薄壁圆钢管混凝土柱轴压极限承载力分析.pdf

2 0 1 5年 第 7期 (总 第 3 0 9期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o ． 3 0 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 0 5 薄壁 圆钢管混凝 土柱轴压极限承载 力分析 张风杰 ， 夏军武 ，常鸿飞 ， 谭永超。 ， 夏翔 ( 1 ． 中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ) 摘要： 为了研究薄壁圆钢管混凝土柱轴压极限承载力是否适用 C E C S ： 2 0 1 2 ( 钢管混凝土结构技术规程》 提供计算式， 制作 了不 同壁厚( t = O ． 9 2 、 1 ．4 2 、 1 ． 9 2 m i l 1 ) 、 不同高度 、 不同钢管强度的9根圆钢管混凝土柱构件进行试验研究； 试验结果表明薄壁圆钢管 混凝土柱依然有很好 的承载力及延性 ； 对构件极限承载力对比发现 ， 试验结果与按构件实际强度计算结果基本吻合 ， 表明薄壁圆 钢管混凝土柱轴压极限承载力依然适用《 规程》 提供计算式 ， 且按《 规程》 提供计算式偏于保守， 并根据试验结果对薄壁圆钢管混 凝土柱的极限承载力取值进行了建议。 关键词 ： 薄壁； 钢管混凝土柱 ； 轴压 ； 极限承载力 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． O 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 7 — 0 0 1 8 — 0 4 Ul t i ma t e s t r e n g t h a n a l y s i s t o t h i n- - wa l l e d c i r c u l a r c o n c ret e- - f i l l e d s t e e l t u b e c ol u mn u n d e r a x ia l c o mp r e s s i on Z H AN G F e n g j i e 一 ， X I A J u n w u 一 ， C H A N G H o n g f e i ， T A N Y o n g c h a o ， X I A X ／ a n g ( 1 ．J i a n g s u K e y L a b o r a t o r y o f E n v i r o n me n t a l I mp a c t a n d S t r u c t u r a l S a f e t y i n E n g i n e e r i n g ， C h i n a Un i v e r s i ty o f Mi nin g a n d T e c h n o l o g y Xu z h o u 2 2 1 0 0 8， Ch i n a ；2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o ry f o r Ge o me c h a nic s a n d De e p Un d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8， C h i n a ) Abs t r a c t： I n o r d e r t o s t ll d y u l tima t e b e a r i n g c a pa c i t y o f t h e thi n—wa l l e d c i r c u l a r s t e e l t u be c on c r e t e c o l umn i s a pp l i c a b l e CECS： 2 01 2 “ t e c h n i c al s p e c i fi c a ti o n f o r c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub u l ar”， i t ma d e o f d i f f e r e n t t h i c k n e s s ( t = O ． 9 2， 1 ．4 2， 1 ． 9 2 mm) ， d i f f e r e n t h e i g h t ， d i f - f e r e nt p i p e s t r e n g th e x pe r i m e n t al s tud y o f 9 r o o t c i r c u l a r s t e e l t u b e c o n c r e t e c o l u m n c o mp o n e n t s， the t e s t r e s u l t s s h o w tha t c on c r e t e fil l e d thi n—wa l l e d s t e e l tub e c o l u mn s are s ti l l b e a r i n g c a p a c i ty a n d g o o d d u c ti l i ty， l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f me mb e r s c o mp a ri s o n ， the e x p e r i — me n t a l r e s u l t s are c o n s i s t e n t wi th the c alc u l a t e d r e s u l t s a c c o r din g t o a c tua l s t r e n g th me mbe r， t h a t t h i n—wall e d c i r c u l ar s t e e l t u be c o n— c r e t e c o l u mn a x i a l c o mp r e s s i o n b e a r i n g c a pa c i t y i s s ti l l u s e the“ r u l e s ”p r o v i d es f o r mu l a． a n d a c c o r d i ng t o the“ r u l e s ”p r ov i d e s t h e c a l — c u l a t i o n f o r mu l a o n the c o n s e r v a ti v e s i de， ba s e d o n the e x p e r i me n t a l r e s u l t s a n d the l i mi t o f c o n c r e t e fil l e d thi n—wa l l e d s t e e l t u b e c o l — u mn s b e a r i n g c a p a c i ty v a l u e o f s u g g e s t i o n ． Ke y wo r d s： thi n—wa l l e d ； c o n c r e t e—fi l l e d s t e e l tub e c o l u mn ； axi a l c o mp r e s s i o n； u l ti ma t e bea r i n g c a p a c i ty 0 引言 钢管混凝土结构技术在 国外发展早 、 速度快 ， 我 国于 2 0世纪 6 0年代开始接触该项技术 ， 目前在我 国的建筑土 木工程领域获得 了广泛 的应用 ， 例如拱桥结构 、 桩 、 高铁 站 台、 地铁等 。 钢管混凝土 的工作原理是混凝土填充钢 管 ， 增强钢管的稳定性 ； 钢管包裹混凝 土 ， 使混凝土周边受 约束 ， 在受到轴向压力作用下其处于三 向受压状态 ， 从而 使混凝土具有更高 的抗压强度并大幅度提高其延性 ， 钢管与混凝土二者相互作用从而提高该结构( 构件) 的整 体承载能力 。 钢管混凝土结构在我国的应用主要还是厚壁钢管混 凝土结构 J ， 蔡绍怀 、 钟善桐 等很 早就对钢 管混凝 土结构进行了研究 ， 对 于薄壁构件 ， 国内很 多学者 对薄壁 钢管混凝土柱轴压力学性能、 节点抗震 、 薄壁带肋 、 改变钢 管外形 等方 面开 展 了研究 工 作 。目前 我 国采 用 的 C E C S ： 2 0 1 2 (( 钢管混凝土结构技术规程》 中轴压构件承载 力计算式明确 了适用范围， 对于套箍系数 0 小 于 0 ． 5的构 件未提供详细 的计算式 。 本试验结合 现行 《 规程》 提供计 算式 ， 自行设计 了不 同壁厚 、 不同高度、 不同钢管材质 的 9 根薄壁钢管混凝 土柱 ， 其破坏 形态与厚 壁构 件又有 何不 同， 对于套箍系数 0 小于 0 ． 5的薄壁 构件其极 限承载力是 否适用《 规程》 提供的计算式。 1 试验设计 1 ． 1 构件设计 本研究设计 了不同壁厚( t = 0 ． 9 2 ， 1 ． 4 2 ， 1 ． 9 2 i i l i n ) 、 不 同高度 ( h=5 0 0 、 6 0 0 、 9 0 0 、 1 2 0 0舢) 、 不 同 钢 管 材 质 ( Q 2 3 5 、 Q 3 4 5 ) 的薄壁圆钢管混凝土柱构件 9根 ， 钢管 内填 充标准立方体抗压强度等级为 C 3 0的混凝土 ， 钢管一端先 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 1 0 —1 4 基 金项 目 ： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 4 1 9 2 ) ； 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室开放基金 ( J S K L 2 0 1 2 YB 0 4 ) ； 江苏省优势学科 1 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 薄壁钢管混凝土柱承载力试验值及计算值 l 000 800 Z 600 妲4 0 0 2 0 0 0 1 0 ． 9 3 5 3 0 ． 8l 91 高度影响系数 图 3 Q 2 3 5材质不同长细比承载力对比 U． j j U． l9 l U． ， ， 2 5 高度影响系数 9 图 4 Q 3 4 5 、 Q 2 3 5材质构件承载力对比 生典型的三轴剪切破坏， 但是钢管及焊缝无明显的开裂， 并且过 了极 限荷载后有明显的持载变形段 ， 虽然有 的持载 段很短暂 ， 但是构件不会发生脆性破坏 ， 当卸载 到极限荷 载 的5 0 ％时会发生持载变形 ， 表现出较强 的延性 。 2 ． 2 径 厚比( o／ r ) 影响 试验表明， 同种材质的钢管制作而成的钢管混凝土柱 构件 ， 随着壁厚的增 加钢管对混凝 土的包裹力在增强 ， 钢 管混凝 土柱构件 的纵向变形能力逐渐变大 ， 钢管混凝 土柱 的塑性变形能力增强 ， 具体见 图 5 、 6 。 从图 5及表 3可 以看出 ， 随着 D ／ T的增加 ， 构件 的承 载力逐渐减小， 但壁厚不同其后续持载能力及变化态势又 有区别。 从图 6可 以看 出， C S C C 1及 C S C C 5构 件在达 到 极 限荷载后持载力会突然减小 ， 随后构件依然可 以承载 ， 但变形随之持续增长 ； 而 C S C C 6的构件达到极 限荷载后 承载力缓慢下降随后又持续增长直至超过极 限荷载 ， 但是 后续 的持载增长段构件变形量快速增大。 从 图 6可以看出 壁厚大 即 D ／ T小的构件 承载 力大 、 延性强 ； 而壁厚小 D ／ T 大的构件承载力小 ， 变形能力弱 ； 构件 C S C C 1的套箍系数 小于 0 ． 5 ， 但其极限荷载后依然有持载变形段 ， 所不同的是 20 1 0 0 0 80 0 至 6 0 0 握4 0 0 2 0 0 0 D| T 图 5 D， _ r 一极 限荷载 图 U 1 U l 20 竖 向位移／ mm 图6壁厚变化轴压荷载 一 竖 向位移图 极限荷载后承载力会突然下降 ， 但承载力突降后依然有一 持载变形发展段， 后构件散失承载力， 其破坏形态仍然可 认为是塑性破坏。 2 ． 3 长径 比( ) 的影响 试验结果表 明， 同材质构件 ， 在壁厚 t 相同的情况下 ， 随着长径 比的增大 即 的减 小构件 的承 载力 逐渐降低 ， 详见图7 、 8 。 从表3中对比结果结合图8所示结果表明， 构 件 C S C C 1 、 C S C C 2 、 C S C C 4的持 载力 Ⅳ 1 分 别 为 3 3 1 ． 2 、 3 4 4 ． 1 、 3 3 1 ． 2 k N， 其持载力绝对值均在 同一水平范围 ， 变化 不大 ； 其持载力与极限荷 载值 比值 ( Ⅳ 3 ／ Ⅳ 2 ) 随构件高度增 长而增大 。 随着 。 的减小 ， 构件达极 限荷载后纵向位移逐 构件高度／ m m 图 7 构件高度 一 极限荷载图 枷 ㈣ 枷 姗 瑚 ㈣ o z 、 挺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 竖 向位 移／ mm 图 8 高度变化轴压荷载 一 竖向位移图 表 3 钢管混凝土柱纵向位移及后续持载值 ( 2 ) 结合薄壁钢管混凝土破坏形 态及 变形趋势 ， 定义 了薄壁钢管混凝土住 的极限荷载值取值点 ， 即将薄壁构件 的极 限荷载确定为线性增长的最末端。 ( 3 ) 试验结果表明 ， 薄壁 圆钢管混凝 土柱构件依然可 以使用《 规程》 提供的计算式， 但《 规程》 计算得出的构件 承载力偏于保守 ； 依据试 验结果对 比， 提 出薄壁 圆钢管混 凝土柱极限承载力在《 规程》 计算式基础上进行增大， 其增 大系数取 1 ． 5 。 参考文献 ： [ 1 ]杨杰， 税强． 钢管混凝土的研究发展状况[ J ] ． 工程结构 ， 2 0 0 8 ( 2 5 ) ： 1 7 4—1 7 5 ． [ 2 3蔡绍怀． 现代钢管混凝土结构( 修订版) [ M] ． 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 3韩林海 ， 杨有福． 现代钢管混凝土结构技术[ M] ． 北京： 中国建 筑工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 渐减小 ， 表明随构件高度 的增加 ， 构件的延性减弱。 [ 4 3钟善桐 ．钢管混凝土结构[ M] ． 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 O 0 4 3 薄壁圆钢管混凝土柱构件极限承载力修正 建议 结合表 I 、 2 、 3 及 图 3 、 4 ， 试验结果 最少高于计算结 果 Ⅳ1 的 8 8 ． 4 8 ％( Q 2 3 5 ) 和 1 3 6 ． 1 7 ％( Q 3 4 5 ) ； 而 Ⅳ 2 最少 高 于 Ⅳ1 的 8 5 ． 2 1 ％( Q2 3 5) 和 1 1 3 ． 4 5 ％( Q3 4 5 )； 而 Ⅳ 2和 Ⅳ 0 的对 比结果看 ， 二 者非常相 近 ， Ⅳ 0 比 Ⅳ 2 5 ． 3 1 ％( Q 2 3 5 ) 和 1 7 ． 7 3 ％( Q 3 4 5 ) ， 表明《 规程》 提供的计算式可用于薄壁圆 钢管混凝土柱构件 的计算 ， 但其极限承载力计算式偏于保 守 。 从持载力 Ⅳ ] 对 比Ⅳl 来看 ， 除 C S C C 1 构件 Ⅳ 3 略小于 J v ， 外， 其他构件 均高于Ⅳ】 。 结合试验结果 ， 结合 图 6 、 8结果及 变化趋势 ， 同时考 虑到薄壁构件承载力破坏时线性增长段 较长 ， 而构件从线 性增长发展到非线性 增长时荷载增加小 ， 变形小 ， 塑性变 形段不明显 ， 且过极 限荷 载后 有一脆性快速 降载的情况 ， 建议薄壁构件 的极 限承 载力值取 线性 增长值 的末 端 ， 从 图 6 、 8中看 ， 其数值为 Ⅳ n的 8 0 ％一 8 5 ％， 而 与 Ⅳ 2 结果 相近， 而( Ⅳ 2 ) 后进行 8 0 ％～ 8 5 ％的折减， 其值依然超过 《 规程》 提供计算式的5 0 ％。 结合薄壁构件破坏形态及数据 比较 ， 笔者认 为薄壁 圆 钢管混凝土柱构件的极限承载力计算依然使用《 规程》 提 供的计算式， 在使用该计算式的基础上建议增加承载力提 高系数， 其取值为 1 ． 5 。 [ 5 ]蔡绍怀． 我国钢管高强混凝土结构技术的最新进展r J ] ． 建筑科 学 ， 2 0 0 2 ， 1 8 ( 4 ) ： 1 — 7 ． [ 6 ]B O D E H ． C o l u m n s o f s t e e l t u b u l a r s e c ti o n s fi l l e d w i t h c o n c r e m— d e s i g n a n d a p p l i c a ti o n ~ J ] ． A c i e r S t a h l S t e e l ， 1 1 ( 1 2 ) ： 3 8 8 — 3 9 3 ． [ 7 ]B R I D G E R Q． C o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u m n s [ C ] ／ ／ R e p o n No ． R2 8 3， Sc h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g， Au s t r i a l ， 1 9 76， 2 9-40． [ 8 ]钟善桐， 苗若愚． 钢管混凝土轴心受压构件承载力计算的研究[ J ] ． 建筑结构学报 ， 1 9 8 4 ( 6 ) ． [ 9 ]O G OO D E C D， 钢管混凝土组合柱的研究进展[ J 1 ． 韩林海， 译． 工业建筑 ， 1 9 9 6 ， 2 6 ( 3 ) ： 2 3 — 2 7 ． [ 1 O ] 张耀春 ， 王秋萍， 毛小勇 ， 等． 薄壁钢管混凝土短柱轴压力学性 能试验研究[ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 1 ) ： 2 2— 2 7 ． [ 1 1 ] 高剑平 ， 吴永根 ， 霍静思． 薄壁波纹钢管混凝土柱滞 回性能试 验研究F J 1 ． 世界地震工程 ， 2 0 1 2 ， 2 8 ( 3 ) ： 3 4— 4 2 ． [ 1 2 ] 王静峰， 郭水平， 陈莉萍． 带肋薄壁钢管混凝土框架梁柱端板 连接节点试验研究[ J ] ． 建筑结构学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 8 ) ： 6 9— 7 8 ． [ 1 3 ] 赵均海， 孟晓健， 刘建军， 等． 圆中空夹层钢管混凝土短柱的承 载力[ J ] ． 长安大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 2 ) ： 7 0— 7 4 ． 4 结 论 [ 1 4 ] 张耀春， 陈勇 设直肋方形薄壁钢管混凝土短柱的试验研究与 ( 1 ) 薄壁构件依然可以有 良好的承载力及变形性 能 ， 薄壁钢管混凝 土柱的延性随 ( D ／ r ) 减小 而增强 ； 壁薄构件 在极限荷载后有明显的荷载降落段， 基本呈线性下降直至 一 固定荷载后持续变形 ， 随 ( D ／ T ) 减小 ， 其持 载值逐渐增 大 ， 且变形趋势 由持续下降转变为荷 载增 长 ； 持载一段 时 间后均变现为构件变形增大 ， 失去持载能力即突然失效。 有限元分析[ J ] ． 建筑结构学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 5 ) ： 1 6— 2 2 第一作者： 张风杰( 1 9 7 9一 ) ， 男 ， 博士研究生， 工学硕士 ， 讲师 ， 主 要从事钢结构及组合结构耐久性研究。 联 系地 址 ： 联 系电话： 江办徐州中巨 1 3 6 45 2 2 8 7 6 6 2 2 1 0 0 8 ) 21 O O 0 0 O 0 0 O ∞ 如 如 加 z ] I 、 幅豫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m