高强钢管混凝土核心柱轴压短柱的承载力研究

锕一混凝土姐舍结构　高强钢管混凝土穰心柱轴压短柱的承栽力研究　幸坤涛赵国藩　太连１１６０２３）　（大连理工大学土建学院岳清瑞　（国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心摘要北京　１０００８８）　利用最值分析方击对高强铜营混薹土植　短柱（Ｌ／Ｄ＜４）在轴　受压时的荷羲一吏开ｊ关未由斑进行了奎过程分析。用　以往试验结果进行鞋证．由台良好。并分析ｊ铜量垂箍指标　铜管强度和混凝土强度对轴压承戴力的彰响。ｉ后提出ｊ高强混薹　土拉　短柱轴心受压强度承氧力的简化计耳套式。　关■词高强钢管混薹土　植　柱垂箍指标延性　琅戎力　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　ｏＮ　ＢＥＡＲｌＮＧ　ＣＡＰＡＣｌＴＹ　０Ｆ　ＡＸｌＡＬＬＹ　００ＭＰＲＥ菇ｌＥＤ　ＳＨｏＩｔｒｒ　Ｃ０ＲＥ　ｃｏＬＵＭＮ　ＷｌＴＨ　ＨＩＧＨ　ＳＴＲＥＮＧＴＨ　ＣｏＮＣＲＥ　Ｅ　ＦＩＬＬＥＤ　ＥＬ　ＴＵＢＥ　Ｘｌｎｇ　Ｋｔｓｑｔａｏ　Ｚｈａｏ　Ｇｕｏｆａｎ　【Ｄｅ　０ｆ　Ｃｉｍ［Ｅｎｇｉｎ￣ｒｉｎｇ．ＤＵ　Ｉ、Ｄａｌｉ￣Ｙｕｅ　Ｑｉｎｇ［ｕｉ　（Ｎａｔｉｏａｆｌ　Ｅｎｇｌｎ￣ｆｉｎｇ　Ｒ…１１６０２２；）　ｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｎ　Ｄｉａｇｎ￣ｌｓ　ａ力ｄ　Ｒｅｈｅｈｉｌｉｌａ＇ｄｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｍｎ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０Ｄ０８８　＆ＢｇｌｒＲＡｉＴＩ＂　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．ａ　ｎ￣ｅｎｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ａｌ￣ｆｉｅｄ　ｒ　ｔｈｅ　【…ａｎ０Ｊｙｓｉｓ　ｏｆ￣ｍｐｌｅｔｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｌａｄ—ｄｅｆｏｍｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｅｈｓｖｉｏｒ￣　０ｆ　ｓｈｏｒｔ　ｃｏｒｅ　ｅ０１ｕｍｎ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ…Ｄｒａｖ　ｔｏ　ｈｅ　ｆｉｔｔｉｎ￣ｗｉｔｈ　ｔ｝＿。６ｅ　ｄｅ　ｆｉｌｌｅｄ　【ｔｕｂｅ　ｓｕｈｊ￣ｔｅｄ　ｔｏ　ａｘ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒ皓　ｂ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ￣ｄｙｓｉｓ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｆｏｙｅｒ　ｔ皓ｔ　Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｐａｒａ∞　￡　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃ￣ｔｅｉｔｙ　０ｆ￣ｉａｌｌｙ　ｅｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ａ代　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ　ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ　ｏａｌｃｕｌａｔｉｎｇｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ【　ｆ…ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ　ＨＳＣＦＳＴ　。０【ｕｒ［Ｉ】】　￣ｒｄｉｎｅ　ｒａｔｉｏ　【ｕ【ｒｍｗｉｔｈ　ＦＩＳＣＦＳＴｉｓ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．　ｂｅａｎｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｄｕｃｔｌｈｔｙ　高强混凝土（ＨＳＣ，在我国一般指立方体强度等　级大于６０　ＭＰａ）是当前混凝土发展的方向之一。它　的主要优点是抗压强度高，抗腐蚀性能好，可节约水　泥，减小构件截面面积和结构自重。在我国　强度等　级为Ｃ６０－－Ｃ８０的高强混凝土，已开始广泛应用于　高耸、高层、大跨和地下工程结构等，效果十分显著。　为促进高强混凝土的应用，我国已颁布了相关规范　（高强混凝土结梅技术规程＞（ＣＥＣＳ１０４：９９）　然而高强混凝土与普通强度混凝土相比，脆性　圈【高强混凝土与普通强度混凝土的受医应力应变曲线　Ａ—Ｃ８０；Ｂ　Ｃ６０；Ｃ—Ｃ４０；Ｄ—Ｃ２０　大，延性差，应力应变曲线的上升段接近直线且较　陡，而下降段与普通强度混凝土相比则差别较大，其　下降度随着混凝土强度增大而更陡，如图１所示。　这就阻碍了高强混凝土的工程应用，尤其在复杂应　力状态下，将由脆性控制，可靠性大大降低。　为改善高强混凝土的延性，在高强混凝土柱中　增设一圆钢管，组成钢一高强混凝土组合柱的形式，　如图２所示。以钢管混凝土为核心的高强混凝土柱　图２高强钢管混凝土核心柱　１核心铜管混凝土；２钢舾混凝土　是将高强混凝土的优点与钢管混凝土的优点结台起　来，以改善柱的延性，提高柱的承载能力　也使得高　强混凝土的实际工程应用得以实现，经济效果得以　充分发挥。这种形式的组合柱已在辽宁物产大厦得　第一作者：幸坤涛男１９７３年ｌ１月出生博士研究生　收犒日期：２００１—０８一ｌ５　捆蛄抽２００２丰摹ｌ期摹ｌ７喜甚摹５７期　维普资讯 http://www.cqvip.com

幸坤哥，等：高强钢管混凝土核心柱轴压短柱的承最力研究　到应用，在文献［１］中进行　试验验证，但缺乏与我　载一变形关系全曲线。由于钢管和混凝土的应力应　国国家标准＜混凝土结构设计规范）（ＧＢ］１０—８９）相　协调的设计方法和相应的抗震性能研究。由此可　见．对高强钢管混凝土核心柱轴压短柱的承载力研　变关系中已包含了紧箍效应．因此在组合荷载一变形　关系中也包含了紧箍效应。　利用上述方法可以计算高强钢管混凝土核心短　柱轴心受压时荷载一变形全过程关系曲线，如图４所　刁　ｃ　究具有重要的意义。本文利用数值分析方法对高强　混凝土核　ｔｌ－短柱（Ｌ／Ｄ＜４）在轴心受压下的荷载一　变形关系曲线进行了全过程分析，探讨了其工作机　理。　１轴压荷载－变形关系曲线全过程分析　文献［２、３］确定了钢、钢管混凝土、外围约束混　凝土的本构关系模型。在此基础上利用数值分析方　法对高强混凝土核心短柱（Ｌ／Ｄ＜４）在轴心受压　时的荷载一变形关系曲线进行了全过程分析计算，采　用图３所示框图。　图４轴压典型Ｎ一￡全曲臻　Ｉ】　ｎ【ｘ　ｍ【Ｉ　０∞６　Ｄ［ｘ　００１０　庸变　（１）弹性阶段（ＯＡ）　在此阶段，钢管与混凝土均处于弹性工作状态，　Ａ　大致相当于钢材进入弹塑性阶段的起点　（２）弹塑性阶段（ＡＢ）　ｚ鑫　々　３　２　２　ｌ　ｌ　ｚ蠢　进入此阶段后，核心混凝土在纵向压力作用下．　微裂缝不断扩展。Ｂ点时．钢材一般进入弹塑性阶　段一　㈣跏　湖　葶ｌ。　（３）塑性下降段（Ｂｃ）　钢管进入塑性阶段屈服后，混凝土开裂破坏，套　箍指标越大下降段越平缓。　利用上述方法对钢管混凝土轴压短柱进行了荷　载一变形曲线全过程计算，并与文献［４］所作试验进　行比较，如图５所示，理论曲线与试验曲线吻合良　好．　图６为截面尺寸相同的高强混凝土柱（不带钢　管）与核心柱的全过程曲线比较，从图中可见，增加　钢管后高强混凝土柱的承载力与延性都有所提高。　图３而载变形关皋计鼻框图　为计算方便，将截面划分为外围混凝土、钢管混　凝土、钢筋三部分。求解时，首先给定一个纵向应变　ｅ，由钢管和混凝土的应力应变关系可求得各部分相　应的纵向应力％然后根据应力求出截面各部分内　力Ｎ　满足内外力平衡条件Ｎ＝　截面总的内力Ｎ。　然后，给出下一步应变增量△ｅ　，ｅ…＝ｅ　＋　Ｎ　，最后求出　图５计算结果与宴测结果的比较　计算值；一－宴测值　△ｅ　根据以上步骤求出相应的截面内力Ｎ。以此类　推，可绘出高强钢管混凝土核心柱轴心受压时的荷　ｓｔｅｄ　ｃｏ　ｎ】ｃ“∞．２００２　Ｃｔ），Ｖｏｌ　１７．Ｎｏ．５７　２影响构件承载力的因素　利用上述方法，探讨了影响高强钢管混凝土核　１９　维普资讯 http://www.cqvip.com

锕一混凝土组合结构　０００　截面尺寸为２００ｒａｍ×２００ｍｍ。　ｊ赫豫叵尊　（１）混凝土强度对承载力的影响　不同混凝土强度的荷载一变形关系曲线如图７ａ　０００　所示，可见混凝土强度越高，承载力越大，但延性越　差。　ｌ１　０．￣Ｏ２　ｎＯＯ４　Ｏｎ　ｌｌ１１ｏ８　ｎ『１ＩＩ】　（２）钢管强度对承载力的影响　应壹　不同钢管强度的荷载一变形关系曲线如图７ｂ所　示，町见钢管强度越高，承载力越大，延性越好。　图６棱心柱与高强混凝＿十柱比较　■卜棱心柱；＋高强混凝土柱　（３）钢管混凝土套箍指标对承载力的影响　不同钢管混凝土套箍指标的荷载一变形关系曲　线如图７ｃ所示。可见随着钢管混凝土套箍指标的　增加，承载力增加，延性越好。　心柱轴压短柱承载力的因素，主要有混凝土强度、钢　管套箍指标和钢材的强度等，如图７所示。其中　Ｚ　２　５ＯＯ　蟊２㈣　章ｌ　Ｉｌ　毒ｌ　ｃ＇０　ｎ‘ＸＨ　ＩＨｍ６　（　Ｉ　Ｉ）』）ｌ０　眦　０　０．００￣０ＯＯ４（ＨＸｂ（●』　ｍ　０．０１０　戌变　ｆ　应变　）　图７轴压荷载变形关乐曲线　（ａ］　＝３６４　ＭＰａ．Ｄ×　＝６５　ｘ　２；（ｂ）一，　ｌ—ｆ　：　８０　ＭＩ　ａ，Ｄ　ｍ　ｆ＝６５　ｘ　２；（ｃ）　＝３６４　ＭＰ丑，　：８０ＭＰａ　ｚ　，蒋埠星幂　ＭＰａ；２　ｊ　＝８４．８ＭＰａ；３　ｉ　＝９１．３ＭＰａ；４　ｆ　＝１０１　ＭＰａ；５一ｆ　＝２５４ＭＰａ；　０．５５４；８　＝Ｉ）８５７；９　１　１８；１０一　１－５２　６一＾＝３６４　Ｍｐ￣；７　３轴压短柱的承载力简化计算　按照普通钢筋混凝土承受的最大荷载可近似取　为　混凝土套箍指标，垂＝　Ｊ　；Ａ　为钢管截面面积；　为钢管屈服强度。　表１给出按式（１）．式（２）和本文全过程分析方　Ｎ　＝Ａ　２２Ａ　（１）　法计算的结果，从表中可见简化计算的结果（按式　（２）计前。）与本文全过程分析结果吻合良好。式（１）　汁赞的结果偏小，因为没有考虑钢管套箍效果的影　响、　式中，Ａ．为混凝土净面积；Ａ　为钢管横截面　面积；ｆｏ为混凝土抗压强度，ｌ厂ｃ＝０．６７ｆｏ　；　为钢　的屈服强度。　全过程分析从理论上描述了高强钢管混凝土核　心短柱轴心受压时的工作性能，为ｒ便于实际应用．　４结论　（１）高强钢管混凝土核心短柱在轴压荷载作用　下的力学性能随着套箍系数的不同有很大差异。　在对钢管高强混凝土核心柱轴压荷载变形全过程　关系曲线分析的基础上，提出了高强钢管混凝土核　ｔＬ，短柱轴心受压强度承载力的简化计苒方法，根据　文献［４］有：　Ｎ。：Ａ　ｌ，ｄ＋Ａｏ．ｆ￣（１＋１、８垂）　（２）　（２）由于钢管的有效约束，高强混凝土的延性得　到改善　（３）本文理论计算的高强钢管混凝土核心短柱　在轴压荷载一变形全过程曲线和试验结果吻合良好。　基于全过程分析结果导出的高强钢管混凝土核心柱　式中，Ａ　ｌ为外围混凝土面积；ｆｃ。为外围混凝　土强度，ｌ厂ｒｌ：０．６７ｌ，　ｌ；Ａｃ２为钢管混凝土面积；　为钢管混凝土抗压强度，　＝０．６７　ｕ２；垂为钢管　轴压强度承载力计算公式与全过程分析结果近似，　可供工程应用时参考。　钢蛄构２００２丰第１期第１７卷总第５７期　维普资讯 http://www.cqvip.com

幸坤寿．等：高强钢管混凝土桩，　柱轴压短柱的承载力研完　抗震性能的试验研究．见：高强与高性能混凝土及其应用第三届　参考文献　１赵国藩，张德娟。黄承逵．钢管混凝土增强高强混凝土柱的抗震　性能研究大连理工大学学报，１９９６．３６（６）：７５９～７６６　学术讨论会论文集．１９９８　蕖绍怀．焦占拴复式钢管混凝土柱的基车性能和承蓑力的计　建筑结掏．２０００，３０　锋建筑结构学报，１９９７，１８（６）：２０～２５　２韩林海，钟善桐．钢管混凝土力学．大连：太连理工大学出版社．　１９９６　６　刘水掭，王祖华．高层建筑下部重载柱设计（６）：３７～４０　３陈肇元，束金诠。吴佩刚．高强混凝土及萁应用出版社．１９９２　北京：清华太学　中国土木工程学会高强混凝土委员会．高强混凝土结掏设计与　施Ｊ　指南北京：中国建筑工业出版社．１９９４　４张蒜娟，赵国藩．黄承逵以钢管混凝上为棱心的高强棍凝土柱　ＣＥＣＳ２８：９０钢管混凝土结掏设计与施工规程ｌ９９１　“第二届全国现代结构工程学术研讨会”征文　受中国建筑金属结构协会和中国铜结构协会委托．由天律大学主　，清华大学，浙江大学、北京工业大学协办的第二届现　代结构学术研讨会定干２００２年７月在天津召开。率姨会议碍围绕新型结构及预应力铜结构的分析设计和工程应用理论．结　台２００８年北京奥运会体育场馆建设的需要，谦＾研　开创性、高斟技的建筑铜结构体系和环保节能的结构新材料论述具有　、，民族特色和世人为车的奥运场馆建筑结构风格．为“人趸奥运，绿色奥运、科技奥运　献计献策曲论文，叠议论文集将以棱ｌ。学术期刊增刊的形式出版。学术研对　客主要有：　。提交的话文应为束公开发表　（１）新型结构体秉；（２）现代ｊ甄应力空间结构分析与琏计理论；（３）预应力铜结构在大跨度结构中的应用；（４）体育场馆铜结　构设计和施工技术；（５）索膜结构和轻型空间结构体幕及其在体育蝎馆中的应用；（６）计算机技术在新型结构厦预应力钢结构　分析中的应用；（７）新型高强度结构钜材的研究和工程应用＝　日程安排：　２００２军３月３１日前用Ｅ　ｍａｉｌ送竞电子ｘ件垒文，全文应田２名具有高级职称的专家或１名车学术委员会的垂晶推荐＝　如不用Ｅ－ｍａｉｌ时，也可用３　５寸磁盘或光盘寄来，不具备越上条件古可寄打　日垒又。论文主题应严格符合学丰研讨会内客兽　Ｅ．ｍａｉ【地址　ｉｌｉａｎ　００２＠ｙａｈｏｏ　ｃ０ｍ　ｃｎ　２００２年６月　１日前发出具体喜议日程厦安排　Ｓｔｅｅｌ　ｃ０ｎ　几１ｃｔｉ０Ｉ１．２００２（１），Ｖｏｌ　１７．Ｎｏ．５７　２１