1、2 0 1 5年 第 7期 (总 第 3 0 9期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 0 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RE TI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 7 0 0 5 薄壁 圆钢管混凝 土柱轴压极限承载 力分析 张风杰 , 夏军武 ,常鸿飞 , 谭永超。 , 夏翔 ( 1 中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室, 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ; 2 深部岩
2、土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ) 摘要: 为了研究薄壁圆钢管混凝土柱轴压极限承载力是否适用 C E C S : 2 0 1 2 ( 钢管混凝土结构技术规程 提供计算式, 制作 了不 同壁厚( t = O 9 2 、 1 4 2 、 1 9 2 m i l 1 ) 、 不同高度 、 不同钢管强度的9根圆钢管混凝土柱构件进行试验研究; 试验结果表明薄壁圆钢管 混凝土柱依然有很好 的承载力及延性 ; 对构件极限承载力对比发现 , 试验结果与按构件实际强度计算结果基本吻合 , 表明薄壁圆 钢管混凝土柱轴压极限承载力依然适用 规程 提供计算式 , 且按 规程 提供计
3、算式偏于保守, 并根据试验结果对薄壁圆钢管混 凝土柱的极限承载力取值进行了建议。 关键词 : 薄壁; 钢管混凝土柱 ; 轴压 ; 极限承载力 中图分类号 : T U 5 2 8 O 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 1 8 0 4 Ul t i ma t e s t r e n g t h a n a l y s i s t o t h i n- - wa l l e d c i r c u l a r c o n c ret e- - f i l l e d s t e e l t u b e c ol u mn u
4、 n d e r a x ia l c o mp r e s s i on Z H AN G F e n g j i e 一 , X I A J u n w u 一 , C H A N G H o n g f e i , T A N Y o n g c h a o , X I A X a n g ( 1 J i a n g s u K e y L a b o r a t o r y o f E n v i r o n me n t a l I mp a c t a n d S t r u c t u r a l S a f e t y i n E n g i n e e r i n g , C
5、 h i n a Un i v e r s i ty o f Mi nin g a n d T e c h n o l o g y Xu z h o u 2 2 1 0 0 8, Ch i n a ;2 S t a t e Ke y L a b o r a t o ry f o r Ge o me c h a nic s a n d De e p Un d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g, Xu z h o u 2 2 1 0 0 8, C h i n a ) Abs t r a c t: I n o r d e r t o s t ll d y u
6、 l tima t e b e a r i n g c a pa c i t y o f t h e thi nwa l l e d c i r c u l a r s t e e l t u be c on c r e t e c o l umn i s a pp l i c a b l e CECS: 2 01 2 “ t e c h n i c al s p e c i fi c a ti o n f o r c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub u l ar”, i t ma d e o f d i f f e r e n t t h i c
7、 k n e s s ( t = O 9 2, 1 4 2, 1 9 2 mm) , d i f f e r e n t h e i g h t , d i f - f e r e nt p i p e s t r e n g th e x pe r i m e n t al s tud y o f 9 r o o t c i r c u l a r s t e e l t u b e c o n c r e t e c o l u m n c o mp o n e n t s, the t e s t r e s u l t s s h o w tha t c on c r e t e fi
8、l l e d thi nwa l l e d s t e e l tub e c o l u mn s are s ti l l b e a r i n g c a p a c i ty a n d g o o d d u c ti l i ty, l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f me mb e r s c o mp a ri s o n , the e x p e r i me n t a l r e s u l t s are c o n s i s t e n t wi th the c alc u l a t e d r e s
9、 u l t s a c c o r din g t o a c tua l s t r e n g th me mbe r, t h a t t h i nwall e d c i r c u l ar s t e e l t u be c o n c r e t e c o l u mn a x i a l c o mp r e s s i o n b e a r i n g c a pa c i t y i s s ti l l u s e the“ r u l e s ”p r o v i d es f o r mu l a a n d a c c o r d i ng t o the
10、“ r u l e s ”p r ov i d e s t h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a o n the c o n s e r v a ti v e s i de, ba s e d o n the e x p e r i me n t a l r e s u l t s a n d the l i mi t o f c o n c r e t e fil l e d thi nwa l l e d s t e e l t u b e c o l u mn s b e a r i n g c a p a c i ty v a l u e o f
11、 s u g g e s t i o n Ke y wo r d s: thi nwa l l e d ; c o n c r e t efi l l e d s t e e l tub e c o l u mn ; axi a l c o mp r e s s i o n; u l ti ma t e bea r i n g c a p a c i ty 0 引言 钢管混凝土结构技术在 国外发展早 、 速度快 , 我 国于 2 0世纪 6 0年代开始接触该项技术 , 目前在我 国的建筑土 木工程领域获得 了广泛 的应用 , 例如拱桥结构 、 桩 、 高铁 站 台、 地铁等 。 钢管混凝土 的
12、工作原理是混凝土填充钢 管 , 增强钢管的稳定性 ; 钢管包裹混凝 土 , 使混凝土周边受 约束 , 在受到轴向压力作用下其处于三 向受压状态 , 从而 使混凝土具有更高 的抗压强度并大幅度提高其延性 , 钢管与混凝土二者相互作用从而提高该结构( 构件) 的整 体承载能力 。 钢管混凝土结构在我国的应用主要还是厚壁钢管混 凝土结构 J , 蔡绍怀 、 钟善桐 等很 早就对钢 管混凝 土结构进行了研究 , 对 于薄壁构件 , 国内很 多学者 对薄壁 钢管混凝土柱轴压力学性能、 节点抗震 、 薄壁带肋 、 改变钢 管外形 等方 面开 展 了研究 工 作 。目前 我 国采 用 的 C E C S :
13、 2 0 1 2 ( 钢管混凝土结构技术规程 中轴压构件承载 力计算式明确 了适用范围, 对于套箍系数 0 小 于 0 5的构 件未提供详细 的计算式 。 本试验结合 现行 规程 提供计 算式 , 自行设计 了不 同壁厚 、 不同高度、 不同钢管材质 的 9 根薄壁钢管混凝 土柱 , 其破坏 形态与厚 壁构 件又有 何不 同, 对于套箍系数 0 小于 0 5的薄壁 构件其极 限承载力是 否适用 规程 提供的计算式。 1 试验设计 1 1 构件设计 本研究设计 了不同壁厚( t = 0 9 2 , 1 4 2 , 1 9 2 i i l i n ) 、 不 同高度 ( h=5 0 0 、 6 0
14、 0 、 9 0 0 、 1 2 0 0舢) 、 不 同 钢 管 材 质 ( Q 2 3 5 、 Q 3 4 5 ) 的薄壁圆钢管混凝土柱构件 9根 , 钢管 内填 充标准立方体抗压强度等级为 C 3 0的混凝土 , 钢管一端先 收稿 日期 : 2 0 1 4 1 0 1 4 基 金项 目 : 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 4 1 9 2 ) ; 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室开放基金 ( J S K L 2 0 1 2 YB 0 4 ) ; 江苏省优势学科 1 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e
15、 t u t u .c o m 表 2 薄壁钢管混凝土柱承载力试验值及计算值 l 000 800 Z 600 妲4 0 0 2 0 0 0 1 0 9 3 5 3 0 8l 91 高度影响系数 图 3 Q 2 3 5材质不同长细比承载力对比 U j j U l9 l U , , 2 5 高度影响系数 9 图 4 Q 3 4 5 、 Q 2 3 5材质构件承载力对比 生典型的三轴剪切破坏, 但是钢管及焊缝无明显的开裂, 并且过 了极 限荷载后有明显的持载变形段 , 虽然有 的持载 段很短暂 , 但是构件不会发生脆性破坏 , 当卸载 到极限荷 载 的5 0 时会发生持载变形 , 表现出较强 的延性
16、 。 2 2 径 厚比( o r ) 影响 试验表明, 同种材质的钢管制作而成的钢管混凝土柱 构件 , 随着壁厚的增 加钢管对混凝 土的包裹力在增强 , 钢 管混凝 土柱构件 的纵向变形能力逐渐变大 , 钢管混凝 土柱 的塑性变形能力增强 , 具体见 图 5 、 6 。 从图 5及表 3可 以看出 , 随着 D T的增加 , 构件 的承 载力逐渐减小, 但壁厚不同其后续持载能力及变化态势又 有区别。 从图 6可 以看 出, C S C C 1及 C S C C 5构 件在达 到 极 限荷载后持载力会突然减小 , 随后构件依然可 以承载 , 但变形随之持续增长 ; 而 C S C C 6的构件达
17、到极 限荷载后 承载力缓慢下降随后又持续增长直至超过极 限荷载 , 但是 后续 的持载增长段构件变形量快速增大。 从 图 6可以看出 壁厚大 即 D T小的构件 承载 力大 、 延性强 ; 而壁厚小 D T 大的构件承载力小 , 变形能力弱 ; 构件 C S C C 1的套箍系数 小于 0 5 , 但其极限荷载后依然有持载变形段 , 所不同的是 20 1 0 0 0 80 0 至 6 0 0 握4 0 0 2 0 0 0 D| T 图 5 D, _ r 一极 限荷载 图 U 1 U l 20 竖 向位移 mm 图6壁厚变化轴压荷载 一 竖 向位移图 极限荷载后承载力会突然下降 , 但承载力突降
18、后依然有一 持载变形发展段, 后构件散失承载力, 其破坏形态仍然可 认为是塑性破坏。 2 3 长径 比( ) 的影响 试验结果表 明, 同材质构件 , 在壁厚 t 相同的情况下 , 随着长径 比的增大 即 的减 小构件 的承 载力 逐渐降低 , 详见图7 、 8 。 从表3中对比结果结合图8所示结果表明, 构 件 C S C C 1 、 C S C C 2 、 C S C C 4的持 载力 1 分 别 为 3 3 1 2 、 3 4 4 1 、 3 3 1 2 k N, 其持载力绝对值均在 同一水平范围 , 变化 不大 ; 其持载力与极限荷 载值 比值 ( 3 2 ) 随构件高度增 长而增大
19、。 随着 。 的减小 , 构件达极 限荷载后纵向位移逐 构件高度 m m 图 7 构件高度 一 极限荷载图 枷 枷 姗 瑚 o z 、 挺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 竖 向位 移 mm 图 8 高度变化轴压荷载 一 竖向位移图 表 3 钢管混凝土柱纵向位移及后续持载值 ( 2 ) 结合薄壁钢管混凝土破坏形 态及 变形趋势 , 定义 了薄壁钢管混凝土住 的极限荷载值取值点 , 即将薄壁构件 的极 限荷载确定为线性增长的最末端。 ( 3 ) 试验结果表明 , 薄壁 圆钢管混凝 土柱构件依然可 以使用 规程 提供的计算
20、式, 但 规程 计算得出的构件 承载力偏于保守 ; 依据试 验结果对 比, 提 出薄壁 圆钢管混 凝土柱极限承载力在 规程 计算式基础上进行增大, 其增 大系数取 1 5 。 参考文献 : 1 杨杰, 税强 钢管混凝土的研究发展状况 J 工程结构 , 2 0 0 8 ( 2 5 ) : 1 7 41 7 5 2 3蔡绍怀 现代钢管混凝土结构( 修订版) M 北京 : 人 民交通 出版社 , 2 0 0 7 3 3韩林海 , 杨有福 现代钢管混凝土结构技术 M 北京: 中国建 筑工业出版社 , 2 0 0 7 渐减小 , 表明随构件高度 的增加 , 构件的延性减弱。 4 3钟善桐 钢管混凝土结构
21、 M 北京 : 清华大学出版社 , 2 O 0 4 3 薄壁圆钢管混凝土柱构件极限承载力修正 建议 结合表 I 、 2 、 3 及 图 3 、 4 , 试验结果 最少高于计算结 果 1 的 8 8 4 8 ( Q 2 3 5 ) 和 1 3 6 1 7 ( Q 3 4 5 ) ; 而 2 最少 高 于 1 的 8 5 2 1 ( Q2 3 5) 和 1 1 3 4 5 ( Q3 4 5 ); 而 2和 0 的对 比结果看 , 二 者非常相 近 , 0 比 2 5 3 1 ( Q 2 3 5 ) 和 1 7 7 3 ( Q 3 4 5 ) , 表明 规程 提供的计算式可用于薄壁圆 钢管混凝土柱构
22、件 的计算 , 但其极限承载力计算式偏于保 守 。 从持载力 对 比l 来看 , 除 C S C C 1 构件 3 略小于 J v , 外, 其他构件 均高于】 。 结合试验结果 , 结合 图 6 、 8结果及 变化趋势 , 同时考 虑到薄壁构件承载力破坏时线性增长段 较长 , 而构件从线 性增长发展到非线性 增长时荷载增加小 , 变形小 , 塑性变 形段不明显 , 且过极 限荷 载后 有一脆性快速 降载的情况 , 建议薄壁构件 的极 限承 载力值取 线性 增长值 的末 端 , 从 图 6 、 8中看 , 其数值为 n的 8 0 一 8 5 , 而 与 2 结果 相近, 而( 2 ) 后进行
23、8 0 8 5 的折减, 其值依然超过 规程 提供计算式的5 0 。 结合薄壁构件破坏形态及数据 比较 , 笔者认 为薄壁 圆 钢管混凝土柱构件的极限承载力计算依然使用 规程 提 供的计算式, 在使用该计算式的基础上建议增加承载力提 高系数, 其取值为 1 5 。 5 蔡绍怀 我国钢管高强混凝土结构技术的最新进展r J 建筑科 学 , 2 0 0 2 , 1 8 ( 4 ) : 1 7 6 B O D E H C o l u m n s o f s t e e l t u b u l a r s e c ti o n s fi l l e d w i t h c o n c r e m d e
24、 s i g n a n d a p p l i c a ti o n J A c i e r S t a h l S t e e l , 1 1 ( 1 2 ) : 3 8 8 3 9 3 7 B R I D G E R Q C o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u m n s C R e p o n No R2 8 3, Sc h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g, Au s t r i a l , 1 9 76, 2 9-40 8 钟善桐, 苗若愚 钢管混凝土轴心受压
25、构件承载力计算的研究 J 建筑结构学报 , 1 9 8 4 ( 6 ) 9 O G OO D E C D, 钢管混凝土组合柱的研究进展 J 1 韩林海, 译 工业建筑 , 1 9 9 6 , 2 6 ( 3 ) : 2 3 2 7 1 O 张耀春 , 王秋萍, 毛小勇 , 等 薄壁钢管混凝土短柱轴压力学性 能试验研究 J 建筑结构 , 2 0 0 5 , 3 5 ( 1 ) : 2 2 2 7 1 1 高剑平 , 吴永根 , 霍静思 薄壁波纹钢管混凝土柱滞 回性能试 验研究F J 1 世界地震工程 , 2 0 1 2 , 2 8 ( 3 ) : 3 4 4 2 1 2 王静峰, 郭水平, 陈莉
26、萍 带肋薄壁钢管混凝土框架梁柱端板 连接节点试验研究 J 建筑结构学报 , 2 0 1 1 , 3 2 ( 8 ) : 6 9 7 8 1 3 赵均海, 孟晓健, 刘建军, 等 圆中空夹层钢管混凝土短柱的承 载力 J 长安大学学报 : 自然科学版 , 2 0 0 9 , 2 9 ( 2 ) : 7 0 7 4 4 结 论 1 4 张耀春, 陈勇 设直肋方形薄壁钢管混凝土短柱的试验研究与 ( 1 ) 薄壁构件依然可以有 良好的承载力及变形性 能 , 薄壁钢管混凝 土柱的延性随 ( D r ) 减小 而增强 ; 壁薄构件 在极限荷载后有明显的荷载降落段, 基本呈线性下降直至 一 固定荷载后持续变形
27、 , 随 ( D T ) 减小 , 其持 载值逐渐增 大 , 且变形趋势 由持续下降转变为荷 载增 长 ; 持载一段 时 间后均变现为构件变形增大 , 失去持载能力即突然失效。 有限元分析 J 建筑结构学报 , 2 0 0 6 , 2 7 ( 5 ) : 1 6 2 2 第一作者: 张风杰( 1 9 7 9一 ) , 男 , 博士研究生, 工学硕士 , 讲师 , 主 要从事钢结构及组合结构耐久性研究。 联 系地 址 : 联 系电话: 江办徐州中巨 1 3 6 45 2 2 8 7 6 6 2 2 1 0 0 8 ) 21 O O 0 0 O 0 0 O 如 如 加 z I 、 幅豫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
©2010-2024 宁波自信网络信息技术有限公司 版权所有
客服电话:4008-655-100 投诉/维权电话:4009-655-100