鋼管混凝土軸心受壓承載力計(jì)算理論比較分析

【摘 要】隨著對(duì)鋼管混凝土受力性能研究的不斷深入，目前已形成多種關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論，本文將國(guó)內(nèi)外已有的幾種鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)規(guī)范做了整理介紹，并且對(duì)三種軸心受壓承載力的計(jì)算理論進(jìn)行了比較與分析，這三種理論分別為：統(tǒng)一理論、擬鋼理論和擬混凝土理論。

【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土；軸心受壓承載力；計(jì)算理論

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是指在鋼管內(nèi)充填素混凝土形成的組合結(jié)構(gòu)，它憑著高承載力、塑性和韌性好、耐火性能好、經(jīng)濟(jì)效益好和施工方便等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也引起了國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注，通過(guò)長(zhǎng)期深入的研究，取得了巨大的成果。目前，國(guó)外關(guān)于鋼管混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)規(guī)程主要是歐洲EC4（1994）、德國(guó)DINI8800（1997）、美國(guó)SSLC（1979）、LRFD（1999）和ACI（1999）以及日本AIJ（1997）等，這些規(guī)程中都同時(shí)給出了圓形截面和方、矩形截面鋼管混凝土構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)計(jì)算有關(guān)條文，其中尤以歐洲EC4、美國(guó)LRFD和日本AIJ最具代表性。盡管國(guó)內(nèi)對(duì)鋼管混凝土的研究工作相對(duì)落后，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)學(xué)者在這一領(lǐng)域所取得的研究成果也令人矚目，制定的設(shè)計(jì)規(guī)程包括CECS28：90（1992）、DB29-57-2003和DL/T5085-1999（1999）等。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外已有的幾種鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)規(guī)范做了整理介紹，并對(duì)三種軸心受壓承載力的計(jì)算理論進(jìn)行了比較與分析。

一、軸心受壓構(gòu)件

（1）EC4規(guī)范。歐洲EC4（1994）是CEN提出的關(guān)于鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范，能同時(shí)適用于圓形和方、矩形截面鋼管混凝土設(shè)計(jì)計(jì)算。（2）LRFD規(guī)范。LRFD（1999）為美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)制定的設(shè)計(jì)規(guī)程，它考慮了構(gòu)件的整體穩(wěn)定，先將混凝土強(qiáng)度折算到鋼材中，得到其名義抗壓強(qiáng)度，再用計(jì)算鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的承載力。（3）AIJ規(guī)范。AIJ（1997）是日本建筑學(xué)會(huì)在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出的設(shè)計(jì)規(guī)范，它同時(shí)給出了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和允許應(yīng)力設(shè)計(jì)法，其截面形式包括圓形和方、矩形。（4）DBJ13-51-2003?！朵摴芑炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》為福建省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，能同時(shí)適用于圓形和方、矩形鋼管混凝土設(shè)計(jì)計(jì)算。從上述各種規(guī)范給出的鋼管混凝土軸壓構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)計(jì)算公式不難看出，因各種規(guī)范制定的思路和出發(fā)點(diǎn)不同，所得計(jì)算公式也各不相同。有的是建立在鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法基礎(chǔ)上，有的是建立在混凝土的計(jì)算方法基礎(chǔ)之上，還有的則是把兩者結(jié)合起來(lái)視為一個(gè)整體對(duì)其進(jìn)行分析。

二、三種軸壓承載力計(jì)算理論及公式的比較研究

綜合以上各種規(guī)程所提到的計(jì)算方法，目前用于鋼管混凝土的計(jì)算理論主要有三種：統(tǒng)一理論、擬鋼理論和擬混凝土理論，現(xiàn)分別做簡(jiǎn)要介紹。

1.統(tǒng)一理論?！敖y(tǒng)一理論”是鐘善桐1993年在總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)之上提出的，該理論認(rèn)為鋼管混凝土在承受各種荷載作用時(shí)的工作性能是隨材料的物理參數(shù)、統(tǒng)一體的幾何參數(shù)、截面形式和應(yīng)力狀態(tài)的改變發(fā)生改變的，變化是連續(xù)相關(guān)的，計(jì)算則是統(tǒng)一的。它將鋼管混凝土視為一個(gè)整體，按單一材料研究其組合性能，計(jì)算構(gòu)件的承載力時(shí)，不再區(qū)分鋼管與混凝土。這種基于組合理論的計(jì)算方法物理意義比較明確且計(jì)算簡(jiǎn)單，適用于實(shí)際設(shè)計(jì)，但它沒(méi)考慮鋼管與混凝土之間的相互工作效應(yīng)，使其計(jì)算結(jié)果偏于安全，而且該計(jì)算公式是在回歸分析的基礎(chǔ)之上建立的，缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證，還需進(jìn)一步研究。

2.擬鋼理論。擬鋼理論是同濟(jì)大學(xué)基于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范提出的一種計(jì)算理論，它將混凝土折算成為鋼，再按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種方法是在不改變鋼管橫截面面積的條件下，將管內(nèi)填充的混凝土看成是對(duì)鋼管壁屈服強(qiáng)度和彈性模量的提高，以此換算得出等效鋼管的性質(zhì)，并以該等效鋼管的承載力作為原鋼管混凝土的承載力；在計(jì)算時(shí)，不考慮內(nèi)填混凝土對(duì)構(gòu)件的抗拉和抗彎承載力影響，只加入其對(duì)軸壓承載力提高的相關(guān)部分。擬鋼理論是采用換算模量，將混凝土折算成鋼進(jìn)行計(jì)算，在對(duì)高層、超高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，是忽略了剪切模量再采用換算模量對(duì)其進(jìn)行內(nèi)力分析的，所以會(huì)出現(xiàn)分析結(jié)果和構(gòu)件設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確的情況；另外，將鋼管和混凝土統(tǒng)一成整體后，不易明確混凝土的分擔(dān)作用和結(jié)構(gòu)行為，所以具有一定的局限性。

3.擬混凝土理論。擬混凝土理論認(rèn)為鋼管混凝土是由鋼管對(duì)核心混凝土實(shí)施套箍強(qiáng)化后的一種套箍混凝土或約束混凝土。在計(jì)算時(shí)，只考慮核心混凝土二向應(yīng)力狀態(tài)下的受力情況，將鋼管壁看成是處于核心混凝土周圍的等效縱向鋼筋，其面積按照鋼管的形狀和截面積而定。該理論從概念上要比較適合圓形鋼管混凝土，對(duì)于方、矩形鋼管混凝土，因鋼管對(duì)混凝土提供的約束能力比較小，其套箍混凝土的概念已不再適用。實(shí)際上，“約束效應(yīng)系數(shù)”對(duì)套箍作用的發(fā)揮至關(guān)重要，但這種理論不能擬合出一條具有代表性的曲線來(lái)例證它的有效性，因此不是十分可靠。目前，對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件有著不同的研究方法，以上三種理論是研究者們從不同的角度對(duì)其進(jìn)行分析而得出的，由于鋼管混凝土力學(xué)性能的復(fù)雜性，使得三種理論具有一定的缺陷和不足，因理解不同，導(dǎo)致估計(jì)的準(zhǔn)確程度不同，所獲得的計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果也就有所出入。因此還有待做進(jìn)一步的研究。

三、結(jié)語(yǔ)

鋼管混凝土這一組合結(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在工程中已得到廣泛的應(yīng)用，并引起國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注，通過(guò)長(zhǎng)期深入的研究，編制出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)程，其成就令人矚目。本文就國(guó)內(nèi)外已有的幾種鋼管混凝土軸壓構(gòu)件承載力的設(shè)計(jì)規(guī)范做了整理介紹，且對(duì)目前適用于鋼管混凝土的三種計(jì)算理論進(jìn)行了評(píng)述，指出其不足之處，并通過(guò)算例結(jié)果比較了三者的差別，說(shuō)明對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件還有待做進(jìn)一步的研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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