带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压承载力计算的简化方法.pdf

2 0 1 0 年 第 3期 (总 第 2 4 5 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No ． 2 4 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORE 1 1 CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 0 ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ： 0 1 4 带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压承载力计算的 简化方法 龙跃凌 ’ ，蔡健 ( 1 ．广东工业大学 土木工程系 ，广东 广州 5 1 0 0 0 6 ；2 ． 华南理工大学 土木工程系 ，广东 广卅l 5 1 0 6 4 1 ) 摘要： 提出带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压承载力的简化计算方法。该方法考虑了轴压下矩形钢管长边、 短边竖向强度的不同， 同时考虑了约束拉杆和钢管对核心混凝土的约束作用 ， 且表达式简单， 方便应用。 应用该方法对带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱试件的轴 压承载力进行计算， 计算结果与试验结果比较表明， 两者吻合良好。 关键词： 矩形钢管混凝土；约束拉杆；短柱；承载力 中图分类号： T U5 2 8 ．0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 — 0 0 4 8 — 0 3 S i mp l i f i e d m e t h o d f o r c a l c u l a t i n g u l t i ma t e c a p a c i t y o f r e c t a n g u l a r C F T s t u b c o l u mn s wi t h b i n d i n g b a r s u n d e r a x ia l c o mp r e s s i o n LONG Yu e — l i n g ， CA[ J i a n ( 1 ． De p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， Gu a n g d o n g Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， Ch i n a ； 2 ． De p a r t me n t o f C i v i l E n g in e e r i n g ， S o u t hC h i n aU n i v e r s i tyo f T e c hno l o g y ， Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： A s i mp l i fi e d me tho d i s p r o p o s e d f o r c a l c u l a t i n g u l t i ma t e c a p a c i ty o f r e c t a n g u l a r CF T s t u b c o l u mn s w i t h b ind i n g b a r s u n d e r a x i a l c o mp r e s s i o n．Th e me t h o d c o n s i d e r s t h e d i ffe r e n c e be t we e n l o n g i tud i n a l s t e e l s t r e ng t h o f b r o a d f a c e s a n d t h a t o fn a r r o w f a c e s o f r e c t a n g u l a r s t e e l tub e u n d e r ax i a l c o mpr e s s i o n ． T he c o n fin e me n t e ff e c t s o n th e c o n c r e t e c o r e p r o v i d e d b y b i n d i n g b ars a n d s t e e l t u be a r e a l s o t a ke n i n t o a c c o u n t ．Fu r - t h e r mo r e ， the e x p r e s s i o no f theme t h o di s s i mp l e s otha t i t i s e a s i l ya p p l i e d ．T h e p r o p o s e dme tho di s u s e dt o c a l c u la t eu l t i ma t e c a p a c i ty o f the s p e c i me n so faxi a l l yl o a d e drec t a ng u l a rCF T s tub c o l u mnwi t hb i n d i n gb a r s ．Th e c a l c u l a t e dr e s u l t s a r e c o mp a r e dwi t h e x p e ri me n t a l r e s u l t s ， wh i c h s h o w a g o o d a g r e e me n t ． K a ywo r d s ： rec t a n g u l a r C F T； b i n d i n gb ar； s tub c o l u mn ； c a p a c i ty 0 引言 矩形钢管混凝土柱较圆形钢管混凝土柱具有钢管制作方 便、 与梁连接容易处理、 施工方便、 易于符合建筑平面要求、 截 面相对开展而惯性矩大、 适合作压弯构件等优点， 在工程实践 中应用越来越广泛。 试验研究和理论分析表明【 ， 矩形钢管对 核心混凝土的约束作用仅限于角部 ， 即使当钢管壁很厚时， 其 核心混凝土在三向受压下的强度、 延性明显差于圆形钢管混 凝土。 带约束拉杆矩形钢管混凝土是针对一般的矩形钢管混凝 土的一种改进， 通过在矩形钢管混凝土柱截面中设置一定数 量的拉杆， 对其提供附加约束 ， 能够较大地改善和提高其力学 性能[ 8 _ 。文献【 8 — 9 ] 分别针对带约束拉杆矩形钢管混凝土短 柱的轴压 、 偏压性能进行了试验研究， 研究表明约束拉杆的设 置有助于提高核心混凝土约束效应， 延迟钢管的局部屈曲。文 献[ 8 ] 在试验研究的基础上， 针对矩形钢管长、 短边对核心混凝 土约束作用大小不同以及约束拉杆沿长、 短边布置数量不同 等特点， 应用基于混凝土真三轴受力试验的破坏准则确定管 内核心混凝土的峰值强度 ， 提出了带约束拉杆矩形钢管混凝 土短柱轴压承载力的计算方法。该方法可以较好地评估带约 束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压承载力， 适用于相关的理论 研究， 然而其表达式较为复杂， 不适合工程实践应用 ， 故有必 要提出带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压承载力的简化计 算方法。 1 现有带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压 承载力的计算方法 文献[ 8 】 在试验研究的基础上 ， 考虑了矩形钢管长、 短边对 核心混凝土约束作用大小不同以及约束拉杆沿长、 短边布置数 量不同等特点， 提出了带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压承 载力的计算方法， 现简述如下： Ⅳ 。 - 十 A 州 ( 1 ) 式中i 。——钢管长边； ． 厂 短边的纵向强度； 。 —— 钢管长边 ； A 广短边的横截面面积； 一 核心混凝土极 限强度 ； A 一核心混凝土的横截面面积。 收稿 日期 ：2 0 0 9 — 1 1 - 1 2 ． 基金项目：国家自然科学基金项目资助( 5 0 8 7 8 0 8 7 ) ； 广东省自 然科学基金项目资助( 9 4 5 1 0 0 9 0 0 1 0 0 2 7 4 4 ) ； 广东工业大学博士基金( 0 8 3 0 6 1 ) 4 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 由 F 式确定 ： 6 -9 6 3 8 f 、 —u 0 ／ c = 1 2 ． 2 4 4 5 ( c o s 1 ． 5 ) j - 卜 7 - 3 3 l 9 ( s i n 1 ． 5 ) 口 = 1 F 一、 ／ 咂 ． ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) c o s = 二 ( 7) 3 N ／ T ．r 。 ( 8 ) 后 。 ．f g ( 9 ) 后 一 i =x 6 ( B - 2 t ) ] [ 一 器】 【 卜 丽J l 卜 丽J 。 。— — ( B — - a —s1) 广——— _ j —一 二 — — R 1> 0 ．8 5 = ( 一 等 ，一 一、 ／ 譬 2 一 2t Jsr l 2 当R- ≤O ． 8 5时 。= - 0 ． 1 ％ = 0 ． 8 ％ 当 R 2> 0 ．8 5 时 ( 一 f—l n - I ＼ 2 一 n 2 J 皿 2 当R 2 ≤O ． 8 5时 一 0 ． 1 ％ _ 0 _ 8 ％ 式中： 广一 八面体正应力； T 广一 八面体剪应力； 『 _ 一 八面体正应力相对值； r 『 _ 一 八面体剪应力相对值； ——偏平面夹角； 。 —— 沿长边方向等效约束应力； ．詹一沿短边方向等效约束应力； ． —— 沿长边方向侧向平均约束力； —— 沿短边方向侧向平均约束力； — _ 有效约束系数； 0 。 、 约束界线边切角； 。 —— 沿长边方向的约束拉杆水平间距； 一 沿短边方向的约束拉杆水平间距； 6 。—一约束拉杆纵向间距； —— 沿长边方向的约束拉杆的屈服强度； 厂沿短边方向的约束拉杆的屈服强度； ． —— 钢管屈服强度 ； 一 钢管弹性模量 ； —— 泊松比。 2 本文提 出带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱 轴压承载力的简化计算方法 鉴于现有带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压承载力的 计算方法表达式较为复杂 ， 不适合工程实践应用， 因此需要对 其进行简化。 假定带约束拉杆矩形钢管混凝土轴压短柱的承载力计算 公式可简化为： 。 -厶A A 以A 。 ( 1 9 ) 式中； 。——钢管屈服强度； — _ } 昆 凝土单轴抗压强度； 。 —— 矩形钢管长边的纵向强度折算系数； — 矩形钢管短边的纵向强度折算系数。 分别定义为： 。= 西 ，旦 ( 2 0 ) 3 呵 1 时 西 核心混凝土抗压强度提高系数 ， 定义为： ( 2 1 ) 文献【 8 】 认为钢管宽厚比参数 R是影响矩形钢管混凝土试 件钢管长、 短边破坏模态的主要因素。当R> 0 ． 8 5时钢管将发生 局部屈曲破坏 ； 当 R ≤0 ． 8 5时， 钢管可不考虑局部屈曲， 钢管 长、 短边竖向强度可按 S a k i n o等人四 建议取 0 ． 8 ％ 。 对文献【 8 】 的 试验数据 回归分析， 建议矩形钢管长边 、 短边的纵向强度折算 系数 、 扎 按式( 2 2 ) 、 ( 2 3 ) 确定 ： ． f O ．8 9 R 1 ≤ 0 ． 8 5 、 i0 -8 9 R 1 > 0 ． 8 5 ( 2 2 ) 当 。> 0 ． 8 5时， 若 。 的计算值大于 0 ． 8 9 ， 则取 0 ． 8 9 。 f 0 ．8 9 R 2 ≤ 0 ．8 5 、 i 0 ．8 o- 8 5 ( 2 3 ) 当R ． 8 5时， 若 的计算值大于 0 ． 8 9 ， 则取 0 ． 8 9 。 核心混凝土强度的提高主要与沿矩形钢管长、 短边方向拉 杆约束系数 、 和矩形钢管长边、 短边的宽厚比参数 尺 、 尺 等 有关。其中矩形钢管长、 短边方向拉杆约束系数 、 定义如下 t l ! ! ! r 2 4 ) ． Ⅱ s 。 ! 生2_ ( 2 5 ) 6 。 式中： 啦 ，——沿长边方向的约束拉杆水平间距； n 厂沿短边方向的约束拉杆水平间距； 6 -一约束拉杆纵向间距； ． —— 沿长边方向的约束拉杆的屈服强度； 厂沿短边方向的约束拉杆的屈服强度。 文献[ 1 0 】 对带约束拉杆方形钢管混凝土的研究表明， 混凝 土强度提高系数咖 。 与拉杆约束系数 的关系基本成线性关系， ( b 。 与方钢管宽厚比参数 R呈非线性关系。 由于关于带约束拉杆 矩形钢管混凝土试件的试验数据偏少， 建议暂对带约束拉杆矩 形钢管混凝土柱( 仅沿矩形短边方向设置拉杆时即 。= 0 ) 的核 心混凝土强度提高系数 表达为 ： 1 ． 8 RV ~IR 2 - 0 ．0 8 6 ( 1 + 1 ． 3 ) ( 2 6 ) 3 计算结果与试验结果的比较 采用本文提出的简化方法对文献【 8 ] 的带约束拉杆矩形钢管 49 、，、 、 、 、，、 ，、， ： 2 " ， L／L／ L／ ；／L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 混凝土柱试件的轴压承载力进行了计算 ， 其计算结果与文献[ 8 1 提出的计算方法的计算结果以及试验结果的比 较列于表 1 。由 表可见， 本文提出的简化方法的计算结果与试验结果吻合良好 ( ／ ^ ‘ 的平均值 ： 0 ． 9 9 7 ， 标准差 = o ．0 3 7 ) ， 其离散性较文献[ 8 】 提 出的计算方法的计算结果大。本文提出的简化方法表达式简单， 更便于应用。 表 1 本文提出的简化方法的计算值、 文献【 8 】 方法的计算值 与试验值的比较 4结论 本文提出的带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压承载力 的简化计算方法考虑了轴压下矩形钢管长边 、 短边竖向强度的 不同， 同时考虑了约束拉杆和钢管对核心混凝土的约束作用， 且表达式简单， 方便应用。应用该方法对带约束拉杆矩形钢管 混凝土短柱试件的轴压承载力进行计算， 计算结果与试验结果 上接第 4 7页 0 0 O 琶 0 o 6 0 O 0 试件 ( a ) 各侵蚀状态下c l 一含量变化规律 侵蚀 条件 ( b ) 各样本c l 冶。 量变化规律 图 2 试件中线外 0 ～ 4 0mm 处 C I 啥 量 合物水泥浆对提高混凝土抗渗性影响不明显； 表面喷涂有机硅 涂层可大幅度提高混凝土抗渗性。 ( 3 ) 与其他样本 比较 ， P 1 随侵蚀时间延长有加速混凝土劣 化的迹象。 5 O 比较表明， 两者吻合良好。 参考文献 ： f 1 】F O R L O N G R W． S t r e n g t h o f s t e e l - e n c a s e d C O h O rt @b e a m~ c o l u m n s [ J ] ． J S t r u e t ． D i v ． ， A S C E， 1 9 6 7 ， 9 3 ( S ， r 5 ) ： 1 1 3 一 l 2 4 ． [ 2 】K N O WL E S R B ， P AR K R ．S t r e n g t h o f c o n c r e t e - fi l l e d s t e al t u b u l a r c o l — u m n s [ J ] ．J S t r u c t D i v ， A S C E， 1 9 6 9 ， 9 5 ( S T 1 2 ) ： 2 5 6 5 — 2 5 8 7 [ 3 】S C H N E I D E R S P ． A x i a l l y l o ~e d c o n c ret e - fi l l e d s t e e l t u b e s [ J ] ． J S t r u c t E n g ， 1 9 9 8 ， 1 2 4 ( 1 0 ) ： 1 1 2 5 ～ l 1 3 8 ． [ 4 1 UY B oS t ren gth o f s h o r t c o n c ret e fi l l e d h i g h s t r e n g t h s t e e l b o x c o l u mn s [J ] ． C o n s t r u c t S t e e l R e s ， 2 0 0 1 ， 5 7 ( 2 ) ： I j 4 — 3 4 ． [ 5 】S A K I N O K， N A K AH A R A H， MO R I N O S ， e t a1 ． B e h a v i o u r o f c e n t r a l l y l o a d e d c o n c r e t e - fi l i e d s t e e l - t u b e s h o r t c o l u m n s [ J] ． S t r u c t E n g ， 2 0 0 4， 1 3 0 ( 2 ) ： 1 8 0 — 8 ． 【 6 】 张正国． 方钢管混凝土轴压柱的机理和承载力分析[ J ] ． 工业建筑 ， 1 9 8 9 ， 1 9 ( 1 1 ) ： 2 — 7 ． 【 7 ] 韩林海， 陶忠 钢管混凝土轴压力学性能的理论分析与试验研究叨． 土木工程学报， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 7 — 2 5 ． 【 8 】C A I J i a n ， L O N G Yu e — l i n g ． A x i al l o a d b e h a v i o r of r e c t a n g u l a r C H" s t u b c o l u mn s w i t h b i n d i n g b a r s 啪． A d v a n c e s i n S t ruc t u r al E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， l O ( 5 ) ： 5 5 1 — 5 6 5 ． 『 9 ]9 龙跃凌， 蔡健． 带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱偏压性能的试验研 究[ J ] _工业建筑 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 1 0 ) ： 1 2 6 — 1 3 0 ． 【 l O 1 C AI J ， HE Z Q ． A x i al l o a d beh a v i o r o f s q u a r e C F r r s t u b c o l u m n s w i t h b i n d i n g b a r s [ J ] ．J C o n s t r u c t S t e e l I R e s ， 2 0 0 6 ， 6 2 ( 5 ) ： 4 7 2 - 4 8 3 ． 作者简介： 单位地址 ： 联系电话 ： 龙跃凌( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 博士， 讲师， 从事结构工程研究。 广州市番禺区广州大学城外环西路 1 0 0 号 厂东工业大学 校区土木与交通工程学院土木工程系( 5 1 0 0 0 6 ) 1 3 2 5 0 2 5 0 5 1 6 3结 论 ( 1 ) 用粉煤灰等量取代水泥 ， 虽然使混凝土早期孔道增加 但能够堵塞混凝土后期渗水渠道； 表面加涂有机硅涂层能够防 止海水于早期渗入混凝土， 两种措施结合， 优势互补 ， 能有效防 止混凝土劣化， 对保护钢筋有利。 ( 2 ) 本工程采用的微膨胀抹灰层和聚合物水泥浆不能有效 堵塞裂缝， 属于多余工序， 其他工程不必借鉴。 参考文献 ： ⋯ 1 王用中， 丁自强． 沿海混凝土桥梁的腐蚀与防护【 J 】 ． 桥梁建设 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 1 0 2 — 1 0 6 ． 【 2 ] 钟亚伟， 李固华． 沿海混凝土耐久性研究综述fJ 1 ． 四川建筑科学研究， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 9 0 - 9 4 ． 【 3 】 欧阳幼玲， 陈迅捷， 张燕驰． 腐蚀环境中海工混凝土抗氯离子侵蚀 性[ J I ．水利水运工程学报， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 3 9 — 4 3 ． [ 4 】 封孝信 ， 冯乃谦， 张树和 ， 等． 沿海公路桥梁破坏的原因分析及防止 对策 ．公路， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 3 1 — 3 4 ． 【 5 ] 杨建明， 陈新洋， 钱春香． 混凝土耐久性技术在海口泄洪闸工程中的 应用f J 1 _混凝土， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 9 5 — 9 9 ． 【 6 J6 金扁良， 张苑竹．预估混凝土氯离子分布的新方法[ J 】 。浙江大学学报： 工学版， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 9 6 ～ 1 9 9 ． [ 7 1 朱桂红， 田砾 ， 赵铁军， 等． 氯离子侵蚀混凝土有机硅防水处理有效 性研究叨． 建筑科学， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 7 9 - 8 2 ． 【 8 】8 王铁梦． 工程结构裂缝控制【 M J 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 ． 作者简介： 薛淑萍( 1 9 6 6 - - ) ， 女， 昌 l墩授， 主要从事海工混凝土研究工1 乍 。 单位地址： 山东省日照市学苑路6 7 7 号 山东水利职业学院( 2 7 6 8 2 6 ) 联 系电话 ： 1 3 5 0 6 3 3 1 0 6 1 O O O 0 0 O O 0 ＼ 啦如_ l u 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m