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胡栋 ： 圆钢管混凝土柱轴心受压承载力计算分析 5 9 圆钢管混凝土柱轴心受压承载力计算分析 胡栋 ( 同济大 学土木工程学院建筑工程系 。 上海2 0 0 0 9 2) 【 摘要】 本文对钢管混凝土柱的形式、 影响钢管混凝土柱承载力的因素行了分析 ， 简要介绍钢管混凝土柱 承载力计算公式的四种理论， 并对各国规范计算轴心受压柱公式进行验证 比较， 结果表明各国规范尽管公式在形 式上有所区别， 但考虑因素都大同小异 ， 计算结果偏差不大。 【 关键词】 钢管混凝土柱； 受压承载力 【 中图分类号】 T U 3 7 5 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 5 9 0 3 CALCULATI ON ANALYS I S 0lF AXI AL LY COM口 E ， RES S ED CONCRE I E F LED S TEEL TU BULAR CoLUM NS HU Do n g ( D e p t o f B u i l d i n g E n g i n e e r i n g ， T o n g j i U n i v ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e a r t i c l e a n a l y z e s d i f f e r e n t t y p e s o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e I t u b u l a r c o l u n l n s a n d f a c t o r s t h a t i n f l u e n c e t h e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y of 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 mn s I t a l s o i n t r o d u c e s f o u r c o mp u t a t i o n a l t h e o r i e s f o r c o l u mn s a n d c o mp a r e s the d e s i g n i n g c o d e s i n d i ff e r e n t c o u n t rie s ，t h e r e s u l t s s h o w s t h a t a l tho u g h t h e r e a r e d i ff e r e n c e s a mo n g t h e s e c o d e s ，t h e f a c t o r s o f the s e c o d e c o n c e rni n g h a v e l i t d e d i ff e r e n c e，a n d t h e c o mp u t a t i o n a l r e s u l t s a l s o h a v e l i t t l e d i f f e r e n c e Ke y wo r d s ： 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 mn s ；c o mp r e s s i v e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y 1 8 9 7年 J o h n I _ a l l y 在钢管中填充混凝土作为房 屋建筑的承重柱， 距今钢管混凝土结构在土木工程中 的应用已逾百年的历史。2 0世纪 2 0年代前后美 国波 士顿、 纽约、 芝加哥等地 曾将其用于单层、 多层建筑的 承重柱 。苏联于 1 9 3 7年开始对钢管混凝土结构做 系统的研究 ， 并在工业厂房、 空间结构和拱桥结构中应 用。在 2 O世纪 6 0年代之后， 钢管混凝土技术在西欧、 北美及 日本等发达工业 国家受到重视， 开展了大量的 实验研究工作， 取得了许多成果， 主要相关设计规程有 E C 4 ， B S 5 4 0 0 ， A C I 3 1 8 9 9 ( 1 9 9 9 ) ， A I S CL R F D ( 9 9 ) 和 A I J ( 9 7 ) 等。我国于 1 9 5 9年开始研究钢管混凝土， 在 钢管混凝土力学性能研究方面取得了丰硕的成果 ， 并 制定了相应的技术规程： C E C S 2 8 ： 9 0 钢管混凝土结 构设计与设计施工规程 、 J C J 0 1 8 9 ( 钢管混凝 土结 构设计与施工规程 ， D L T 5 0 8 51 9 9 9 钢 一混组合 结构设计规程 等 J 。 1 钢管混凝土柱的性能及研究方法 1 1 钢 管混凝土柱 的形式 目前应用较多的钢管混凝土柱截面形式主要有 以下几 种 ， 如图 1 所示。 钢管混凝土柱有长柱与短柱之分， 通常将长径比 图I 图1 钢管混凝土柱截面形式 D4的柱叫做短柱。对于短柱和长柱 ， 在受力时， 计算其承载力所考虑的因素略有不同。一般来说 ， 计 算钢管混凝土柱的承载力时， 需要考虑的因素有套箍 指标 ， 钢管的屈服强度， 混凝土的强度， 柱两端的约束 条件及两端的弯矩 比值等。但对 于长柱， 由于其长细 比较大， 在加载过程中可能会出现失稳的现象， 故而计 算公式中需考虑长细比的影响。这些因素在各种规程 中的计算式中都有体现。 1 2 钢管混凝土柱轴心受压性能 钢管混凝土柱轴心受压时主要有如下特征： 钢 管对混凝土具有套箍约束作用 ， 使混凝土处于三向受 压状态， 从而提高混凝土具的抗压强度和压缩变形能 力 ； 借助内填混凝土的支撑作用， 增强钢管壁的几何 稳定性， 改变空钢管的失稳模态 ， 从而提高其承载能 力。根据哈尔滨锅炉厂做过的轴心受压对比试验 】 ， 6 0 低温建筑技术 2 0 1 1 年第3期( 总第 1 5 3 期) 同等条件下， 圆钢管混凝土柱的承载能力远大于混凝 土柱承载能力， 且其承载能力甚至要大于组成钢管混 凝土柱的混凝土核心柱及外包钢管承载力之和。 在长期荷载作用下 ， 钢管混凝土柱中核心混凝土 具有如下一些特点 ： t 昆 凝土处于密闭状态， 和周围的 环境没有湿度的交换； 沿构件的轴向收缩将受到外 包钢管混凝土的限制 ； 在受力过程中， 核心混凝土和 外包钢管存在着相互作用 。影响长期荷载作用下 钢管混凝土构件受力性能的主要有加载龄期、 持荷时 间、 轴压比、 含钢率、 钢材种类、 混凝土强度等级、 荷载 偏心率及徐变等。 1 3 承载能力测试方法 目前对于钢管混凝土柱轴心受压的实验方法有 以下三种形式 ， 如图2所示。大量实验研究表明， 此三 种加载方法所得的极限承载力值几乎相等 ， 只是变形 会有所差别。故柱在轴心受压承载力计算时候， 柱端 的加荷方式造成的影响可以不考虑。 审N 卑牵N 1 4 钢管混凝土柱承载力计算的理论 目前主要有4种钢管混凝土计算理论和方法： ( 1 ) 中国建筑研究院提出的拟混凝土理论， 在 计算时， 主要考虑核心混凝土三向受压应力状态下的 受力， 将钢管壁视为分布在核心混凝土周围的等效纵 向钢筋。中国工程建设标准化协会标准 C E C S 2 8 ： 9 0 、 欧洲的E C 4 、 美国 A C I 标准的计算方法采用此理论。 ( 2 ) 哈尔滨工业大学及福 州大学等研 究 的基 于 回归分析的统一计算理论 ， 将钢管混凝土视为一种组 合材料 ， 采用整体几何特性和组合性能指标来计算构 件的各项承载力， 不再区分钢管和混凝土 ， 其成果为福 建省工程建设标准 D B J 1 3 5 1 2 0 0 3 及国家军用标准 G B J 4 1 4 2 2 0 0 0采用。 ( 3 ) 同济大学基于钢结构分析方法提出的拟钢 结构理论 ， 其将混凝土折算成钢， 再按照钢结构设计规 范的模式进行分析计算 ， 求得等效钢管的性质， 并以等 效钢管构件的承载力作为原钢管混凝土构件的承载 力， 美国 L R F D规范的计算方法以此理论为基础。 ( 4 ) 日本及我 国天津地 区采用 的强度叠加理 论， 即将填充混凝土和钢管两部分的承载力进行叠加， 作为钢管混凝土构件整体的承载力， 日本钢骨钢筋混 凝土结构计算标准 A I J 9 7和天津规程 D B 2 95 7 2 0 0 3采用该计算理论。 2 各国规程计算对比分析 2 1 中国 D L T 5 0 8 5 1 9 9 9规程 D I JT 5 0 8 51 9 9 9规程 ， 即 钢 一混组合结构设计 规程 ， 提出套箍系数的概念 ， 其建立的理论基础为 前述的统一计算理论。轴压构件承载力计算公式为： N= q f , A ： ( 1 2 1 2+ 叩 0 + ， 7 ) 叼 。 = 0 1 7 5 9 f r 2 3 5 + 0 9 7 4 叼 。 =一 O - 1 0 3 8 f J 2 0 + 0 0 3 0 9 式中， 为套箍系数 ， =, f , f o ； o r 。 为构件截面含 钢率， 。 =A 。 A 。 ； 为混凝土轴心抗压强度设计值 ； J， 7 。 、 叼 。 为设计系数； A 。 为钢管混凝土的截面面积， A 。 = A 。 + A 。 ； 为轴心受压稳定系数。 2 2 美国 A I S CL R F D( 9 9 ) 规程 美国钢结构协会( A I S C ) 推荐的 荷载抗力系数设 计法钢结构规程 ( L R F D) 的理论基础为拟钢结构 理论。该规程把钢管混凝土组合构件视为纯钢构件， 把混凝土的强度折算到钢材中， 直接采用钢结构稳定 承载力设计公式。轴心受压构件承载力计算公式为： cN 式中， 为轴力设计值； N 为钢管混凝土轴心受 压极限承载力， N =F A 。 ； 为折减系数， 取值为 0 8 5 ， F 为临界应力 ， 按下式计算 ： ( 0 6 5 8 A 2o ) F y A 1 5 【 ( o 8 7 7 h ) F 1 5 其中， A 为构件的相对长细比。 F = 厂 v + 0 8 5 f ( A 。 A 。 ) 。 2 3 欧洲 E C 4 ( 9 4 ) 规程 欧洲标准协会于 1 9 9 6年颁布了 E u r o c o d e 4 ：D e s i g n o f c o m p o s i t e s t e e l a n d c o n c r e t e s t r u c t u r e ( E C A) ， 该规程采用修正后的全截面塑性抗压承载力作为钢 管混凝土轴压构件的强度承载力 ， 对于圆钢管混凝土， 轴压构件承载力计算公式为： f f t u = + 式中， A 。 、 A 。 分别为钢管截面面积和混凝土截面 面积； 厂 v 为钢材屈服强度 ； f 为混凝土圆柱体抗压强 度； 。 为钢材的材料分项系数 ， 取 I 1 ； 。 为混凝土的 材料分项系数， 取 I 5 。 2 4日本 A I J ( 9 7 ) 规程 日本在 1 9 9 7年颁布了 钢管混凝土设计与施工指 南 ( A I J 9 7 ) 】 ， 该规范强度叠加理论计算 ， 并考虑钢 胡栋 ： 嘶钢管混凝 土柱轴心受压承载力计算分 析 管对核心混凝土的约束效应。 算 公式为 ： 61 相关轴压构件承载力计 2 5 不同规程轴压构件承载力对比 N = 1 2 7 A F+ 0 s s f A F=m i n ( f y ， 0 ) ， 为钢材屈服强度 ， 为钢材 抗拉强度， -厂 为混凝土圆柱体抗压强度。 由以上各规程计算方法可以看 出， 以不同理论推 导出的轴心受压承载力计算公式有所不同， 现根据上 述理论和计算公式 ， 对不同参数圆钢管混凝土柱轴心 受压承载力进行计算 ， 结果见表 l 、 表2 。 表 1 各 规 程 轴 心 受 压 承 载 力 对 比 注： 构件长度为 5 0 0 0 m m， 钢材强度为 Q 2 3 5 。 表 2 计算值与平均值的比较 注 ： 1 、 肥 、 们 、 4分 别为 D L T 5 0 8 5 1 9 9 9 ， A I S C L R F D( 9 9) ， E C 4 ( 9 4) ， AU( 9 7 ) 计算所 得承载力。 通 过上 面的分析可 以看 出有 D L T 5 0 8 51 9 9 9规 程 、 A I S C L R F D( 9 9 ) 规程 、 E C 4规 程 、 A I J ( 9 7 ) 规程 得 出 的结 果 差 别并 不是 太 大 ， A I S CL R F D( 9 9 ) ， D L T 5 0 8 51 9 9 9结果较为接近， E C 4 ( 9 4 ) 计算值较小， 偏 于保守。表明有不同理论得 出的计算公式， 结果虽有 所不 同 ， 但都 能应用 于工程 实践中 。 参考文献 1 L a l l y H a n d b o o k o f l a l l y c o l u lr l lfl c o n s t r u c t i o n( S t e e l C o l u m n s C o n c r e t e F i l l e d ) M N e w Y o r k ： L d l y C o l u m n C o m p a n i e s ， 1 9 2 6 2 钟善桐高层钢管混凝土结构 M 哈尔滨： 黑龙江科学技术 出版社 ，1 9 9 9 3 蔡绍怀现代钢管混凝土结构 M 北京： 人民交通出版社， 2 o ( ) 3 4 韩林海长期荷载作用对圆钢管混凝土压弯构件力学性能影 响的研究 J 土木工程学报， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 2 ) ： 8 1 9 5 钟善桐钢管混凝土结构( 第3版) M 北京： 清华大学出版 社 2 0 0 3 6 D L T 5 0 8 5 1 9 9 9 ， 钢 一 混组合结构设计规程 s 7 L o a d a n d R e s i s t anc e F a c t o r D e s i g n S p e c i fi c a t i o n S A m e ri c a n I ns t i t u t e o f S t e e l C o n s t r u c t i o n，1 9 9 9 8 E u r o c o d e 4：D e s i gn o f C o m p o s i t e S t e e l a n d C o n c ret e S t r u c t u re S E u r o p e a n C o m m i t t e e f o r S t a n d a r d i z a t i o n ， 1 9 9 6 f 9 R eco m m e n d a t i o n s f o r D e s i g n a n d C o n s t r u c t io n o f C o n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b u l a r S t r u c t u re s S A r c h i t ect u r a l i n s t i t u t e o f J a p a n ， 1 9 9 7 1 0 聂建国钢一混凝土组合结构 M 北京： 中国建筑工业出 版社 ， 2 0 0 5 收稿 日 期 2 0 1 0 1 1 0 3 作者简介 胡栋( 1 9 8 7一 ) ， 男， 江西进贤人， 硕士研究生 研究方 向： 钢结构抗震。