不同规程下矩形钢管混凝土抗弯承载力研究

张明聚,孙乾坤

(北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)

不同规程下矩形钢管混凝土抗弯承载力研究

张明聚,孙乾坤

(北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)

通过国内外钢管混凝土设计规程对有关试验进行了矩形钢管混凝土抗弯承载力的计算,比较了规程之间计算结果的差异。结合典型算例,分析了在不同含钢率、混凝土强度和钢材强度等影响因素下钢管混凝土抗弯承载力的变化趋势,得出了不同设计规程在进行矩形钢管混凝土构件抗弯承载力设计计算时的特点,结论具有一定的参考价值。

矩形钢管混凝土;抗弯承载力;含钢率;混凝土等级;钢材强度

0 引言

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。钢管混凝土结构充分利用钢和混凝土两种材料在受力过程中相互作用,借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性,借助钢管对核心混凝土的套箍作用,使核心混凝土处于三向受力状态,从而使钢管混凝土具有承载力高、塑性、韧性好、变形能力高的特点[1]。

多年来国内外学者对钢管混凝土的力学性能和设计方法开展了细致的研究工作,已取得了丰硕的成果。国外,1981年Sakino和Tomii进行了15根方钢管混凝土压弯构件在往复荷载作用下的试验研究,考察了截面宽厚比、轴压比等参数对该类构件滞回性能的影响[2];1989年Shakir-Khalil和J.Zeghiche对7根矩形钢管混凝土柱进行试验研究[3],试验结果与有限元计算结果和英国规范BS5400进行比较,初步得到了一些尝试性结论;英国的YC.Wang进行了8个矩形钢管混凝土长柱的偏压试验[4],提出了比较简单的公式;1991年Matsui对钢管内壁有肋的方钢管混凝土柱进行了拟静力试验,研究了内突肋对方钢管混凝土柱的延性和耗能能力的影响[5];1998年P.Schneider报道了3个圆形截面、5个方形截面和6个矩形截面钢管混凝土轴压短柱的试验结果[6],试验结果表明:(1)方、矩形钢管混凝土对核心混凝土的约束效果明显不如圆钢管。(2)ABAQUS程序可以准确地计算出钢管混凝土的极限承载力。

在国内,1998年陶忠等以偏心率、截面宽度、管壁厚度和混凝土强度为变化参数进行了21根方钢管混凝土的压弯构件的试验[7],对方钢管混凝土压弯构件荷载-变形全过程进行分析,推导了验算压弯构件承载力的相关方程;2006年王晶对6个宽厚比小于19的矩形钢管混凝土受弯构件进行了试验研究[8],结果表明矩形钢管混凝土受弯构件具有较高的承载力和良好的延性,采用纤维模型法对矩形钢管混凝土受弯构件荷载-变形关系进行理论分析与试验结果吻合程度较好;2008年李黎明等通过9个方钢管混凝土柱在低周反复荷载下的试验研究[9],分析了该构件的承载能力、变形能力、刚度退后、耗能能力及结构的破坏机制。

通过对钢管混凝土的研究,各国制定了相关的设计规程和规范,国外有关钢管混凝土的设计规范主要有美国规程AISC(2005)、日本规程AIJ(1997)、欧洲规范EC4(2004)、英国规程BS 5400(2005)和德国DIN 18806(1997)等,这些规程中都同时包含了圆钢管和矩形钢管混凝土构件承载力设计计算方面的条文[10]。我国有关设计规程有JCJ01-89、CECS 159:2004、DL/T5085-1999及国家电力行业标准GJB4142-2000和福建省建设厅发布的地方规程DBJ13-51-2003。

1 钢管混凝土规范计算结果与相关试验比较

为了验证不同规程之间的钢管混凝土抗弯承载力的差异,本文选取规程AISC(2005),AIJ(1997),EC4(2004),BS5400(2005),GJB4142-2000,CECS159:2004和DBJ13-51-2003[11-17]等规程对文献[18]的试验成果进行了计算,计算与试验结果如图1所示。

图1 规范计算结果与试验结果比较

其中,图1选用的四种试验构件尺寸分别为150 mm×120 mm、150 mm ×90 mm、120 mm ×90 mm、120 mm×60 mm,壁厚均为2.93 mm,计算长度为1 000 mm,钢材屈服强度为293.8 MPa,混凝土立方体抗压强度为23.1MPa,采用四分点加载方式。图1的纵坐标为弯矩。

经过计算,通过图1的比较分析得出:按照不同规程计算所得到的钢管混凝土抗弯承载力差别并不明显,数据比较接近;与试验数据相比,按规程计算的结果小于实际试验结果。

结合各规程的计算公式,存在如上差异,主要是因为:规程EC4,CECS,BS5400考虑了核心混凝土的抗弯影响,但是没有考虑到钢管与混凝土之间的约束和粘结;规程AIJ和AISC只考虑了钢管的抗弯能力,忽略了混凝土的影响;规程DBJ和GJB考虑了钢管对混凝土的约束作用。但是实际试验中,钢管混凝土在受弯时由于钢管对混凝土的约束、钢管与混凝土之间的粘结使得混凝土处于复杂的受力状况下,增大了其抗弯承载能力,规程的计算都是偏于保守的。

2 影响因素分析

为了比较各规程在计算钢管混凝土承载力时受到含钢率、混凝土强度及钢材强度影响的特点,结合了典型算例,对AISC(2005),AIJ(1997),BS 5400(2005),GJB 4142-2000,DBJ13-51-2003,CECS 159:2004和EC4(2004)等规程在不同因素下进行了比较和计算,研究了不同因素对钢管混凝土的抗弯承载能力的影响。

2.1 含钢率的影响

选取壁厚不同、尺寸分别为200 mm×4 mm×1000 mm、200 mm×6 mm×1000 mm、200 mm ×8 mm×1000 mmmm、200 mm×10 mm×1000 mm的方钢管,在混凝土强度等级为C60、钢材强度等级为Q345的情况下分别进行计算,计算结果如图2。

图2 不同含钢率下规程的计算结果

从图2可以看出:各个规程计算的钢管混凝土随着含钢率的升高,抗弯承载力变化类似;规程AISC和AIJ由于计算时忽略了混凝土的贡献,计算结果最低;规程DBJ13-51-2003受含钢率的影响比较大,随着含钢率的增高抗弯承载力增大最为明显。从总体来说各个规程在不同含钢率下计算结果差距不大。

结合各规程公式分析原因知:各个规程的计算公式与含钢率大致呈线性关系,所以他们的抗弯承载力变化类似。

2.2 混凝土强度等级的影响

选取尺寸为200 mm×10 mm×1000 mm的方钢管,混凝土强度等级为 C30、C40、C50和 C60,在钢材强度等级为Q345的情况下进行计算,计算结果如图3。

图3 不同混凝土强度下的计算结果

从图3可以看出:混凝土强度对各规程的抗弯承载力影响不大,每条曲线都近似为一水平线;规程之间由于混凝土强度不同计算结果有一定差距。其中规程DBJ13-51-2003的计算结果最大。

结合各规程公式分析原因知:规程AISC和AIJ不考虑混凝土的影响,所以其计算结果为一水平线;EC4(2004),BS5400(2005),CECS159:2004考虑了混凝土的抗弯的影响,抗弯承载力随着混凝土强度的升高而增大;而DBJ13-51-2003和GJB4142-2000由于考虑了构件截面约束效应系数的影响,混凝土强度升高会使系数降低,有可能使钢管混凝土的抗弯承载力降低。

2.3 钢材强度的影响

选取尺寸为200 mm×10 mm×1000 mm的方钢管,钢材强度等级分别为Q235、Q275、Q315和Q345,在混凝土等级为C40的情况下进行计算,计算结果如图4。

图4 不同钢材强度下的计算结果

由图4可以看出:各个规程钢管混凝土的抗弯承载力受钢材强度的影响都比较大,各个规程随着钢材强度的增大变化规律比较类似;同时可以看出随着钢材强度的进一步加大,钢管混凝土抗弯承载力增大变缓。其中规程DBJ13-51-2003的计算结果明显大于其它6种规程,规程BS 5400(2005),AISC(2005),AIJ(1997)的计算结果相对较小。

3 结 论

通过以上的研究,可以初步得到以下结论:

(1)矩形钢管混凝土的实际抗弯承载力大于规程计算的抗弯承载力,为了最大发挥其作用,推荐使用规程DBJ13-51-2003。

(2)含钢率对矩形钢管混凝土的抗弯承载力有明显影响,各个规程在不同含钢率下计算的抗弯承载能力结果差距不明显。

(3)混凝土强度对矩形钢管混凝土的抗弯承载能力有较小的影响,但是各个规程在不同混凝土强度下计算的抗弯承载能力结果有一定的差距,其中规程AISC和AIJ不考虑混凝土的影响,所以其计算结果为一定值。

(4)钢材强度对矩形钢管混凝土的抗弯承载力有一定影响,各个规程在钢材强度较低时计算结果差距不大,随着钢材强度的升高,计算结果差距逐渐变大。

[1]钟善桐.钢管混凝土结构[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2]Sakino K,Tomii M.Hysteretic behavior of concrete filled square steel tubular beam-columns failed in flexure[J].Transaction of the Japan Concrete Institute,1981,3(1):439-446.

[3]Shkair-Khalil H,Zeghiche J.Experimental behavior of concrete-filled rolled rectangular hollow-section columns[J].Structural Engineering Review,1996,6(2):346-353.

[4]Wang Y C.Tests on slender composite columns[J].Journal of Constructional Steel Research,1999,49(1):25-41.

[5]Matsui C,Keira K,Kawano A,et al.Development of concrete filled steel tubular structure with inner ribs[C]//Proceedings of the Third International Conference on Steel-Concrete Composite Structures,1991:201-206.

[6]Schneider S P.Axially loaded conerete-filled steel tubes[J].Journal of Structural Engineering Reston,1998,124(10):1125-1138.

[7]陶 忠,韦灼彬,韩林海.方钢管混凝土压弯构件力学性能及承载力的研究[J].工业建筑,1998,28(10):10-14.

[8]王 晶.矩形钢管混凝土受弯性能研究[D].包头:内蒙古科技大学,2006.

[9]李黎明,李 宁,陈志华,等.方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究[J].吉林大学学报学报(工学版),2008,38(4):817-822.

[10]吉伯海,王晓亮,董 祥,等.圆钢管轻质混凝土轴压性能及承载力试验研究[C]//“第七届全强轻骨料及轻骨料混凝土学术讨论会”“第一届海峡两岸轻骨料混凝土产制与应用技术研讨会”论文集.2004:460-463.

[11]AISC360-05.Specification for structural steel buildings[S].American Institute of Steel Construction(AISC),Chicago,USA.2005.

[12]AIJ.Recommendations for design and construction of concrete filled steel tubular structures[S].Architectural Institute of Japan(AIJ),Tokyo,Japan,1997.

[13]Eurocode 4(EC4).Design of steel and concrete structures-Part-1:General rules and rules for building[S].EN1994-1-1:2004,Brussels European Committee for Standardization,2004.

[14]British Standards Institutions BS5400.Steel,concrete and composite bridges,Part 5:Code of practice for design of composite bridges[S].London,UK,2005.

[15]中国人民解放军总后勤部.GJB 4142-2000.战时军港抢修早强型组合结构技术规程[S].北京:中国人民解放军总后勤部,2001.

[16]中国工程建设标准化协会.CECS 159:2004.矩形钢管混凝土结构技术规程[S].北京:中国计划出版社,2004.

[17]福建省建设厅.DBJ13-51-2003.钢管混凝土结构技术规程[S].福州:福建省建设厅,2003.

[18]杨有福,韩林海.矩形钢管混凝土抗弯力学性能试验研究[J].地震工程与工程振动,2001,21(3):41-47.

Research on Flexural Bearing Capacity of Rectangular Steel Tube Concrete in Different Codes

ZHANG Ming-ju,SUN Qian-kun
(College of Architectural Engineering,Beijing Polytechnical University,Beijing100124,China)

Though the calculation resultsof the bending bearing capacity in rectangular steel tube concrete tests,the difference between the norms is observed and studied.By means of typical examples,the changing trends of the bending bearing capacity of the rectangular steel tube concrete under different steel ratio,different concrete strength and different steel strength are analyzed in detail,and the characteristics of different norms are obtained through the calculation of the bending bearing capacity of the rectangular steel tube concrete.The conclusion is valuable to projects and researchers.

rectangular steel tube concrete;flexural bearing capacity;steel ratio;concrete grade;steel strength

TU312+.1

A

1672—1144(2012)05—0001—03

2012-03-01

2012-04-20

张明聚(1962—),男(汉族),博士,教授,主要从事城市地下空间与地下工程、基坑与边坡设计理论的教学与科研工作。