方形薄壁钢管轻骨料混凝土短柱的承载力

1、方形薄壁钢管轻骨料混凝土短柱的承载力 第 27 卷第 2 期 2010年 6 月 建筑科学与 Journa1ofArchitecture 工程 andCivilEngineering VolI27NO.2 June2010 文章编号：16732049(2010)02- 0083 06 O 方形薄壁钢管轻骨料混凝土短柱的承载力 肖海兵 .,赵均海 ,孙珊珊,周蓉 (1. 长安大学建筑工程学院,陕西西安 710061;2.武汉市建筑设计院 ,湖北武汉 430014) 摘要 ：采用双剪统一强度理论 ,综合考虑方形薄壁钢管的局部屈曲效应以及轻骨料 混凝土-3普通混 凝土多轴强度准则差异的影响 ,推导出

2、了方形薄壁钢管轻骨料混凝土轴压短柱的 极限承载力计算 公式 ,同时分析了拉压比 ,材料强度参数 ,宽厚比和混凝土强度对极限承栽力的影 响.结果表明 :该 计算结果与文献试验结果吻合良好 ,验证了公式的合理性 ;该结果为方形薄壁钢管 轻骨料混凝土轴 压短柱的承载力分析计算提供了理论依据 ,具有工程参考价值 . 关键词:结构工程;统一强度理论 ;方形薄壁钢管 ;轻骨料混凝土 ;极限承载力 中图分类号 :TU529.59 文献标志码 :A BearingCapacityofShortColumnofLigh ConcretefilledSquareThin-walled tweightAggrega

3、te SteelTube XIAOHai bing ,ZHAOJu n hai.SUNShar sha n.ZHOURo ng (1.SchoolofCivilEngineering,ChanganUniversity,XiSKI710061,Shaanxi,China; 2.WuhanArchitecturalDesignInstitute,Wuhan430014,Hubei,China) Abstract:Based0I1thetwinshearunifiedstrengththeory,consideringtheeffectsoflocal bucklingofthesquarethi

4、nwalledsteeltubeandthemulti axialstrengthcriterionforlightweight aggregateconcrete,thecalculationformulaeofultimatebearingcapacityofshortcolumnof lightweightaggregateconcretefilledsquarethin walledsteeltubewerededuced,meanwhile.the influencesoftension compressionstrengthratio,materialstrengthparamet

5、er,width thickness ratio,aswellasconcretestrengthontheultimatebearingcapacitywereanalyzed.Resuitssho thatthecalculatedresultsobtainedinthepaperagreewellwithtestresultsfromthereferences, anditcanverifytherationalityoftheformulae.ItcanprovidethetheoreticalbasisforcalcuIati ng thebearingcapacityofshort

6、columnoflightweightaggregateconcretefilledsquarethin wa11ed steeltube,andthissolutionhasanimportantpracticalvalueforengineeringapplications. Keywords:structureengineering;unifiedstrengththeory;squarethin walledsteeltube:light weightaggregateconcrete;ultimatebearingcapacity 引言 冷弯薄壁型钢是一种轻型材料,由于其具备卓 越的

7、结构性能及延性 ,被广泛用于别墅 ,农村建筑 , 活动房,商业建筑 ,体育场(馆)和工业厂房等轻型结 构中,通常为1层或2层川，但空心薄壁钢管柱在受 压时易发生局部屈曲而失稳.轻骨料混凝土具有自 重轻,保温,隔热,抗火性能好等优点 ,被广泛应用于 收稿日期 :20100423 基金项目 :教育部高等学校博士学科点专项科研基金项日(20040710001);陕西省 自然科学基础研究计划项目 (SJ08E04) 作 者 简介 :肖 海 兵(1984 一 ), 男, 湖 南益 阳 人, 长安 大 学工 学硕 士 研究 生, Email:mailongwan 1 63.cOrrl 84建筑科学与工程

8、2010正 工业与民用建筑 ,桥梁结构和海洋工程中 , 但轻骨 料混凝土强度低 ,塑性和韧性差 ,变形较大 ,施工工 期长,如果在薄壁钢管中浇灌轻骨料混凝土,组成薄 壁钢管轻骨料混凝土构件 ,使 2种材料在受力过程 中相互作用 ,不仅可以弥补2种材料各自的缺点 ,还 能充分发挥二者的优势 .与普通钢管混凝土相比 , 薄壁钢管轻骨料混凝土可以大幅度降低结构自重 使建筑物最大限度保持 轻质的优越性 ,从而具有 较好的抗震性能 .此外 ,在多低层建筑中 ,由于结构 构件承载力要求相对较低 ,对于普通钢管混凝土而 言，其经济效果不是很理想3.,而薄壁钢管轻骨料 混凝土结构在多低层建筑中可以充分发挥它的

9、优 势,具有较好的经济效益 .目前各国对薄壁钢管轻 骨料混凝土的研究较少 ,基本上以试验研究为 主_1,缺乏深入,系统的理论分析.为了进一步研 究薄壁钢管轻骨料混凝土的力学性能 ,使该结构体 系快速地在工程中得以应用 ,本文中采用双剪统一 强度理论 ,综合考虑薄壁钢管的薄壁效应以及轻骨 料混凝土与普通混凝土多轴强度准则差异的影响 对方形薄壁钢管轻骨料混凝土轴压短柱的力学性能 进行研究 . 1 统一强度理论 俞茂宏在双剪强度理论的基础上 ,建立了一种 全新的考虑主应力影响的适用于各种不同材料 的双剪统一强度理论 ,其数学表达式为口 F 一盯 I 一(6dz+)盯 2旦 I(1)1lu1l a 一

10、 ,6 =/:5,B fa 一,D_，一一 lc 口 s rs Irsl 式中:F,F为主应力强度理论函数,.,.为3个 主应力;a为材料的拉压比为材料拉伸屈服极限 应力为材料的压缩屈服极限应力 ;为材料剪 切屈服极限应力;b为反映中间主剪应力以及相应 面上的正应力对材料破坏影响程度的材料强度参 数 ;B 为剪应力系数 . 2极限承载力计算 2.I 考虑冷弯效应的钢板强度提高值 对于冷弯薄壁钢管而言 ,钢管经冷加工成型 ,由 于冷作用硬化的影响 ,屈服强度有所提高 ,其提高的 幅度与钢管的材质 ,截面形状 ,尺寸及成型工艺 ,加 工方式等因素有关 ,因此 ,考虑冷弯效应的钢板强度 提高值可按式

11、（2）进行计算1_1,即 El+,（2） 式中 :呀为成型方式系数 ,对于冷弯高频焊 （圆变） 方,矩形钢管,取刁一 1.7,对于圆钢管和其他开 I:1 型 钢，取77 1。为钢材抗拉强度与屈服强度的比 值对于Q235钢，取v=1.58,对于16Mn钢，取一 l.48;t为型钢的壁厚;Z为型钢截面中心线的长度, 可取作型钢截面面积与壁厚的比值 ;为型钢截面 所含棱角数 ;为型钢截面第 i 个棱角所对应的圆 周角;为钢管的屈服强度 . 2.2方形薄壁钢管的承载力 薄壁钢管混凝土是相对壁较厚的普通钢管混凝 土而言的 ,其主要差别在于薄壁钢管混凝土需要考 虑薄壁钢管的局部屈曲对构件力学性能的影响.要

12、 判断薄壁钢管发生局部屈曲的临界条件,通常采用 临界径厚比 （圆钢管 ）或宽厚比 （方钢管）来判断,但 由于受残余应力 ,初始缺陷和混凝土离散等因素的 影响,该比值很难通过试验直接加以确定 ,一般只能 得出一个大致范围 .另外,对薄壁钢管混凝上构件 的钢管屈曲时的临界径 （宽）厚比尚没有一种较好的 计算方法来求解 ,因此,各国研究者对薄壁钢管进行 计算时需考虑局部屈曲时的临界径 （宽 ）厚比差异 , 如文献1820中计算的钢管混凝土轴压下宽厚 比限值分别为 90,64,86.3.当钢管的径 （宽 ）厚比 超过其界限时 ,则需要考虑钢管局部屈曲对钢管与 核L2,混凝土组合作用的影响. 由于薄壁钢

13、管混凝土构件还处于研发阶段 ,目 前中国规范对薄壁钢管混凝土构件抗压强度的计算 尚没有做出规定 ,同时现有的计算方法种类繁多且 复杂.因此,本文中采用一种全新的计算方法 ,不考 虑薄壁钢管局部屈曲对构件力学性能的影响 ,直接 采用双剪统一强度理论进行计算 . 考虑到方形薄壁钢管轻骨料混凝土内部约束机 理的复杂性 ,参考文献21的方法,将方形薄壁钢管 等效为圆形薄壁钢管的受力情况进行分析 ,则等效 圆钢管处于轴压 ,环拉和径向受压的三向应力状态 将方钢管混凝土的钢与混凝土面积按等面积方法分 别转化为等效圆钢管混凝土的钢与混凝土面积 ,其 计算公式为 22 D2t2（一）.一丌 rf r 一 0.

14、5642D, r=0.5642（D 一 2t）L（4） 第2期肖海兵 ,等:方形薄壁钢管轻骨料混凝土短柱的承载力 式中:D为方钢管的外边长；r,t分别为等效圆 钢管的外半径 ,内半径和壁厚 . 由于等效薄壁圆钢管为薄壁圆筒 ,按文献22, 应用统一强度理论对薄壁圆筒进行分析 ,得到等效 圆钢管的内压力统一极限荷载 P 为 p 一兰 !/r 4(1+6)ri 一 2a6r+4t(), 由文献 23可知,方形薄壁钢管在轴压下的极 限承载力 ,为 Nl 一E4(1+6)r7c+4abrit. 丁(P 4(1+6)rt.7【-厂 v/(2a)(6) 2.3 核心轻骨料混凝土的承载力 近年来 ,中国许多

15、科研院校对轻骨料混凝土的 多轴强度特性和变形规律进行了大量的试验研究 , 并根据试验结果建立了相应的本构关系和破坏准 则.同时,由文献 2可知,轻骨料混凝土在三向应 力作用下应力一应变曲线有明显的应力平台区,并且 在应力平台区轻骨料混凝土的内部结构已遭到大范 围破坏,因此,在实际应用中 ,把应力平台区流塑段 作为多轴压状态下轻骨料混凝土的极限强度,这样 , 轻骨料混凝土的拉 ,压子午线相交 ,极限强度面为一 闭合的空间曲面 ,并且该空间曲面与静水应力轴相 交于两点 ,即三轴等压极限强度点和三轴等拉极限 强度点 ,这与一般认为的普通混凝土极限强度面为一 开口空间曲面的结论是截然不同的 ,因此 ,

16、根据普通 混凝土建立的强度准则已不再适用于轻骨料混凝土 . 由以上结论可知 ,钢管约束下普通混凝土的强 度计算公式并不能很好地适应于核心轻骨料混凝土 的强度计算 .因此 ,针对轻骨料混凝土 ,采用文献 24中从统一强度理论推导出的混凝土三向应力状 态下的轴向抗压强度计算公式 ,即 /一+是 l_(7) k 一(1 十 sin)/( sin)l 式中:为混凝土的内摩擦角;k的取值在1.07.0 之间,具体由试验确定 ;/为混凝土三向应力状态 下的轴向抗压强度 ;.厂为混凝土圆柱体的单轴抗压 强度为混凝土受到的侧向约束应力 . 研究表明 ,方钢管对内部混凝土的约束可分为 有效约束区和非有效约束区

17、,考虑到其混凝土的约 束计算比较复杂 ,本文中将方形薄壁钢管轻骨料混 凝土的受力情况等效为圆形薄壁钢管轻骨料混凝土 的受力情况进行分析 ,为弥补转化后圆钢管对核心 混凝土的约束效应 ,引入混凝土强度折减系数 2 ),yu 一 1.67D2.,其中D为等效圆钢管混凝土 钢管的内径 .混凝土强度折减系数 ),考虑了尺寸 效应的影响 . 轻骨料混凝土由于受到钢管的约束作用而处于 三向应力状态，并且侧向约束力为.一 P将其代人 式,同时引入混凝土强度折减系数y,得到核心 轻骨料混凝土的承载力为 N.一 A),_厂 c 一丌 ryu(厂 +kP)(8) 式中 :A 为核心轻骨料混凝土截面面积 . 2.4

18、 方形薄壁钢管轻骨料混凝土轴压短柱的极限 承载力 方形薄壁钢管轻骨料混凝土柱的轴向极限承载 力为薄壁钢管 ,核心轻骨料混凝土的极限承载力之 和,即 NN】+N2(9) 式中 :N 为极限承载力 . 将式(6),(8)代入式(9),得到方形薄壁钢管轻 骨料混凝土柱的轴向极限承载力 N 为 N 一E4(1+6)r4abr.to 兀P4X (1+6)Yit.7c_厂 v)/(2a)+丌 r),(re+kP)(10) 3 公式验算 采用文献 14,15的试验数据进行极限承载 力计算 ,试验所用的钢管考虑冷弯效应的钢板强度 提高值可由式 (2)计算得出 ,结果如表 1 所示. 表 1 考虑冷弯效应的钢板

19、强度提高值 Tab.1IncreasingStrengthValuesofSteel ConsideringCold-formedEffect 试件编号 D?f1f/MPafy/MPa?, 数据来源 1OO1O8.7229.3235.261.O26 120134.8229.3234.121.021 文献14 15O103.4223.4229.431.027 4_1Q120.8222.7227.881.023 42QI03.4222.7228.751.027 文献15 43Q93.8222.7229.381.030 44Q80.5222.7230.501.035 考虑到大多数金属类材料都有明显的

20、屈服点 , 并且韧性金属材料拉压比a一般为0.771.O0,因 此，取k 一 3.0,a一 0.8,b-1.0时式(10)的计算结果 与文献14,E15中试验结果进行比较，此时统一强 度理论退化为双剪屈服准则 ,比较结果如表 2所示. 从表 2 可以看出 ,基于统一强度理论推导的方形薄 壁钢管轻骨料 ?昆凝土轴压短柱的承载力计算公式所 得的结果与试验结果吻合良好 ,说明将统一强度理 论应用于方形薄壁钢管轻骨料混凝土柱的承载力计 算是可行的 . 86建筑科学与工程 2010阜 表 2 文献 El4,15 试验结果与本文计算结果的对比 Tab.2ComparisonsofTestResultsfr

21、omReferences14,15andCalculatedResultsinthePa per 试件编号 D/ramt/lTlmD?t1fy/MPafo/MPaN/kNNhj/kNN?N 五 数据来源 1001l0O0.921O8.70235.3l7.67376.07377.00.9975 10021OO0.921O8.70235.317.67376.O7398.00.9449 10031OO0.921O8.7O235.317.67376.07369.01.0192 10041O00.921O8.70235.322.31420.19403.01.0426 1O051O00.92lO8.702

22、35.322.3142O.19429.00.9795 10061OOO.921O8.70235.322.31420.19434.00.9682 120112O0.89134.83234.117.67476.51483.00.9866 120 一 21200.89134.83234.117.67476.51471.01.0117 文献14 12031200.89l34.83234.122.3l539.18533.01.0116 120一 41200.89134.83234.122.31539.18527.01.0231 150一 11501.45l03.45229.4l7.67823.62877

23、.00.9391 15021501.45103.45229.4l7.67823.62893.00.9223 15031501.45103.45229.417.67823.62887.00.9285 l50 一 4l501.45103.45229.422.3l9l8.31958.00.9586 15051501.45103.45229.422.31918.3l976.00.9409 15061501.45103.45229.422.3l9l8.31941.00.9759 41Q1801.49120.81228.019.291119.651082.51.0343 4-2Q1501.45103.45

24、229.0l9.29855.95943.00.9077 文献154- 3Q1351.4493.75229.022.65792.82779.81.0167 4-4Q1201.4980.54230.022.65685.74536.01.2794 注:Nhi为文献14,15中的承载力试验值. 4 影响因素分析 4.1 拉压比与材料强度参数 对于材料的承载力 ,只要确定了 a,b 的值 ,就能 得到更准确的计算结果 ,并且对于不同的外包材料 , 考虑 a,b 的影响是非常有必要的 .本文中取参数 D/t108.7, 235.3MPa,fc 17.67MPa 对 式(10)的结果进行分析，拉压比a和材料

25、强度参数 b对方形薄壁钢管轻骨料混凝土柱的极限承载力的 影响如图1所示由图I可知:当一定时，极限承 载力随b的增大而增大;当b 一定时，极限承载力随 a 的增大而增大 . 4.2宽厚比与混凝土强度 为了分析方便 ,定义 S 为方形薄壁钢管轻骨料 混凝土的承载力提高系数,S 一,/N.,其中N.为 试件名义轴压强度承载力 I_2,N.A.+A_ 厂 c,A. 为钢管的截面面积 ,-厂 5为钢管的抗压强度 ,.厂.为混 凝土轴心抗压强度标准值 .对式(10)承载力提高系 数进行分析时，取尼一 3.0,a=0.8,b 1.0, 厂y=235.3MPa,则宽厚比和混凝土强度对承载力 提高系数的影响如图

26、 2所示.由图 2可知,承载力 Z 奎 b 图1N与口 ,b的关系 Fig.1ReIationsAmongNanda.b 图2S-与DIt,fc的关系 Fig.2ReIationsAmongsIandD/t.fo 提高系数随着宽厚比的增大和混凝土强度的提高而 减小,这主要是因为随着宽厚比的增大和混凝土强 度的提高 ,钢管混凝土的套箍指标减小所引起的 第 2 期肖海兵 ,等 :方形薄壁钢管轻骨料混凝土短柱的承载力 87 5 结语 (1) 基于双剪统一强度理论 ,综合考虑方形薄壁 钢管的薄壁效应以及轻骨料混凝土与普通混凝土多 轴强度准则差异的影响 ,推导出了方形薄壁钢管轻 骨料混凝土轴压短柱的极限

27、承载力计算公式.该公 式考虑了中间主应力的影响 ,应用该公式时可以依 据不同的材料选取相应的屈服准则和强度准则 . (2) 将本文计算结果与文献试验结果进行比较, 两者吻合良好 ,说明不考虑薄壁钢管局部屈曲的影 响,直接将双剪统一强度理论用于方形薄壁钢管轻 骨料混凝土柱的承载力计算是可行的 ,为工程设计 提供了理论依据 . (3) 结合本文理论计算公式分析了拉压比 ,材料 强度参数 ,宽厚比和混凝土强度对方形薄壁钢管轻 骨料混凝土柱极限承载力的影响 .极限承载力随拉 压比和材料强度参数增大而增大 ,承载力提高系数 随着宽厚比的增大和混凝土强度的提高而减小 . 参考文献 : References

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