圓鋼管混凝土短柱新模型軸心受壓承載力計(jì)算

張 宇 本

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

1 概述

鋼結(jié)構(gòu)工程施工快速、方便，其構(gòu)件可以工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場施工充分發(fā)揮了裝配式結(jié)構(gòu)的施工優(yōu)勢，構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度和韌性，但是建造使用成本高。為了降低整體工程的造價(jià)，同時(shí)又不降低工程整體的安全性、可靠性和耐久性，人們考慮采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(Concrete-Filled Steel Tubular，CFST)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)大大減少了鋼材的用量，同時(shí)又極大地降低了工程造價(jià)。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是復(fù)合結(jié)構(gòu)，綜合了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)延性、承載力和穩(wěn)定性較好，能夠進(jìn)行裝配式施工，速度快，操作方便，降低了工程造價(jià)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)越的力學(xué)性能，具有比較大的發(fā)展?jié)摿?，在各工程領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1]。核心混凝土施工澆筑時(shí)充滿鋼管內(nèi)部空間，硬化后能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的物理力學(xué)性能，特別是抗壓強(qiáng)度，從鋼管內(nèi)部空間增強(qiáng)鋼管的抗屈曲性能，和鋼管本身實(shí)現(xiàn)無差別化的結(jié)合，整體上相當(dāng)于從內(nèi)部全方位給鋼管提供了支撐，同時(shí)鋼管相當(dāng)于鋼筋混凝土短柱的鋼筋籠，而且可以理解為相當(dāng)于箍筋和豎向鋼筋都無限加密的鋼筋籠，這樣大大加強(qiáng)了對核心混凝土的約束，因此，鋼管混凝土柱的彈塑性性能更好，應(yīng)用在抗震結(jié)構(gòu)上有比較大的優(yōu)勢，另外，施工過程中，由于鋼管的約束作用直接省去了混凝土結(jié)構(gòu)所需要模板相關(guān)的材料和工藝過程，應(yīng)用起來更方便，便于推廣應(yīng)用。但是鋼管長時(shí)間外露容易受到腐蝕，需要很高的維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)如果需要進(jìn)一步增大荷載作用和滿足實(shí)際使用要求，就需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)出更有效的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中受空間及審美等各方面因素的影響，人們往往需要構(gòu)件截面尺寸要小，但是并不希望構(gòu)件強(qiáng)度同時(shí)要降低，甚至還要求構(gòu)件強(qiáng)度還要最大程度的提高，所以專家學(xué)者們提出了很多構(gòu)造措施，如增加內(nèi)部鋼筋[2]、內(nèi)置型鋼[3,4]和加勁肋[5]的措施。為了使鋼管混凝土柱具有良好的防腐性能，并進(jìn)一步提高其抗壓強(qiáng)度、剛度和延性等物理力學(xué)性能，本文設(shè)計(jì)外帶單層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土短柱構(gòu)件，提出了一些構(gòu)造措施增強(qiáng)內(nèi)外混凝土和中間鋼管的相互粘結(jié)作用，同時(shí)提出兩種模型下軸心抗壓承載力計(jì)算公式或?qū)扔泄降男拚ㄗh，希望這些研究會對實(shí)際設(shè)計(jì)和施工有一定的參考意義。

2 構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

構(gòu)件基本結(jié)構(gòu)分三層，從里到外依次是：核心層素混凝土、中間層圓鋼管和最外層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。三層可以通過施工構(gòu)造措施結(jié)合成一個(gè)整體協(xié)同發(fā)揮作用。一般的鋼管混凝土柱核心混凝土和鋼管間通過正常的摩擦擠壓結(jié)合在一起發(fā)揮作用，為了更好地使核心層混凝土和鋼管結(jié)合在一起，可以在不影響管壁厚度和正常發(fā)揮作用的前提下把鋼管內(nèi)表面做特殊毛化處理，以增加混凝土和管壁間的咬合粘結(jié)作用，本構(gòu)件是正常粘結(jié)。外層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚度和鋼筋網(wǎng)或鋼筋籠可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成一個(gè)或一個(gè)以上鋼筋網(wǎng)，如果是多層鋼筋網(wǎng)，不同鋼筋網(wǎng)間間距也可以根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。本構(gòu)件設(shè)計(jì)一層鋼筋網(wǎng)，并且鋼筋網(wǎng)圍繞鋼管外圍一周遠(yuǎn)離鋼管一側(cè)放置。外層混凝土和鋼管外壁間也可以實(shí)現(xiàn)自然澆筑硬化粘結(jié)，本構(gòu)件采用正常粘結(jié)方式。實(shí)際中為了增加粘結(jié)作用可以設(shè)置拉結(jié)鋼筋，即鋼筋一端纏繞或焊接在鋼柱上，另外一端自然錨固在外層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，這樣可以大大增強(qiáng)外層混凝土和鋼管間的粘結(jié)作用。圖1是外帶鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層的圓鋼管混凝土短柱結(jié)構(gòu)示意圖。

3 雙層鋼筋混凝土模型

3.1 模型成立條件

1)鋼管和核心混凝土符合平截面假定，同時(shí)外層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也符合平截面假定。

2)核心混凝土和鋼管看作協(xié)同發(fā)揮作用的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，同時(shí)外層混凝土結(jié)構(gòu)也獨(dú)立發(fā)揮作用。

3)鋼管達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值前截面的形狀不變，鋼管將不會發(fā)生局部屈曲。

4)鋼管可以分別近似作為核心混凝土和外層混凝土的對應(yīng)側(cè)鋼筋，但承載力計(jì)算時(shí)取對應(yīng)鋼管屈服強(qiáng)度值作設(shè)計(jì)值，并且計(jì)算鋼管橫截面積時(shí)按1/2面積計(jì)算，這樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于帶單層鋼筋，外部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于帶雙層鋼筋。

5)鋼管達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)即可認(rèn)為內(nèi)層構(gòu)件達(dá)到破壞狀態(tài)。

3.2 短柱極限承載力

核心混凝土外側(cè)周圍是全封閉鋼管，理論上可以把鋼管近似看作普通鋼筋混凝土柱的鋼筋籠約束，利用鋼筋混凝土本構(gòu)模型進(jìn)行分析，其軸心抗壓承載力計(jì)算公式可以近似為：

(1)

最外層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)按普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算其軸心抗壓承載力，計(jì)算公式可以近似為：

(2)

整個(gè)構(gòu)件軸心受壓承載力計(jì)算公式可以由式(1),式(2)疊加得出，即：

(3)

式(3)中字母符號的涵義同式(1)和式(2)。

4 鋼管混凝土協(xié)同工作模型

4.1 模型成立條件

1)鋼管和內(nèi)外混凝土組成的整體結(jié)構(gòu)符合平截面假定。2)鋼管和內(nèi)外混凝土之間在構(gòu)件達(dá)到破壞狀態(tài)之前相互咬合的摩擦力足夠保證鋼管和混凝土呈整體狀態(tài)。3)鋼管屈服前截面的形狀不變，鋼管將不會發(fā)生局部屈曲。4)鋼管達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)即可認(rèn)為整個(gè)構(gòu)件達(dá)到破壞狀態(tài)。

4.2 短柱極限承載力

這種模型把混凝土和鋼管看作一個(gè)整體[6,7]，這里根據(jù)構(gòu)件實(shí)際構(gòu)造模型給出了修正的協(xié)同工作的承載力計(jì)算公式，即：

Nus4=fyc(Ay+Ac)

(4)

其中，Nus4為該模型鋼管混凝土短柱的極限承載力;Ay為該模型鋼管混凝土短柱中鋼管和鋼筋橫截面面積之和；Ac為該模型鋼管混凝土短柱內(nèi)外層混凝土橫截面面積之和;fyc為該模型鋼管混凝土短柱鋼管和混凝土組合抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(可以通過試驗(yàn)驗(yàn)證獲得)。

協(xié)同工作模型還有另外一種[8]，文獻(xiàn)[8]中考慮了鋼管和混凝土的相互作用，分別根據(jù)鋼管和混凝土的單獨(dú)承載力，疊加得出總的極限承載力，這里根據(jù)新模型對公式中的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修正，同時(shí)外層鋼筋混凝土承載力也單獨(dú)計(jì)算疊加上去，即：

(5)

當(dāng)θ>1.235時(shí)適用此公式。

當(dāng)θ≤1.235時(shí)適用如下公式，即：

(6)

式(4)～式(6)都是考慮鋼管和內(nèi)外側(cè)混凝土協(xié)同工作模式下，鋼管混凝土短柱承載力計(jì)算公式，鋼管外面有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層，本文的理論計(jì)算是在前人的研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。

5 結(jié)語

通過對帶外層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土短柱幾種計(jì)算模型的分析得出如下結(jié)論：

1)重新設(shè)計(jì)了鋼管混凝土短柱結(jié)構(gòu)，既解決了鋼管外露容易腐蝕維護(hù)成本高的問題，又大大增強(qiáng)了鋼管混凝土短柱的軸心受壓承載力。

2)雙層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型軸心受壓的理論計(jì)算公式，比較簡單易懂，計(jì)算的準(zhǔn)確性需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和對模型計(jì)算公式的改進(jìn)。

3)鋼管混凝土協(xié)同工作模型對外層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了簡化處理，計(jì)算整體構(gòu)件承載力時(shí)外層鋼筋混凝土承載力沒有像原有計(jì)算理論那樣進(jìn)行綜合，而是進(jìn)行獨(dú)立疊加，后續(xù)也需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)。

4)文中提出了一些構(gòu)造措施，旨在進(jìn)一步加強(qiáng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)層的協(xié)同作用，充分發(fā)揮鋼管和內(nèi)外層混凝土的物理力學(xué)性能。