內埋圓形鋼管空間鋼構架混凝土短柱軸壓承載力計算

戴 彬, 唐興榮*, 楊靜明, 陸國琦

(1. 蘇州科技大學土木工程學院, 江蘇 蘇州 215011; 2. 中衡蘇州華造建筑設計有限公司, 江蘇 蘇州 215021)

由于空間鋼構架有一定的承載力和剛度, 使其對核心混凝土具有約束作用, 提高了核心混凝土的抗壓強度和變形能力[1-3]; 空間鋼構架混凝土柱具有較高的承載力和較好的變形性[4],但在軸向載荷作用下,空間鋼構架的弦桿(角鋼)易發(fā)生壓曲,使其軸壓承載力下降．為了改善空間鋼構架混凝土柱的軸壓性能,可在空間鋼構架混凝土柱內埋圓形鋼管,形成內埋圓形鋼管空間鋼構架混凝土柱, 能有效延緩和抑制混凝土內部微裂縫的產生,從而使空間鋼構架對核心混凝土的約束作用得到充分發(fā)揮[5]．目前國內外學者開展鋼骨-鋼管混凝土組合柱受壓性能試驗研究較多[6-7], 如鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱、鋼管混凝土核心柱以及空間鋼構架混凝土柱等,而對內埋圓形鋼管空間鋼構架混凝土柱的試驗研究和理論分析較少[8]．本文擬對內埋圓鋼管空間鋼構架混凝土軸壓短柱進行試驗和理論研究, 以探求軸壓承載力與內部鋼管混凝土套箍指標ξ1和外部空間鋼構架混凝土約束系數(shù)ξ2之間的關系．

1 約束機理

圓形鋼管對核心混凝土的約束作用可用套箍指標ξ1表示[9], 空間鋼構架對鋼管外混凝土的約束作用可用約束系數(shù)ξ2表示[4-5]; 因此, 在內埋圓形鋼管空間鋼構架混凝土柱中,存在鋼管對核心混凝土約束和空間鋼構架對鋼管外混凝土約束的雙重作用．圖1為內埋圓鋼管空間鋼構架混凝土軸壓短柱各部分相互作用的截面受力分析．圖中鋼管外徑為D,鋼管厚度為t,綴條截面積為Ass1; 核心混凝土對鋼管均向壓應力為σr1, 鋼管外側混凝土對鋼管擠壓應力為σr2, 對空間鋼構架壓應力為σr3; 鋼管縱向應力為σ1, 環(huán)向應力為σ2．為簡化計算, 假設σr3均勻分布, 忽略混凝土的抗拉作用,由空間鋼構架受力平衡可得綴板的橫向拉應力σz=σr3bcs/(2Ass1), 由鋼管外側混凝土受力平衡可得σr2D=σr3bc,由圓形鋼管受力平衡可得σr1-σr2=2tσ2/D．

圖1 柱截面內力計算簡圖Fig.1 Cross section internal force computing model

2 承載力計算

2.1 基本假設

假設: i) 空間鋼構架弦桿、圓形鋼管與鋼管內外混凝土之間沒有相對滑移; ii) 考慮圓形鋼管對核心混凝土以及圓形鋼管和空間鋼構架對圓形鋼管外混凝土雙重約束作用的影響; iii) 不考慮混凝土收縮與徐變的影響; iv) 不考慮鋼管和空間鋼構架弦桿的局部屈曲．

2.2 鋼管混凝土柱的軸壓承載力

2.3 空間鋼構架混凝土柱軸壓承載力

由基本假設iv)知, 不考慮空間鋼構架弦桿的局部壓屈,可得到鋼管外側空間鋼構架混凝土柱的軸壓承載力Nu,ssfc=fcc2Ac2+fy2As2, 其中空間鋼構架約束混凝土的抗壓強度fcc2=fc+keσr3, 式中ke為混凝土的有效約束系數(shù),Ac2為鋼管外側混凝土截面積,fy2為角鋼的屈服強度,As2為角鋼的截面積．

2.4 內埋圓形鋼管空間鋼構架混凝土短柱的軸壓承載力

表1 各試件承載力試驗值 與計算值