《圓鋼管(高強)混凝土壓彎構件承載力計算方法探》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《圓鋼管(高強)混凝土壓彎構件承載力計算方法探（17頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、鋼管（高強）混凝土壓彎構件承載力計算方法探討決 劉威I韓林海2堯國皇 摘 要 本文簡要論述了圓鋼管混凝土的研究現狀，介紹了 LRFD（1994）、AIJ（1997）、EC4（1996） 和DL/T5085-l999（1999）設計規(guī)程中關于圓鋼管混凝土構件的設計方法?通過對試驗數據的匯集 和分析，比較了各規(guī)程對鋼管普通強度和鋼管高強度混凝土構件的計算結果，討論了各規(guī)程設 計公式對于鋼管高強混凝土的適用情況. 關鍵詞：鋼管混凝土；高強混凝土；梁柱；承載力 V圓鋼管混凝土研究現狀 鋼管混凝土結構較鋼筋混凝土結構和鋼結構而言，是一種新的結構形式，在中國、歐州、 美國、日本.加拿大和澳大利亞

2、等國的工程中應用廣泛?高強度混凝土（世界各國對高強度混 凝土的定義有所不同.在我國，一般認為強度等級為C60及以上的混凝土為高強混凝土.本文 以.C60以上的混族土作為主要討論對象）是近年來國內外學者研究的熱門課題，用鋼管約束高 強混凝土可以有效地克服高強混凝土腌性大和延性差的弱點.使其工程應用得以實現，優(yōu)勢得 以充分發(fā)揮. 以往，對圓鋼管混凝土己有較多研究這些研究涉及圓鋼管混凝土軸壓.純彎、壓彎 構件的基本力學性能與其施工中的一些技術問題，并隨著王程的發(fā)展而深入，對工程實踐起到 了重要的指導與促進作用。Robert是較早的研究者之一⑹，當時的制造工藝還僅能應用熱軋管 作為外套鋼管，因此試

3、件的鋼管壁較厚.含鋼率達到0.3以上;Kenji叭Tsudam和王來永⑼ 分別進行了鋼管普通混凝土短柱的基本力學性能試驗；湯關祚和蔡紹懷等分別進疔了較大規(guī)模 的鋼管普通混凝土軸壓構件基本力學性能試驗‘阿⑴和鋼管普通混凝土短柱與長柱基本力學性能 試驗研究W 為圓鋼管混凝土力學性能研究奠定了基礎；韓林海進行了鋼管普通混凝土軸壓構 件的澆筑質量試驗研究⑸和鋼管普通混凝土長柱軸壓試驗.最大長細比達到154叫Lucsha⑵進 行了大尺寸的鋼管混凝土試驗研究，最大截面直徑達到1?02米，為鋼管混凝土小尺寸試驗研究 與工程應用接軌提供了依據；顧維平問、Russal Bridgeh3\韓林海MDbShed閭畫

4、.余志 武Prion何、譚克鋒冋等進行了混凝土強度（標準立方體試塊抗壓強度）在69MPa-116Mpa 1. 劉威，博士研究生，福州大學土木建筑工程學院，350002 2. 韓林海.教授，博士生導師.福州大學土木建筑工程學院.350002 3. 堯國皇，碩士研究生，福州大學土木建筑工程學院，350002 ?本項目得到福建省科技計劃重大項目（2002H007〉和霍英東教育基金（0501064）的資助范圍的鋼管高強混凝土軸壓試驗研究，這些試驗研究推動了鋼管高強混凝土的應用。純彎的試 驗研究難度較大，試驗量相對較少.目前僅收集到四位研究者的試驗數據，潘友光⑼和蔡紹懷 問進行了鋼管普通混凝土

5、的純彎試驗研究；Prion佃和Yasuo^1進行了混凝土強度為 70.12Mpa^91. 88Mpa的鋼管高強混凝土的純彎試驗研究.壓彎(偏壓)構件是最常見的構件形 式，其研究進行較多.韓林海⑸.Robert王來永⑼、湯關祚X、鐘善桐等網汽Tpykb削、 蔡紹懷呦、Matsui(2S,進行了大規(guī)模鋼管普通混凝土偏壓構件的試驗研究：MDOEhea簡泗、 Neogi(291、Kilpatrick1301 > Mathias1311 .顧維平(321、Vi jay a1331 進行了 混凝土 強度為 62. 78MPa-123. 9Mpa的鋼管髙強混凝 土偏壓構件的試驗研究。 本文結合圓鋼管混凝

6、土的研究現狀.介紹LRFDQ994)、AlJ(1997)n EC4(1996)和 DL/T5085-1999( 1999)設計規(guī)程中關于圓鋼管混凝土構件的設計方法.通過對試驗數據的匯集和 分析，比較各規(guī)程對鋼管普通強度和鋼管高強度混凝土構件的計算結果，探討各規(guī)程設計公式 對于鋼管高強混凝土的適用情況。 2. 規(guī)程計算方法概述 IH 鋼管混凝土的設計理論隨著鋼管混凝土的應用發(fā)展而不斷更新.目前已頒布多部鋼管混凝 土規(guī)程(叫 本文擬以美國LRFD(1994)l35\日本AIJ(1997)I均、歐洲EC4(1996)卩乃和中國的DL/T 5085?1999(1999)［珂規(guī)程為例進行分析，下面

7、簡要介紹各規(guī)程的設計方法： 1.軸壓構件 (l) LRFD (1994)規(guī)程冋 LRFD規(guī)程為美國鋼結構協(xié)會所制定，是考慮構件的整體穩(wěn)定，將混凝土的作用折算到鋼 材中，得到鋼材名義抗壓強度尸屮 再由心計算圓鋼管混凝土軸壓構件的承載力： (2) Ncr%Fcr (0.658心弘 人"5 式中，尸吋％+0?8妮乙為鋼材屈服極 面積，仏為混凝土橫截面面積，入為換算長細比冏。 (2) AIJ (1997)規(guī)程(如 AIJ規(guī)程采用疊加鋼管和混凝土二者承載力的辦法進行軸壓構件承裁力的計算.計算時按 不同長徑比〃0(其中，厶為構件計算長度，D為圓鋼管外徑)將柱分為長柱和短柱?當/D<12

8、時為短柱，否則為長柱。 軸壓短柱承載力的計算公式為： M= 0?85/冷 +心 (3) 進行長柱承載力的計算時，初偏心取直徑的5%,按換算長細比，分別計算鋼管和混凝土 的承載力后進行疊加.從而得到軸壓長柱的穩(wěn)定承載力. (3) EC4 (1996)規(guī)程呦 EC4規(guī)程按下式計算軸壓構件承載力： (0.877/穢)％ 2. >1.5 ?? 限，卅為混凝土圓柱體抗壓強度.仏為鋼管橫截i 柱體抗壓強度; +(i + 7(〃d)cz； /A))4A ? a 為混凝土 換算長細比和偏心率有關的系數；x為軸壓穩(wěn)定系數，和換算長細比幾及截面有效彈性剛度(幾 有關叫 (4) DUT508

9、5-1999( 1999)規(guī)程阿 -449- 我國DL/T5085?1999規(guī)程采用如下方法計算圓鋼管混凝土軸壓構件承載力； N孑帝q (5) 式中0為穩(wěn)定系數，和構件長細比;、截缶含鋼率、鋼材和混凝土強度有關削；M為軸壓強度 承載力，NyAg 其中，蟲務為圓鋼管混凝土橫截面面積(仏孑兀D?/4)，弘 為圓鋼管混凝土軸 壓強度指標.按下式計算： 心=(L212+6bGFMk (6) 式中，耳= 0.175幼/ 235+0.974； ^ = -0303% / 20+0.0309：歹為約束效應系數， 仏為混凝土軸心抗壓強度標準值：a =人/血,為截面含鋼率；心4L/D,為 構件

10、長細比。 2.純彎構件 (l) LRFD (1994)、AIJ (1997)規(guī)程⑶冏 LRFD (1994)和AIJ(1997)規(guī)程在計算圓鋼管混凝土純彎構件承載力時采用了類似的計 算公式.即忽略混凝土對構件抗彎能力的貢獻，僅考慮鋼管的作用，計算公式如下： 式中Z為鋼管截面塑性抵抗矩。 (2) EC4 (1994)規(guī)程創(chuàng) EC4 (1994)規(guī)程按下式計算純彎構件承載力： M. =0.9N /；[ sinV—(l-Q/2)(D-2)sin*] 式中，&和夕取決于截面中和軸距受壓區(qū)邊緣的距離刖，p = 0?91人 (3) DL/T5085? 1999(1999)規(guī)程㈣ DLV

11、T5085-1999規(guī)程采用如下公式計算純彎構件的承載力： ^1=% 爐jenj^cy 式中必一抗彎承載力計算系數，人=-0.4047 + 1.7629肓； %m—構件截面抗彎模量，D3/32? 3.壓彎構件 計算圓鋼管混凝土壓彎構件承載力時，LRFD (1994〉. EC4 (1996)和D1/T5085-1999( 1999) 均采用了相關方程的方法? AIJ (1997)采用疊加鋼管和核心混凝土承載力的方法。各規(guī)程采用 的設計方法簡要介紹如下： (1) LRFD (1994)規(guī)程冏 (10) LRFD (1994)規(guī)程釆用兩段直線形式的相關方程計算壓彎構件的承載力； jN

12、/Mr + 8M/(9Mg NIN宀 02 [n/QNcO + M/MuG N/NcrvO.2 式中，和胚分別按式(1)和式(7)確定. (2) AlJ (1997)規(guī)程冏 (Ila) ⑴b) (11c) (Hd) M分別為混 AU規(guī)程采用如下方法計算壓彎構件的承載力： 對于短柱，當N&N或血M?時N=N 當 N 或 時 NQV + 州 對于長柱，當阻M或 心7訂帕時N訶 M現(1?屮/NJ+cM： 當 N>N 或 時 NWN +N M^gNJNJ 式中入為混凝土的抗壓承載力，和"分別為混凝土和鋼材承擔的軸力.比和， 凝土和鋼材承擔的彎矩，M為等效歐拉臨界力卩叫 甌為極限彎

13、矩，按式(7)確定. EC4 (1996)規(guī)程阿 _ 44 EC4規(guī)程提供的相關方程形式為曲線形式.其表達式為 N = N^i 一 (屆一 Jh - 4b)M/ M - 4b(M/ 必丫 ] (12) 式中，為、馭、匕為計算系數卩7】，N“和％分別按式(4)和式(8)確定。 ⑷ DI/T50854999 (1999)規(guī)程(呵 驗算壓彎構件的承載力時，DLTT5085-1999 (1999)規(guī)程采用以下曲線形式的相關方程： 1)當 N/A&Q.2(p 弘時 N KM , 小、 + —2——<1 (13a) 兀 1.071陸 2)當 N/A^< 時 N <1 (13b

14、) 1?4叫陸 式中，心?考慮二階效應對彎矩的影響系數，心=1/(1?0?4N/Ne)；隆-歐拉臨界力網。 3. 圓鋼管混凝土計算方法比較 以下采用各設計規(guī)程進行計算時，材料指標均取標準值進行. 表1.表2和表3分別給出了不同規(guī)程對圓鋼管混凝土軸壓.純彎和壓彎(偏壓)構件承 載力計算結果(M)與試驗結果(M〉比值的平均值(“)和均方差(小?；炷翉姸确秶狠S 壓構件 9.62Mpa~I23.6MPa,純彎構件 34.41Mpa?91.88MPa,壓彎構件 22.5Mpa?123.9Mpa。 我國混凝土結構設計規(guī)程在原規(guī)程的基礎上適當提高了設計所采用的混凝土強度等級，對 于混

15、凝土強度指標的規(guī)定，調整了軸心抗壓強度標準值與立方體抗壓強度標準值之間的折算關 系(391 本文應用DL/T5085J999對鋼管混凝土構件承載力進行計算時，分別釆用我國混凝土結構 原設計規(guī)程剛和新規(guī)程剛中關于軸心抗壓強度標準值的規(guī)定進行計算，計算結果分別用 DL/T5085-1999(1999)(原)和 DL/T5085-1999( 1999)(新)表示. 對于軸壓構件，DL/T5085-1999 (“=0.954, <7=0.153)與試驗結果相比稍偏于安全且符合 較好，EC4(“=0.824,

16、=0.671, a =0.110) 的計算結果則最為安全。對于LRFD規(guī)程、AIJ規(guī)程和EC4規(guī)程，設計公式對鋼管普通混凝土 和鋼管高強混凝土的計算情況比較接近，鋼管普通混凝土的計算結果與總體結果接近且略高， 但差別在0.8%之內，高強混凝土的計算結果比總體結果偏低，差別分別為2.5%、1.5%、0,對 于DL/T5085-1999規(guī)程，計算值與試驗結果的總體差別在5%之內，但其對于鋼管普通混凝土和 鋼管高強混凝土的計算差別比較大，鋼管高強混凝土計算結果比鋼管普通混凝土高10%,而且 高于試驗數據的總體結果，這表明DLVT5085-1999規(guī)范對于鋼管高強混凝土軸壓構件的計算偏 于不安全。采用

17、新的混凝土結構設計規(guī)程中混凝土軸心抗壓強度標準值的規(guī)定，用 DL/T5085.1999規(guī)程進行鋼管混凝土承載力計算，發(fā)現混凝土強度標準值的調整對于鋼管髙強 混凝土的計算結果影響較大，使鋼管高強混凝土的計算值有明顯下降，與鋼管普通混凝土的差 別減小到旅以內，且計算結果略偏于安全。 對于純彎構件，DLTT5085-1999 (“ = L017, a =0.112)的計算結果與試驗結果最為吻合, EC4 (“=0.754,

18、凝土的作用，對于鋼管高強混凝土計 算值就更為安全，EC4規(guī)程對于鋼管高強混凝土的計算值亦比鋼管普通混凝土更為偏于安全， DL/T5085-1999規(guī)程對鋼管高強混凝土和鋼管普通混凝土的計算差別較小。若采用混凝土新規(guī) 范的混凝土強度指標，則DL/T5085-1999規(guī)程計算結果對于高強混凝土略有下降，與試驗數據 吻合良好且略偏于安全。 對于壓彎構件，DL/T5085J999 (“=0.936, o*=0.176)計算結果與試驗結果最為吻合，AIJ (“=0.787, 嚴0?211)、EC4 (“=0/772, a =0.142)與 LRFD (“=0.741, <7=0.194)計算結果 與試

19、驗結果相差較大且偏于安全。AIJ規(guī)程與EC4規(guī)程對鋼管普通混凝土和鋼管高強混凝土的 計算差別不大，在4%以內，LRFD規(guī)程的這種差別較大，達到20%,但對普通與高強鋼管混凝 土的計算都是安全的，DL/T5085-1999規(guī)程的這種計算差別雖然比LRFD規(guī)程小，在16%左右, 但它對于鋼管高強混凝土的計算偏于不安全，采用混凝土新規(guī)范的混凝土強度指標，這種差別 減小到10%以內，且計算均偏于安全。 需要說明的是.各種規(guī)范具有不同的適用范圍，構件的承載力指標也會有所差異.此外. 不同研究者在試驗中對試件承載力的取值標準也有所不同.因此，上述的比較結果僅供有關工 程技術人員在應用這些規(guī)程時參考和判

20、斷. 表1軸壓構件承載力比較結果 規(guī)范 LRFD(1994) AIJ(1997) 編號 “ <7 〃 O EC4(1996) DL/T(1999X 原) DUT(1999X 新) 數據 數目 數據 來源 1 0.587 0.072 0.592 0.074 0.761 0.087 0.794 0J26 0.786 0.119 45 [1] 2 0.670 0.015 0.674 0.015 0.881 0.026 0.941 0.039 0.923 0.031 10 [2] 3 0.626 0.037 0&8

21、0.037 0.880 0.035 0.864 0.096 0.841 0.071 12 ⑶ 4 0.826 0.051 0.634 0.046 0.783 0.047 0.830 0.067 0.827 0.064 11 (4] 5 0.701 0.067 0.651 0J60 0.883 0.181 0.975 0.070 0.964 0.068 3 [5】 6 0.768 OJ15 0.735 0.098 0.842 0.092 1,085 0.262 1.076 0.257 12 7 0

22、.831 0.027 0.680 0.136 0.904 0.074 1.172 0.101 L156 OJOO 6 ⑺ 8 0.693 0.090 0.678 0.191 0.760 0.111 0.896 0.196 0.889 0J90 36 [8] 9 0.880 0.085 0.893 0.086 L087 0.105 L274 0.123 L222 0J24 3 [9] 10 0.730 0.056 0.752 0.095 0.857 0.058 0.997 0,078 0.989 0.

23、079 22 (10] 11 0.682 0.084 0.691 0.097 0.831 0.075 0.933 0,116 0.925 0J14 75 [11】 12 0.704 0.039 0.610 0.105 0.732 0.047 L012 0J17 0.982 0.113 10 [12] 13 0.643 0.000 0.648 0.000 0.791 0.000 0.979 0.000 0.918 0.000 2 [B] 14 0.756 0.081 0.762 0.081 0.981

24、 0.107 L095 0.089 1.039 0.090 21 [14] 15 0.721 0.070 0.726 0.070 0.949 0.096 1.008 0.107 0.983 0.093 31 [15] “ <7 〃 bpd -452 一 16 0.658 0.078 0.664 0.078 0.808 0.105 1.033 0.053 0.938 0.107 18 [16] 17 0.626 0.084 0.631 0.085 0/785 0J03 0.854 0.132 0

25、.874 0,111 28 [17] 18 0.622 0.033 0.634 0.033 0.745 0.047 0.996 0.043 0.899 0.046 6 [18] 19 0.601 0.056 0.608 0.057 0.741 0.065 0.955 OJ53 0.842 0.118 13 [19] 20 0.602 0.042 0.614 0.030 0.725 0.050 L020 0J06 0.873 0.061 22 [20] 總計 0.678 0.096 0.671 0.11

26、0 0.824 0.111 0.954 0.153 0.918 0.144 386 普通 0.683 0.099 0.674 0J16 0.824 0.103 0.925 0J58 0.912 0.153 260 — 高強 0.661 0.089 0.661 0.092 0.817 0.130 L014 0.115 0.929 0.118 126 ■ ■ 表2 純彎構件承載力比較結果 規(guī)范 LRFD(1994) Al J( 1997) EC4(1996) DL/T( 1999)(

27、 原) DL/T( 1999)( 新) 數據 數目 數據 來源 編號 a <7 a CT a 1 0.823 0.048 0.823 0.048 0.886 0.050 1.048 0.061 1.048 0.061 3 [21] 2 0.652 0J43 0.652 0.143 0.804 0」42 0.951 0.168 0.951 0J68 2 [22] 3 0.505 0.033 0.505 0.033 0.659 0.043 0.904 0.021 L052 0.068

28、4 [18] 4 0.613 0.025 0.613 0.025 0.714 0.024 1J12 0.072 0.889 0.023 3 [23] 總計 0.652 0.143 0.652 0.143 0.754 0J08 1.017 0J12 0.994 0J 12 ■■ 普通 0.794 0.085 0.794 0.085 0.853 0,091 1.010 0J08 L010 0J08 5 高強 0.551 0.064 0.551 0.064 0.683 0.044 1.023 0.12

29、2 0.982 0.101 7 表3 壓彎構件承載力比較結果 規(guī)范 LRFD(1994) AIJ(1997) EC4( 1996) DL/T( 1999)( 原) DUT(1999X 新) 數據 數目 數據 AWT 編號 a A a A a a a 來源 1 0.746 0.129 0.764 0.136 0.802 0.085 0.869 0J38 0.870 0J38 41 [24] 2 0.814 0.145 0.831 0.219 0.781 0.123

30、 0.905 0.142 0.905 0J42 62 [25] 3 0.837 0.110 0.665 0.099 0,621 0J34 0.901 0.117 0.898 0.116 45 【26] 4 0.696 0.159 0.848 0.221 0.792 0.071 0.880 0.138 0.861 0J49 41 [27] 5 0.642 0.091 0.803 0.216 0.816 0.052 0.821 0J11 0.815 0J11 8 [11] 6 0.537 0.089

31、0.590 0.038 0.699 0.026 0.694 0.097 0.686 0.096 7 [5] 7 0.833 0.175 0.761 0.076 0.799 0.089 1.051 0」86 1.037 0,184 18 [28] 8 1.064 0479 1.208 0.595 1」03 0.487 0J07 0.454 1.098 0.449 6 [6] 9 0.644 0.069 0.902 0.141 0.926 0.107 0.900 0.080 0.863 0.080 14

32、 [9] 10 0.414 0J17 0.690 0.058 0.799 0.075 0.891 0.056 0.818 0.060 16 [16]  11 0.767 0.239 0.843 0.267 0.758 0.133 0.981 0.113 0.956 0J26 18 [29] 12 0.791 0.131 0.755 0.158 0.686 0.042 L072 0」20 1.036 0.122 15 [30] 13 0.884 0.023 0.619 0.016 0.775 0.02

33、0 L372 0.035 L306 0.034 3 [31] 14 0.714 0.111 0.886 0J41 0.847 OJ32 0.953 0.138 0.895 0.129 9 [32] 15 0.693 0J73 0.785 0.287 0.771 0.060 0.220 L113 0203 18 [33] 16 0.377 0.131 0.719 0.034 0.783 0.053 1.025 0.053 0.869 0.044 7 [20] 總計 0.741 0」94 0.787

34、 0,211 0,772 0J42 0.936 0J76 0.915 0J69 328 普通 0.766 0.182 0.793 0.215 0577 0.152 0.908 0.158 0.898 0.159 262 — 高強 0.640 0,210 0.764 0.196 0.749 0.091 L051 0.196 0.981 0.196 66 4?結論 本文通過對386個圓鋼管混凝土軸壓構件，12個純彎構件，和328個壓彎構件試驗數據的 比較，發(fā)現DL/T5085?1999(1999)規(guī)程計算結果與試驗結

35、果的整體符合最好，EC4(1996)規(guī)程的 計算結果與試驗結果比較接近；AIJ(1997)規(guī)程和LRFD(1994)規(guī)程的計算最為安全；對由強度 60MPa?i24MPa組成的鋼管高強混凝土軸壓、純彎和壓彎構件試驗結果的比較分析表明.上述 規(guī)程基本適合進行鋼管高強混凝土壓彎構件的設計計算。 參考文獻 1. 2. 3. 4. 5? 6. 7. & 9. 10. 11. 蔡紹懷，焦占栓.鋼管混凝土短柱的基本性能和強度計算的研究.鋼管混凝土結構的強度 計算.北京:中國建筑科學研究院結構所，1984 Luksha, L. K?，and Nesterovich, A. P?

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52、和國建設部.GBJ10-89混凝土結構設計規(guī)程.北京：中國建筑工業(yè)出版社? 1990 中華人民共和國國家標準GB50010-2002.混凝土結構設計規(guī)范.北京：中國建筑工業(yè)出 版社,2002 Calculations of (High Strength) Concrete-Filled Steel Tabular eam-Columns with Circular Sections Liu Wei Han Lin-Hai Yao Guo-Huang Abstract: The research situations of concrete-filled steel tubes wi

53、th circular sections, and the design provisions of LRFD (1994), AIJ (1997), EC4(1996), and DI/T5085-1999 (1999) are generally introduced in this paper. The feasibility of these codes on high strength concrete-filled steel tubular beam-columns are discussed, based on the comparisons between calculated and experimental results* Keywords: concrete^filled steel tube； high strength concrete； beam-column； bearing capacity -455 -