钢管混凝土构件截面刚度的规程对比分析

朱益 郑懿

(深圳市华纳国际建筑设计有限公司，浙江杭州 310000)

0 引言

钢管混凝土柱利用外钢管和核心混凝土的相互作用，提高了混凝土的强度和变形能力，并延缓了钢管的屈曲，使构件具有优越的承载能力和良好的变形能力，因此得到了广泛的研究和应用［1］。依据截面形式的不同，可分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土和矩形钢管混凝土，其中前两类应用较为广泛，相应的规范如国内DBJ 13-51-2003钢管混凝土结构技术规程［2］，DL/T 5085-1999钢—混凝土组合结构设计规程［3］，GJB 4142-2000战时军港抢修早强型组合结构技术规程［4］，国外如日本的AIJ(1997)［5］等。此外，众所周知，在结构设计时，截面刚度起着重要作用。借此，本文以圆钢管混凝土和方钢管混凝土为研究对象，以截面含钢率为参数，对各规范间的关于轴压刚度和抗弯刚度进行了详细比较，最后通过简单结构加以说明，供结构设计参考。

1 规范基本规定

对于轴压刚度，文献［2］和文献［3］、文献［2］和文献［4］分别视圆钢管混凝土、方钢管混凝土为一体，用组合模量的方法进行标示，而文献［5］则采用钢管和混凝土各自轴压刚度之和，具体见式(1)～式(3)：

圆钢管混凝土：

圆钢管混凝土［5］：

方钢管混凝土：

文献［5］关于方钢管混凝土轴压刚度的求解类同式(2)。

对于抗弯刚度，文献［2］和文献［5］采用外钢管和核心混凝土各自抗度叠加原理计算，而文献［3］和文献［4］则采用组合抗弯弹性模量计算，具体见式(4)～式(6)。

文献［2］：

当为圆钢管混凝土时，a0=0.8，当为方钢管混凝土时，a0=0.6。

文献［5］：

文献［3］：

n=Es/Ec，β=Is/Ic，αs=As/Ac，Esc见式(1)，式(3)。

文献［4］计算方法类同式(6)。

2 轴压刚度

由式(1)～式(3)可知，文献［2］和文献［3］、文献［2］和文献［4］关于轴压刚度的区别在于组合强度设计值的取法不同，而该值主要由约束效应系数和材料强度种类决定。此外，在实际应用中，钢材主要采用Q345型，混凝土等级普遍为C40～C60之间，此外，文献［2］的含钢率范围为0.04～0.2。借此，在参数分析时，钢材取为Q345，混凝土为C40，此时，组合强度设计值由约束效应系数决定，等同于含钢率决定。据此，图1和图2分别给出了圆钢管混凝土、方钢管混凝土的轴压刚度差与含钢率的关系曲线，其中轴压刚度差是以文献［2］的计算值为标准，文献［3］～［5］计算值的增值幅度。

图1 轴压刚度差和含钢率的关系（一）

图2 轴压刚度差和含钢率的关系（二）

由图1，图2可知，对于圆钢管混凝土轴压刚度，文献［2］和文献［3］较接近，差值幅度在10%以内，文献［5］和文献［2］的差值幅度在含钢率较小或较大时较明显;对于方钢管混凝土轴压刚度，文献［4］和文献［2］较接近，差值幅度在5%以内，文献［5］和文献［2］类同圆钢管混凝土。

3 抗弯刚度

类同轴压刚度，采用上述材料强度。由式(6)可知，要求得文献［3］和文献［4］规定的圆钢管混凝土、方钢管混凝土的抗弯刚度，应事先知组合弹性模量和K2系数，而由式(1)，式(3)可知，两变量都取决于含钢率。据此，图3，图4分别给出了圆钢管混凝土、方钢管混凝土的抗弯刚度差与含钢率的关系，其中抗弯刚度差是以文献［2］的计算值为标准，文献［3］～［5］计算值的增值幅度。

图3 抗弯刚度差和含钢率的关系（一）

由图3，图4可知，对于圆钢管混凝土，文献［3］较文献［2］抗弯刚度的增值在含钢率较大时较明显，而文献［5］在任意含钢率时显著偏小于文献［2］;对于方钢管混凝土，文献［4］较文献［2］的增值均在15%附近，而文献［5］显著偏小于文献［2］。

4 工程应用

以两跨三层的平面框架为例，如图5所示，当采用方钢管混凝土柱时柱子截面均为 当采用圆钢管混凝土时，柱子截面为150 mm×6 mm。按照图5的加载图，以及根据文献［2］～［5］，求得了层间位移，如表1所示，表1中括号内的数值是相对文献［2］计算值的百分率。

图4 抗弯刚度差和含钢率的关系（二）

图5 结构示意图

表1 各结构层层间位移值的规范比较

由表1可知，无论方钢管混凝土还是圆钢管混凝土，结构层间位移差别显著，在选择标准时应进行合理比较。

5 结语

以圆钢管混凝土、方钢管混凝土作为研究对象，对常用规范关于轴压刚度和抗弯刚度进行了详细的参数比较分析，指出文献［2］和文献［3］、文献［2］和文献［4］关于轴压抗度相差很小，但抗弯刚度差别显著，文献［2］和文献［5］关于轴压抗度、抗弯刚度差别均较明显。

［1］ 韩林海.钢管混凝土结构理论与实践［M］.北京：科学出版社，2007.

［2］ DBJ 13-51-2003，钢管混凝土结构技术规程［S］.

［3］ DL/T 5085-1999，钢—混凝土组合结构设计规程［S］.

［4］ GJB 4142-2000，战时军港抢修早强型组合结构技术规程［S］.

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