不同截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承載力分析

摘 要：本文對不同截面鋼管混凝土受力特點(diǎn)進(jìn)行分析和比較，重點(diǎn)分析圓形、方形及多邊形鋼管混凝土柱受力特點(diǎn)。根據(jù)工程中不同截面鋼管混凝土承載力公式不同，本文對部分理論公式進(jìn)行簡化，提出不同鋼管混凝土截面承載力統(tǒng)一公式，公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合良好。

關(guān)鍵詞：截面不同 鋼管混凝土 角點(diǎn) 承載力

中圖分類號：TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0062-01

本文對目前鋼管混凝土結(jié)構(gòu)常用的截面形式受力特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并對不同鋼管混凝土極限承載力進(jìn)行分析，以供工程實(shí)踐參考。

1 常用截面特點(diǎn)

1.1 圓形截面

圓形鋼管混凝土是目前研究最為充分的截面形式且在工程中應(yīng)用也最為廣泛。對于圓形鋼管混凝土柱，混凝土受到鋼管對其均勻約束作用。圓形鋼管混凝土承載力及變形能力均優(yōu)于其他截面形式鋼管混凝土構(gòu)件。由于圓形鋼管對于混凝土約束效果比較好，所以圓形鋼管混凝土構(gòu)件主要用于軸壓及小偏心受壓構(gòu)件。對于大偏心受壓構(gòu)件來說，由于受拉側(cè)鋼管不能對混凝土約束，因此混凝土三向受壓性能不能得到發(fā)揮。

1.2 方形截面

方形鋼管混凝土構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用也很廣泛，但是方形鋼管對于混凝土的約束不如圓形鋼管的約束效果好，方形鋼管混凝土的承載力明顯低于圓形鋼管混凝土。研究表明，方形鋼管對于內(nèi)部混凝土的約束可以分為兩個部分：有效約束區(qū)和非有效約束區(qū)，二者的界限為一拋物線，有效約束區(qū)的混凝土極限抗壓強(qiáng)度是高于非有效約束區(qū)，非有效約束區(qū)的混凝土所受到側(cè)向約束是不均勻的。

1.3 八邊形截面

采用圓形鋼管混凝土?xí)r，在節(jié)點(diǎn)區(qū)域?qū)拇罅康匿摬耐瑫r(shí)給施工帶來很大的困難，影響結(jié)構(gòu)的整體經(jīng)濟(jì)效益。對于方形鋼管混凝土柱，由于外鋼管的四個角部分應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，易出現(xiàn)薄弱區(qū)域，特別對于抗震不利。同時(shí)當(dāng)構(gòu)件截面的鋼管的寬厚比很大時(shí)，則要考慮鋼管局部屈曲。采用八邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不僅可以緩解方形鋼管混凝土四角應(yīng)力集中問題及局部屈曲，同時(shí)可以兼顧到圓形鋼管的約束效果。八邊形鋼管對于混凝土的約束也分為有效約束區(qū)及非有效約束區(qū)，且二者界限也為一拋物線。但是由于八邊形鋼管其角點(diǎn)為120度相比于方形鋼管混凝土角點(diǎn)90度，其尖銳性緩解很多，有效緩解了方形鋼管混凝土角點(diǎn)應(yīng)力集中問題，同時(shí)又兼顧了方形鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的連接，相比于圓形和方形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢。各截面應(yīng)力圖如圖1所示。

2 承載力計(jì)算

國內(nèi)學(xué)者對不同截面形式的鋼管混凝土的承載力進(jìn)行了統(tǒng)一，提出不同截面的鋼管混凝土承載力統(tǒng)一公式。其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)查曉雄教授提出圓形和多邊形鋼管混凝土強(qiáng)度統(tǒng)一公式：

，

其中：是截面折減系數(shù)，圓形取，四邊形取，八邊形取。

根據(jù)工程中，鋼材取Q235～Q420，混凝土取C30～C80，本文對多邊形鋼管混凝土其套箍系數(shù)進(jìn)行折減，可以達(dá)到不同截面鋼管混凝土承載力統(tǒng)一公式：，其中，。參考相關(guān)文獻(xiàn)，利用該簡化公式對不同截面鋼管混凝土短柱進(jìn)行承載力計(jì)算，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

其中ξ為套箍系數(shù)；σu為截面平均應(yīng)力。

為了考慮到截面形式不同對鋼管混凝土柱承載力的差異，計(jì)算試件計(jì)算共分為兩組A1和A2兩組。A1和A2組中三種截面鋼管混凝土柱的截面面積是相等的，套箍系數(shù)和混凝土強(qiáng)度都是相等的，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出截面的平均應(yīng)力σu。分別比較A1和A2組中的試件可以發(fā)現(xiàn)，在相同套箍系數(shù)情況下，圓形鋼管混凝土截面平均應(yīng)力最大，方形最小，八邊形截面應(yīng)力介于中間但更接近于圓形截面?？v向比較A1和A2里面試件，可以發(fā)現(xiàn)，A2中試件的邊長是A1中的1.5倍，可以看出，當(dāng)鋼管混凝土柱的尺寸增大時(shí)候，以上規(guī)律仍然是存在的。

3 結(jié)語

（1）現(xiàn)階段對于圓形及方形鋼管混凝土柱的研究已趨于成熟。同等材料使用量情況下，圓形鋼管混凝土承載力比方形及八邊形的鋼管承載力要高，但圓形鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)較為復(fù)雜，不利于工程應(yīng)用。（2）方形鋼管混凝土及八邊形鋼管混凝土柱角點(diǎn)存在著應(yīng)力集中問題。從多邊形發(fā)展趨勢來看，多邊形形邊長數(shù)多可以有效緩解角點(diǎn)應(yīng)力集中問題，同時(shí)也方便與梁柱節(jié)點(diǎn)連接。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

[2]陳洪濤.各種截面鋼管混凝土軸壓短柱基本性能連續(xù)性的理論研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.