搜集到的 285个试验数据及满足各部规程参数限制条件下试验数据的吻合程度.关键词:圆钢管混凝土;压弯构件;承载力;设计方法;规程中图分类号:TU398文献标识码:A文章编号:0367-6234(2007)04-0536-06Co mparison of design methods of load-carrying capacity for circularconcrete-filled steel tube beam columns in typical codesworldwideMA Xin-bo,ZHANG Su-mei(School of CivilEngineering,Harbin Institute ofTechnology,Harbin 150090,China,E-mai:l mxbt mgc )Abstract:The designmethods and calculated results of load-carrying capacity for circular concrete-filledsteel tube(CFST)bea m columns in seven different codesworldw ide are compared in detai,l which include A-merican Institute of SteelConstruction(AISC)-Load and Resistance FactorDesign specification for structuralsteel buildings(LRFD),European Comm ittee for Standardization(CEN)Eurocode 4-Design of compositesteel and concrete structures(EC4-94),Architectural Institute of Japan(AIJ)-Recommendations for de-sign and construction of concrete filled steel tubular structures,Chinese JCJ01-89 code,CECS code,DL/T5085-1999 code andDBJ13-51-2003 code.The comparisons between the results calculated by each codeand 285 experi mental results collected from worldw ide references,both excluding and including the li m itationsprescribed by each code,are carried out and discussed.Key words:concrete-filled steel circular tubes;bea m columns;load-carrying capacity;design method;code收稿日期:2005-06-03.作者简介:马欣伯(1980-),男,博士研究生;张素梅(1963-),女,教授,博士生导师.?自 1879年圆钢管混凝土构件在建造英国Seven铁路桥时被首次采用以来,因其具有承载力高、良好的塑性和韧性、施工简单、经济效果显著以及耐火性能较好等优点,在此后的 130年里,国内外诸多学者相继对其进行了系统的研究,设计理论逐渐完善成熟.如今,圆钢管混凝土作为一种新型结构体系,被越来越广泛地应用于高层建筑、大跨桥梁等复杂结构中.为推广这一新型结构形式在实际工程中的应用,许多国家结合自身的研究成果,考虑到各自国家建筑行业规程的制定原则与特点,先后制定颁布了代表各自研究水平的圆钢管混凝土结构设计规程.在我国,因历史原因先后颁布了三部国家行业标准,分别是:国家建筑材料工业局 JCJ 01-89 1规程,中国工程建设标准化协会 CECS 28:90 2、CECS 104:99 3规程(本文统称 CECS规程)和电力部 DL/T 5085-1999 4规程;福建省建设厅于 2003年颁布了 DBJ 13-51-2003 5地方标准.国外现已颁布的圆钢管混凝土设计典型规程主要有:美国钢结构协会的 AISC-LRFD(99)规程 6、欧洲标准协会的 EC4(94)规程 7以及日本建筑协会的 AIJ规程 8.各部规程在设计公式的建立方法和思路上存在不同,计算结果固然有所差异.1?压弯构件承载力设计公式特点比较1?1?从所采用的受弯构件承载力角度对比各部规程采用的圆钢管混凝土受弯构件承载力有所不同是影响计算结果差异的主要原因之一.中国 JCJ01-89规程以及日本 AIJ规程中极限状态设计法的中长柱和短柱采用考虑套箍约束作用的全截面塑性抗弯承载力,都是通过所建立的圆钢管混凝土压弯构件强度承载力参数方程得到受弯构件承载力的计算公式,区别在于前者将套箍力考虑到受压区混凝土上,后者将套箍力考虑到外层钢管上.与上述两规程较为相似的是欧洲 EC4规程,它采用不考虑套箍作用的全截面塑性抗弯承载力作为受弯构件承载力.美国 AISC-LRFD规程以及日本 AIJ规程中极限状态设计法的长柱均采用外层钢管的全截面塑性抗弯承载力,不考虑核心混凝土的作用,可见该方法相对保守.与上述两规程较为相似的是日本 AIJ规程的允许应力设计法,它采用外层钢管的弹性抗弯承载力,该方法显然更加保守.中国 CECS规程、中国 DL/T 5085-1999规程以及福建 DBJ 13-51-2003规程通过考虑构件的受力状态和正常使用要求定义圆钢管混凝土受弯构件承载力.其中,中国 CECS规程采用钢管混凝土梁式试件最大挠度不超过其跨度 1/50时对应的承载力;中国 DL/T 5085-1999规程和福建 DBJ 13-51-2003规程根据 M-?关系曲线,采用外层钢管最大纤维应变达到 10000?10-6时对应的弯矩.此外,中国CECS规程及日本 AIJ规程极限强度设计法中的受弯构件承载力还受构件长细比的影响.1?2?从压弯构件强度承载力设计公式建立方法的角度对比各部规程的压弯构件强度承载力计算公式均是来源于N-M 相关曲线,只因处理方法不同,产生了不同的设计方法,在公式的表达形式上也有所差异.中国 JCJ 01-89规程以及日本 AIJ规程极限状态设计法中的中长柱和短柱均采用压弯构件的全截面塑性承载力,考虑钢管套箍约束作用并假定截面应力按矩形分布,得到与混凝土受压区半角有关的参数方程.欧洲 EC4规程同样采用压弯构件的全截面塑性承载力,并适当考虑了钢管的套箍约束作用,将 N-M 相关曲线简化为建立在五个特征点间的四条直线,其设计公式在形式上没有采用相关方程的形式,而是直接从简化后的相关曲线获得 N 与 M 的独立方程.中国CECS规程中的N-M 相关曲线主要来源于试验研究,通过对试验数据的整理分析,引入仅与偏心率有关的承载力折减系数?e,究其实质是将相关曲线简化为两条直线,公式形式仍可转换为 N-M 相关方程的形式.中国 DL/T 5085-1999规程以及福建 DBJ 13-51-2003规程中的 N-M 相关曲线来源于大量试验及数值计算曲线,将钢管混凝土组合构件视为一种新的组合材料从整体上进行研究,通过对各参数影响下的大量相关曲线进行分析后,中国 DL/T 5085-1999规程保守地将其简化为两条直线,而福建 DBJ 13-51-2003规程则在小偏心时采用直线,大偏心时采用曲线,保持了相关曲线的特点.美国 AISC-LRFD规程将钢管混凝土组合构件视为纯钢构件,直接引用该规程中用于计算纯钢压弯构件的相关曲线及相关方程,方程形式为两条直线,但其不能体现出组合构件有别于纯钢构件的特性,其计算方法较为保守.日本 AIJ规程中的允许应力设计法采用?叠加公式?,通过分析钢管和混凝土各部分压弯构件强度承载力后获得各自的 N-M 相关曲线,再叠加得到组合构件的强度承载力相关曲线,其曲线形式虽符合组合压弯构件的受力特点,但建立过程比较复杂.由各规程的设计方法可见:简化后的相关曲线与实际曲线越接近,其计算公式越复杂.1?3?从压弯构件稳定承载力设计公式建立方法的角度对比与压弯构件强度承载力设计公式相比,压弯构件的稳定承载力通常要考虑构件长细比、P-?二阶效应以及杆内弯矩分布梯度的影响.当考虑杆件长细比的影响时,各部规程在建立压弯构件稳定承载力设计公式时均直接采用轴压构件稳定承载力代替压弯构件强度承载力计算公式中的轴压构件强度承载力,文献 9对上述各规程中圆钢管混凝土轴压构件的强度与稳定承载力设计方法及计算结果进行了详细的对比分析.当考虑 P-?二阶效应的影响时,各部规程都通过引入?弯矩放大系数?来实现,只是在取值上有所差异.中国 CECS规程虽没有明确定义?弯矩放大系数?,但从获得的压弯构件稳定承载力相关方程可见,1/?l即相当于?弯矩放大系数?(?l为考虑长细比影响的承载力折减系数).除中国 JCJ 01-89规程外,其他 6部规程均考虑了杆内弯矩分布梯度的影响.在考虑该因素的影响时,通常将各种非?537?第 4期马欣伯,等:圆钢管混凝土压弯构件承载力设计方法比较标准单元柱转换为具有相同承载能力的等效标准单元柱,即所谓?等效成标准单元柱?的方法.除中国 CECS规程以外的其他 5部规程均参照相应钢结构规程的处理方法采用?等效弯矩法?,即在保持柱长不变的前提下,引入?等效弯矩系数?的概念,将非标准单元柱的较大弯矩予以缩减,作为等效标准单元柱的弯矩;而中国 CECS规程采用?等效长度法?,通过引入?等效长度系数?,将非标准单元柱的实际长度予以缩减,作为等效标准单元柱的长度.2?压弯构件承载力计算结果比较图 1为三组采用国内外 7部典型规程计算得到的圆钢管混凝土压弯构件?压力Nu-弯矩 Mu?相关曲线的比较,对于每组截面分别考虑不同长细比?的影响,其他参数在取值上均同时满足各部规程的限制要求,其中 D 为钢管外直径,t为钢管壁厚,?s为含钢率,?为套箍系数(指标).本文曾进行了大量计算,但因篇幅有限,文中仅选择有代表性的对比图进行分析说明.图 1?各部规程 Nu-Mu曲线对比?通过大量计算可见:尽管采用各部规程计算得到的 Nu-Mu相关曲线有所差异,但随长细比的增大,相关曲线间的差距逐渐减小.除中国CECS规程外,其他 6部规程的Nu-Mu相关曲线均随长细比的增大而逐渐从组合结构特有的凸曲线(尽管采用美国 AISC-LRFD规程和中国 DL/T5085-1999规程得到的相关曲线凸曲现象并不明显)向钢结构的单调曲线过渡,组合压弯长柱的受力性能逐渐表现为钢结构压弯长柱的受力性能,稳定问题成为影响其承载能力的主要因素.对于?16的短柱,中国 CECS规程的计算结果普遍最高;对于 16?48的长柱,随长细比的增大,计算结果的最大值逐渐由欧洲 EC4规程过渡到中国 JCJ 01-89规程或 DL/T 5085-1999规程;对于?120且含钢率较小的小偏心受压构件,中国 CECS规程的计算结果普遍最高.对于?120的压弯构件,欧洲 EC4规程的计算结果普遍最低.对于含钢率较大(通常 0?15)或偏心率较大的长柱,中国 CECS规程的计算结果普遍最低.对于圆钢管混凝 土长柱,中国 福建 DB J13-51-2003规程、欧洲 EC4 规程和日 本A IJ规程的 计算结果 普遍比 较接近.各部 规程得到的 Nu-Mu相关曲线间的距离随含钢率的增大而减小.3?压弯构件承载力计算结果与试验结果比较?由国内外研究圆钢管混凝土压弯构件承载力的文献可知,多数研究者都是在设定初始偏心率e(e为偏心距与钢管外半径的比值)后,通过试验测得压弯构件的极限承载力 Ne,这种弯矩随轴力成比例增长的加载方式与实际工程中压弯构件的受力特点相似,并且试验方法相对简单.需要指出的是,不同研究者在进行试验时,在试验方法、构件计算长度等具体细节方面可能存在差异,本文没有试图区分这种差异,而是采用文献提供的原始数据直接进行对比分析.本文从国内外 9篇文献中搜集到 10位学者得到的 285个圆钢管混凝土压弯构件承载力试验数据,见表 1.考虑到各国规程的可靠度指标有所差异,因此在采用各部规程计算圆钢管混凝土轴压构件承载 力并进行比较时,直接采用材料的试验值进 行计算,不考虑材料分项系数或抗力系数.混凝土的强度取值考虑到各国规程定义的差 异及尺寸效应,换算成统一的强度代表值进行计算.表 1?圆钢管混凝土压弯构件承载力试验数据统计情况D/mmt/mmD/t?s?fy/MPafcuk/MPa?e数据/个89?3 140?02?0 4?721?7 51?00?083 1?88640 160282?0 388?0 25?0 50?0 1?368 31?260 0?499 1?00845 10164?1 169?25?3 8?823?2 32?20?143 0?24684 87290?0 318?0 25?1 42?0 1?536 4?6640?480 0?6307 10318?57?045?50?09437 79318?037?21?2020?658 1?3147 10106?03?035?30?12417?5 58298?946?41?2150 1?1329 11108?0 132?04?0 5?023?5 29?30?152 0?19566?9 119291?1 241?3 31?0 46?3 1?861 2?7410?076 1?491 27 12106?0 134?02?5 5?022?0 52?80?080 0?21017 119291?0 341?0 28?0 45?0 0?925 3?1800?076 1?491 62 10103?0 108?61?8 4?821?3 56?90?074 0?21812 60271?9 300?9 26?8 38?4 1?244 3?6510 0?76332 13166?05?033?20?13217?1 89?2 248?9 329?3 34?8 51?4 0?992 1?8740 1?20551 14101?61?663?50?06632 92218?077?40?2960?238 0?7159 15169?07?522?50?20416 42360?088?51?3190 1?18312 16165?24?0840?50?10716 120352?849?01?1820 1?24924 17?表 2为采用国内外 7部典型规程计算得到的圆钢管混凝土压弯构件承载力 Ne与搜集到的全部试验数据 Nt的比值的统计结果,其比值随偏心率 e的分布如图 2所示,以从总体上说明各部规程计算结果的准确程度.当图中的数据点位于 1?0直线以下时说明计算结果偏于安全.此外,由于各部规程对材料强度取值范围、含钢率、套箍系数(指标)、径厚比等 07基本参数的取值均有规定,为了比较在各部规程参数限制条件下相应规程计算结果的准确程度,本文同时将采用该 7部典型规程计算得到的圆钢管混凝土压弯构件承载力与满足相应各部规程参数限制条件下的试验数据进行了比较,对比结果见表 2.通过对比可见:与搜集到的全部试验数据相比较,各部规程的计算结果平均值均小于试验结果,说明其计算结果偏于安全.其中日本 AIJ规程的计算结果与试验结果最为接近,此后按计算结果与试验结果的接近程度由近及远依次为:中国福建 DBJ 13-51-2003规程、中国 DL/T 5085-1999规程、欧洲 EC4规程、中国 JCJ 01-89规程和中国 CECS规程,计算结果与试验结果相差最远的是美国 AISC-LRFD规程.与满足各部规程参数限制条件下的试验数据相比较,各部规程的计算结果平均值仍均小于试验结果,其中日本 AIJ规程的计算结果与试验结果最为接近,此后按计算结果与试验结果接近程度由近及远依次为:中?539?第 4期马欣伯,等:圆钢管混凝土压弯构件承载力设计方法比较国 DL/T 5085-1999规程、中国福建 DBJ 13-51-2003规程、中国 JCJ 01-89规程、中国 CECS规程和欧洲 EC4规程,计算结果与试验结果相差最远的仍然是美国 AISC-LRFD规程.与同全部试验数据得到的对比结果相比,其均值与方差均变化不大,因此建议各规程在重新修订时可考虑适当扩大参数的取值范围.表 2?各部规程压弯构件承载力计算结果 Ne与试验数据 Nt的比值统计项目JCJ 01-89数据/个?CECS数据/个?DL/T5085-1999数据/个?DBJ13-51-2003数据/个?全部数据2850?8660?1482850?8650?1322850?9000?1522850?9120?118限制数据1200?8980?1512310?8720?1262380?9090?1532520?9070?111项目A I SC-LRFD(99)数据/个?EC(94)数据/个?A IJ(97)数据/个?全部数据2850?7350?1162850?8700?1902850?9190?148限制数据2500?7390?1122490?8570?1212500?9130?130?注:表中?为均值,?为标准差.?540?哈?尔?滨?工?业?大?学?学?报?第 39卷?图 2?各部规程压弯构件承载力计算结果 Ne与全部试验数据 Nt的比值随偏心率 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