带约束拉杆L形钢管混凝土轴压短柱的承载力计算.pdf

第 4 l卷第 1 期 2 0 1 0年 1月 V0 I _ 4 1 N o ． 1 J a n ．2 0 1 0 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o ~ x 31 带约束拉杆L 形钢管混凝土轴压短柱的承载力计算 孙 刚 ．蔡 健2 ( 1 ． 1 中 恺农业工程学院城 市建设学院 ，5 1 0 2 2 5 ，广州；2 ．华 南理工大学土木工程系 ，5 1 0 6 4 0 ，广州) 摘 要： 在试验的基础上 ． 分析了带约束拉杆L 形钢管混凝土短柱 的受力机理 ， 将带约束拉杆L 形钢管混凝土 短柱划分成一个方形和两个带约束拉杆的矩形钢管混凝土短柱 ，提出了轴压下带约束拉杆L 形钢管混凝土短柱 的承载力计算公式 ， 并结合试验数据确定了计算公式中的参数。 用建议计算公式对 有关试件进行计算 ， 计算结果 与试验结果吻合良好 。 关键词 ： L 形钢管混凝土短柱 ； 约束拉杆 ； 约束混凝土 ； 极限承载力； 局部屈曲 中图分类号 ： T U 3 9 8 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 7 2 6( 2 0 1 0 ) 0 1 — 0 0 3 l 一 0 3 UL T I MAT E S T RE NGT H E QU ATI ONS F OR L- S HAP E D C F T S TUB CoLUM NS W I TH BI NDI NG BARS SUN Gan g ’ ．CAl J i an ( 1 ． Co l l e g e o f Ur b a n Co n s t r u c t i o n，Zh o n g k a i Ag ric u l t u r e a n d En g i n e e ri n g，5 1 0 2 2 5，Gu a n g z h o u，Ch i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，S C U T ． ，5 1 0 6 4 0 ，G u a n g z h o u ，C h i n a ) ． Ab s t r a c t ：T h e i n t e r a c t i o n w i t h i n t h e c o mp o n e n t s o f L— s h a p e d c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e ( C n’) s t u b c o l u mn s wi t h b i n d i n g b a r s s u b j e c t e d a x i a l l o a d i s a n a l y z e d ．T h e L - s e c t i o n i s d i v i d e d i n t o a s q u a r e a n d t w o r e c t a n g u l a r s e c t i o n s ． T h e r e c t a n gu l ar s e c t i o n s h a v e b i n d i n g b a r s wh i l e t h e s q u a r e s e c t i o n h a s n o o n e ． T h e u l t i ma t e s t r e n g t h e q u a t i o n s f o r L- s h a p e d CF T s t u b c o l u mn s wi t h b i n d i n g b a r s a r e p r o p o s e d a n d t h e p a r a me t e r s o f t h e e q u a t i o n s a r e c o n fir me d t h r o u g h e x p e r i me n t a l d a t a ．Fi n a l l y， T h e e x p e r i me n t a l s p e c i me n s a r e c a l c u l a t e d b y t h e p r o p o s e d e q u a t i o n s ．T h e c a l c u l a t i n g r e s u l t s o f t h e u l t i ma t e s t r e n gth o f t h e s p e c i me n s a r e g o o d a g r e e me n t wi t h t h e e x p e r i me n t a l o n e s ． Ke y wo r d s ：L- s h a p e d CFY s u b c o l u mn s ；b i n d i n g b a r s ；c o n fi n e d c o n c r e t e ；u l t i ma t e s t r e n gth ；l o c a l - b u c k l i n g 随着 多高层建 筑结构 的发 展 ， L 形钢 管混 凝 土柱 的 应用 日益广泛 。其原 因是钢管混凝土柱与传统 的钢筋 混凝土柱相比具有如下优点 ： ( 1 ) 承载力高、 延性好 、 能 耗大 ， 无须配筋和支设模板 ， 施工便利； ( 2 ) 在多高层建 收稿 日期 ： 2 0 0 9 一 1 0 — 2 6 基金项 目： 广东省 自然科学基金 资助项 目( 0 1 2 3 5 6 ) ； 仲恺农 业工程学院 基金 资助项 目( G 2 3 6 0 2 8 8 ) 作者简 介： ~ U ( 1 9 7 3 一 ) ， 男 ， 安 徽砀山人 ， 讲师 ， 工学博 士 ， e — ma i l ：s u n g a ~ g 6 0 4 @ 1 63 ．c o m． 筑结构 中使 用L 形钢 管混凝 土柱 ，可 避免柱 角 外露 ， 增 加建筑的使用空间，又能满足建筑平面设计美观的要 求 ； ( 3 ) 与圆形 钢管 混凝 土柱相 比 ， L 形 钢管 混凝 土柱 的 梁柱节点构造简便 ，传力明确 ，有利于施工和节约成 本。但研究表明， L 形钢管混凝土柱的约束作用主要集 中在角部 ， 角部以外约束效应迅速减小 ， 横截面 中部钢 板处约束效应几乎为零 ，从而影响钢板和混凝土两种 材料强度的充分发挥 。 带约束拉杆L 形钢管混凝土柱在 钢 管 周边部 位设 置约 束拉 杆 ，可 有效 地 延缓钢 管壁 的 5结 语 面 积达3 0 0 0 0 m 的大面 积 混凝 土地 面 ，经 过仔 细 检查验收 ， 没有发现裂缝 、 起砂 、 空鼓等现象， 耐磨性能 满足设计和规范要求，而且地面平整度远高于国家规 范要求。 通过在大型工程 中的针对性研究及实际应用 ， 根据工程特点和实际情况 采用了基层铺设滑动塑料 薄膜 、 跳仓浇筑 、 后切割分缝技术 、 钢筋网片断开技术 、 设置抗裂拉杆等合理 、科学的先进施工技术综合集成 应用 ， 一一化解了在施工过程 中的潜在隐患和难题 ， 正 确引导了混凝土在工程中能量的自然释放 ，消除了混 凝土裂缝产生的潜在因素，使得本工程超大面积混凝 土地面顺利实施 ， 达到了业主和设计要求， 取得了很好 的经济效益和社会效益。本施工技术的研究和成功应 用 ， 为以后类似工程 的实施打下了坚实的基础 ， 并具有 很强的推广价值。 参考文献 [ 1 ] 王铁梦． 工程结构裂缝 控$ 1I I M I ． 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 7 ． 『 2 1 建筑工程施工手册[ K] ． 第四版． 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 3 2 建筑技术 第 4 1 卷第 1 期 局部屈曲， 提高钢管对核心混凝土的约束效应 ， 是提高 该类构件承载力和延性 的一种简单有效的措施。 目前，关于带约束拉杆异形钢管混凝土柱的研究 成果较少 I ， 这在一定程度上限制了该类构件在工程 中的应 用 。 因此 ， 探 索带约 束拉杆 异形钢 管混 凝土柱 的 承载力计算公式以满足工程的需要，有着十分重要的 现 实意 义 。 1 带约束拉杆L形钢管混凝土柱的约束机理 带 约 束拉 杆L 形截 面 钢管 混 凝土 柱 可 以看 成 由复 合矩形箍筋混凝土柱演化成的新结构构件 ，钢管相 当 于箍筋密排且与纵筋合一 ，约束拉杆相当于复合矩形 箍筋中设置的拉结箍筋。不同的是复合矩形箍筋混凝 土中的箍筋只承受环向拉力， 而带约束拉杆L 形钢管混 凝土中的钢管除承受环向拉力外 ， 还将承受纵向、 径向 压力， 处于较为复杂的三向应力状态。 文献6 研究表明， 钢管所受的径向压力相对较小 ， 可忽略 ， 钢管处于平面 应力状态 ，屈服时沿V o n — Mi s e s 平面屈服椭圆轨迹运 动 。以下在建立带约束拉杆L 形钢管混凝土短柱的承 载力计算公式时 ， 采用了文献6 的研究成果 ， 对钢管应 力做了相应的简化处理。 2带 约束拉 杆L形钢 管混 凝 土短 柱 的承载 力 计 算公式 本 文将带 约 束拉 杆L 形 钢管 混 凝 土柱 划分 成 一个 方形 ( 以下简称方形 ) 和两个带约束拉杆的矩形( 以下 简称矩形) 钢管混凝土柱( 图1 ) 。以上设想 的理 由是 ， ( 1 ) 设置了约束拉杆的L 形钢管混凝土柱的拉杆位置处， 由于约束拉杆的约束作用 ， 钢管壁的侧向变形较小 ， 可 忽略 ， 因此， 该位置可考虑为钢管壁的侧向支撑 ； ( 2 ) 各 个截 开截面 的截 开边两 侧 的混凝 土相互 作用 ，相 互 约 束 ， 其约束效应不会小于有钢管壁的一边 ； ( 3 ) 方形 、 矩 形在截开面上满足纵向变形协调关系。 图 1 L截面计算模型 ( a ) L截面 分区图； ( b ) 计 算简 图 2 ． 1 承载 力建议 公式 影响带约束拉杆L 形钢管混凝土柱的因素很多， 如 钢管的屈服强度 、 钢管的厚度 、 拉杆的水平间距、 拉杆的 纵向间距、 拉杆的直径、 拉杆的屈服强度 、 核心混凝土的 强度等级及构件的截面尺寸等。 研究表明， 带约束拉杆L 形钢管混凝土柱的轴压承载力随钢管的屈服强度 、 钢管 的厚度 、 拉杆的水平间距 、 拉杆的直径 、 拉杆的屈服强 度 、 核心混凝土的强度等级及构件的截面尺寸的增大而 增大． 随拉杆的纵向间距的增大而减小。 带约束拉杆L 形 钢管混凝土短柱的轴压承载力可由下式表示。 Ⅳ J： ∑ A ∑卢 以A ( 1 ，2 ) ( 1 ) 产拿 ( 1 ，2 ) (2 ) ‘ 一 卢 = ( 1 ， 2 ) ( 3 ) j 式中： 。 ， O t 分别表示方形 、矩形短边和矩形长边 钢管钢管纵向强度折减系数 ； 卢 ， 分别表示方形 、 矩形 核心约束混凝土核心非约束混凝土轴压强度提高系 数 ， ^分别表示钢管屈服强度和核心非约束混凝土 混凝土轴压强度标准值 。 ， 分别表示方形 、矩形短 边和矩形长边钢管纵 向应力强度 ； A A 分别表示方 形 、 矩形短边和矩形长边钢管的面积 i l ’ ． 分别表示 方形、 矩形核心约束混凝土的轴压强度 ； A 4 分别表 示方形 、 矩形核心约束混凝土的面积 。 2 ． 2 钢管纵 向强 度折减 系数 的确定 方形 、 矩形短边和矩形长边钢管宽厚比定义如下。 孚／ 12 (1- vz)一 ＼ ／ (4 ) b ~ ／ 12 (1 - v 2)一 、 ／ 爱 (5 ) 式 中： R ， ： 分别是方形、矩形短边和矩形长边宽 厚比参数i ， ， I - 分别是钢管的屈服强度 、 弹性模量和 横 向变形系数 ； 0 ， b ， f 分别是钢管的长 、 短边和厚度。 文献7 的研究表明 ， 钢管宽厚比参数R是影响方形 钢管 混凝土试 件破 坏模 态的主 要 因素 ，当R > 0 ． 8 5 @试 件将发生局部屈曲破坏 ； 当R≤O ． 8 5 时， 试件可不考虑 局部屈曲的影响。 将上述结果推广应用于本文的方形、 矩形钢管混凝土 。当R i > 0 ． 8 5 ( i = 1 ， 2 ) 时， 钢管发生局部 屈曲， 局部屈曲强度 ．屉由下式给出 ： 孕 ： 一 0 ： 1 ，2 ) (6 ) 、 由前述可知 ， 钢管处于平面应力状态， 屈服时服从 V o n — Mi s e 屈服准则． 钢管的应力强度可表示为： 2 0 1 0 年 1 月 孙刚 ， 等 ： 带约束拉杆L 形钢管混凝土轴压短柱 的承载力计算 3 3 表 1 带约束拉杆 L形钢管混凝土短柱极限承载力理论计算值与试验值 比较 试件编 号 a x b x t x l ／ mm f ~ ／ MP a f a ／ MP a mm b J mm { MP a N Jk N Ⅳ／ k N N ／N C2 4 0 0 x1 50 x 6 xl 2 0 0 4 6 5 2 2 ． 7 8 2 0 0 1 5 O 3 5 5 88 o o 85 4 3 ． 8 9 0 ． 9 7 C3 4 O O 1 5 0 x 6 xl 2 O 0 4 6 5 2 2 ． 7 8 1 0 0 1 5 O 3 5 5 8 8 0 o 97 2 7 ． 4 8 1 ．0 4 C 4 4 O 0 X1 5 0 x 6 x1 2 0 o 4 7 3 2 2 ． 7 8 2 0 0 1 5 O 3 5 5 7 8 5 0 74 6 4 ． 1 8 O．9 5 C5 4 0 0 x 1 5 0 x 6 x1 2 0 0 4 5 2 2 2 ． 7 8 2 0 0 l 5 O 3 5 5 1 08 5 7 l l 4 6 2 ． 6 0 1 ．o 6 C 6 4 O 0 X1 5 0 x 6x1 2 o o 4 6 5 2 2 ．78 2 0 0 1 5 O 3 4 8 84 5 0 8O 6 2 ． 9 O ． 9 5 C 7 4 O 0 1 5 0 x6 x1 2 0 0 4 6 5 2 2 ．78 2 0 0 l 5 O 3 6 3 8 8 41 87 2 1 ．6 2 O ． 9 9 G z O 8 a 3 5 0 x 1 5 0 x l O x 1 5 0 0 3 5 7 ． 0 8 2 2 6 ． 2 1 7 中间 l 5 O 3 5 7 ． 7 2 7 l 4 0 7 4 2 9 ．4 5 1 ． 04 G z O 9 a 3 5 0 x 1 5 0 x l O x1 5 0 0 3 5 7 ． 0 8 2 2 7 ． 1 8 2 中间 1 5 O 3 5 7 ． 7 2 6 9 6 8 7 4 7 8 ． 8 9 1 ． 0 7 G z 0 9 b 3 5 0 x 1 5 0 x l O x1 5 0 o 3 5 7 ． 0 8 2 3 0 ．9 8 8 中间 1 5 O 3 5 7 ． 7 2 7 2 7 1 7 6 7 3 ． 2 1 1 ． O 5 G z 1 8 4 8 0 x 2 2 0 x l O x l 5 0 o 3 5 7 ． 0 8 2 3 0 ．9 8 8 中间 1 5 0 3 5 7 ． 7 2 1 1 5 7 6 1 2 3 3 6 - 3 0 1 ． 0 6 { { 2 2 ( i = 1 ， 2 ) ( i = 1 ， 2 ) ( 7 ) 果吻合良好 。 ( 8 )4结语 式中 ， 厶 分别表示钢管的纵 向压应力和环向拉 应力 当圮≤0 ． 8 5 ( i = 1 ， 2 ) 时 ， ， 按文献8 的研究成果 取 值 ： =一0 ． 1 ％ = 0 ． 8 9 f , ( i = 1 ， 2 ) ( 9 ) 对文献2 ， 9 的试件试算后发现 ， 方形、 矩形钢管的 宽厚比参数 是 影响钢管纵向强度系数 的重要因素。 对文献2 ， 1 3 的试验数据进行回归分析后，建议钢管纵 向强度折减系数按下式确定。 f 0． 8 9 R< 0． 8 5 = { ( i = 1 ， 2 ) ( 1 0 ) 【 0． 8 9 7 R- 0 ．7 4 0 7 R ≥ 0． 8 5 2 ． 3 核心混凝土强度提高系数的确定 定义带约束拉杆L 形钢管混凝土短柱 的拉杆约束 系数 为 ： ： 生 ( 1 1 ) ’ a s b 式中 i 屈， 分别是约束拉杆的屈服 强度和面积 ； Ⅱ s ， 6 。 分 别是 约束拉杆 的水平 间距和 纵 向间距 。 对文献2 ， 9 的试件试算结果表明， 核心混凝土强度 的提 高 主要 与拉杆 的约束 系数 、 钢 管 的宽厚 比 参数尼 等因素有关。通过对文献2 ， 9 试验数据的回归分析 ， 核 心混凝土强度提高系数可表示为： f 卢 l = 1 ． 0 2 R 1 - 0 ． 0 8 6 ( 4 ． 2 + 1 ． 0 5 7 ) = { i = 1 ， 2 ( 1 2 ) I = 1 ． 0 2 ,R2 ) - 0 ． 0 8 6 ( 4 ． 2 7 ( + 1 ． 0 5 7 ) 3 建议公式的试验验证 用建议公式 ( 1 ) ～ ( 1 2 ) 对文献2 ， 9 中带约束拉杆L 形钢管混凝土短柱试件进行计算 ， 表1 给出了试件的计 算承载力与试验结果的对比 ，可见计算结果与试验结 本文在建立带约束拉杆L 形钢管混凝土短柱承载 力计算公式的过程 中， 有如下结论 。 ( 1 )在L 形钢管混凝土短柱周边钢管处设置约束 拉杆可有效改善钢管对核心混凝土的约束效应 ，改善 构件 的力学性能 ． 提高构件的承载能力。 ( 2 )将带约束拉杆 钢管混凝土短柱划分成～个 方形和两个带约束拉杆的矩形钢管混凝土柱 ， 然后根据 试验数据 ， 分别确定其钢管的纵向强度折减系数和核心 混凝土的强度提高系数而建立的该类构件的承载力计 算公式， 可对该类构件的承载能力进行有效的评估。 ( 3 )该建议公式表达式简洁 、 力学概念清晰 ， 可为 该类构件 的设计提供参考。 参考文献 [ 1 】 何振强 ， 蔡健 ， 陈星． 带约束拉杆方形钢管混凝土短柱轴压性能试验 研究[ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 6， 3 6 ( 8 ) ：4 9 — 5 3 ． [ 2 】 蔡健 ， 孙刚． 轴压下带 约束拉杆L 形钢管混凝 土短柱 的试 验研究[ J ] ． 土木工程 学报 ， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 9 ) ： 1 4 — 2 0 ． 【 3 】 何振强 ， 蔡健． 带约束拉杆方形钢管混凝 土偏 压短柱 的试验 研究『 J 】． 华 南理工大学学报 ． 2 0 0 6 。 3 4 ( 2 ) ： 1 0 7 — 1 1 1 ． [ 4 】 蔡健 ， 何振 强． 带 约束拉 杆方形钢 管混 凝土 的本构关 系【 J j ． 工程力 学 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 1 O ) ： 1 4 5 — 1 5 0 ． 【 5 ] 王丹 ， 吕两林． T 形 、 L 形钢 管混凝土柱抗 震性能试验研 究[ J 】 ． 建 筑结 构学报 ， 2 o o 5， 2 6 f4 ) ：3 9 — 4 4 ． 【 6 ] 钟善桐． 钢管混凝土结构【 M】 ． 第三版． 北京 ： 清华大 学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 7 】 G e， H．B ． ， U s a mi ， T ．S t r e s s A n a l y s i s o f C o n c r e t e F i l l e d T h i n — w a i l e d S t e e l B o x C o l u m n s【 J 1 ．J o u rna l o f C o n s t r u c t i o n al S t e e l R e s e a r c h ， 1 9 9 4 ， ( 3 0 ) ：2 5 9 - 2 8 1 ． f 8 】 S a k i n o K， N a k a h a r a H． e l a t ．B e h a v i o r o f C e n t r a l l 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 a C o l u m n s f J 1 ．J o u r n a l o f S t r u c t u r al E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4， 1 3 O ( 2 ) ： 1 8 0 — 1 8 8 ． [ 9 】 孙刚． 带约束拉杆L 形截面钢管混凝土短柱的力学性能研究 【 D 】 ． 广 州 ： 华南理工大学 。 2 0 0 8 ．