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1、橢圓鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要：近年來，橢圓鋼管以造型優(yōu)美的特點(diǎn)在橋梁、建筑等領(lǐng)域逐漸被推廣應(yīng)用。橢圓截面有強(qiáng)軸和弱軸之分，可通過調(diào)整截面尺寸提高橢圓管結(jié)構(gòu)的抗彎曲性能。論文介紹了國外關(guān)于橢圓鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究現(xiàn)狀，分別從彈性局部屈曲、后屈曲性能與設(shè)計(jì)、截面強(qiáng)度計(jì)算、抗剪計(jì)算、管節(jié)點(diǎn)及管內(nèi)填混凝土等方面展開闡述，為橢圓鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及科研提供參考。 關(guān)鍵詞：管結(jié)構(gòu)；橢圓；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；鋼管 1引言 追溯到19世紀(jì)中葉，1850年英國不列顛大橋建成開啟了空鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。土木工程最早采用矩形空管作為承重結(jié)構(gòu)，隨后逐漸引入圓形和橢圓空管。1859年，跨越塔瑪河的

2、皇家阿爾伯特橋首次采用橢圓空管作為主要的拱肋，這是橢圓管在橋梁工程中的首次應(yīng)用。隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，橢圓空管結(jié)構(gòu)發(fā)展成為工業(yè)產(chǎn)品，并成為繼矩形、圓形鋼管的新的補(bǔ)充，逐漸應(yīng)用于高層建筑、橋梁、地鐵站及機(jī)場等領(lǐng)域。目前，橢圓鋼管在國外應(yīng)用相對(duì)較多，如2003年建成的華威大學(xué)的塞曼大樓、2006年建成的蘇格蘭社會(huì)橋、2006年建成的馬德里的機(jī)場候機(jī)樓等，其承重結(jié)構(gòu)都采用造型優(yōu)美的橢圓鋼管[2]。由于缺乏橢圓鋼管方面的理論研究和設(shè)計(jì)指導(dǎo)，橢圓鋼管在中國應(yīng)用非常少，為此，論文擬總結(jié)國外橢圓鋼管結(jié)構(gòu)的理論研究和設(shè)計(jì)方法，為中國橢圓鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及科研提供參考。 2國外橢圓鋼管結(jié)構(gòu)發(fā)展及設(shè)計(jì)

3、 2.1彈性屈曲和后屈曲 橢圓鋼管軸壓彈性屈曲和后屈曲的研究集中于在1950年～1960年間，早期的研究發(fā)現(xiàn)可以用圓形鋼管的屈曲應(yīng)力來預(yù)測橢圓鋼管的彈性屈曲應(yīng)力，其中，圓形鋼管曲率半徑取橢圓截面最大曲率半徑。橢圓截面的長寬比越大，后屈曲表現(xiàn)越穩(wěn)定。隨后橢圓鋼管的彈性屈曲和后屈曲計(jì)算方法越來越細(xì)化。 2.2熱軋橢圓空鋼管截面設(shè)計(jì) 現(xiàn)行橢圓空鋼管的產(chǎn)品化程度愈來愈高，截面的尺寸范圍從150mm×75mm到500mm×250mm，厚度從4mm～16mm。截面的長寬比均為2。確定的近似公式橢圓空心截面(EHS)的幾何特性在歐洲產(chǎn)品中得

4、到了提供。EN10210-2(2006)跟蹤最新的研究成果，給出了橢圓空鋼管截面設(shè)計(jì)方法。 2.3構(gòu)件力學(xué)行為 對(duì)于軸壓構(gòu)件的截面分類，主要關(guān)注屈服前是否發(fā)生局部屈曲。達(dá)到屈服應(yīng)力的截面被認(rèn)為完全有效的截面，被認(rèn)為第1～3類(完全有效)，而當(dāng)局部是屈曲發(fā)生時(shí)達(dá)到屈服載荷，需要考慮長細(xì)比對(duì)截面的折減。現(xiàn)行研究已經(jīng)給出屈曲應(yīng)力、寬厚比、長細(xì)比的設(shè)計(jì)計(jì)算公式[3]。對(duì)于沿弱軸的彎曲，局部屈曲發(fā)生在最大曲率半徑與截面受壓最不利位置，故建議參考軸壓構(gòu)件屈曲設(shè)計(jì)。對(duì)于沿強(qiáng)軸的彎曲，局部屈曲一般不會(huì)發(fā)生在曲率半徑最大值。因此，提出臨界曲率半徑來表示。在受壓和彎曲組合作用下、受剪或彎剪

5、組合作用下，橢圓鋼管的截面分類、截面承載力已形成完善的設(shè)計(jì)方法。 2.4節(jié)點(diǎn)行為 目前已有大量文獻(xiàn)研究橢圓鋼管節(jié)點(diǎn)行為，其主要行為特征可以分為兩類：桁架結(jié)構(gòu)中使用橢圓管-管焊接和橢圓板-管焊接。橢圓管-管節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)一般先等效為矩形管節(jié)點(diǎn)或圓形管節(jié)點(diǎn)，然后按照矩形或圓形管節(jié)點(diǎn)承載力進(jìn)行計(jì)算[4]。對(duì)于橢圓板-管節(jié)點(diǎn)的計(jì)算已不能簡單等效為矩形或圓形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算[5]。 2.5管內(nèi)填混凝土 橢圓鋼管內(nèi)填混凝土后可以具有鋼管與混凝土的組合效應(yīng)。一方面鋼管壁板的變形受到管內(nèi)混凝土的約束，從而抗屈曲性能增強(qiáng)；另一方面，管內(nèi)混凝土受到鋼管的套箍作用承壓，強(qiáng)度顯著提升。 3結(jié)語 橢圓鋼管結(jié)構(gòu)的研究始于空鋼管結(jié)構(gòu)，前期研究的重點(diǎn)集中鋼管的彈性屈曲和后屈曲行為，為橢圓鋼管截面的寬厚比限值、長細(xì)比計(jì)算及截面設(shè)計(jì)提供了重要基礎(chǔ)。隨后，對(duì)橢圓鋼管的軸壓、純彎、壓彎、抗剪及壓剪組合的研究全面展開，并形成了系統(tǒng)的橢圓鋼管設(shè)計(jì)方法。桁架結(jié)構(gòu)中焊接橢圓節(jié)點(diǎn)和管內(nèi)混凝土是近期研究熱點(diǎn)。本文對(duì)國外橢圓鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)綜述，希望開拓視野，擴(kuò)大使用造型優(yōu)美的橢圓鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。