国内外型钢混凝土柱承载能力计算方法比较

周 琴，吴园园，谢志英，曾 磊 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

国内外型钢混凝土柱承载能力计算方法比较

周 琴，吴园园，谢志英，曾 磊 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

在型钢混凝土柱抗震性能试验研究的基础上，对美国AISC、ACI和我国《钢骨混凝土结构设计规程》(YB 9082-2006)、《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ 138-2001)中有关型钢混凝土柱正截面承载能力、斜截面抗剪承载能力的计算理论和计算方法进行了简要介绍，并结合型钢混凝土柱承载力试验数据对规程中计算方法和计算结果进行了对比分析，为选用较合适的设计方法提供了参考和建议。

型钢混凝土柱；承载能力；设计规范；对比

型钢混凝土结构(Steel Reinforced Concrete Structure, SRC)是在混凝土中配置型钢,并配有一定纵向钢筋和箍筋的结构，具有承载力高、刚度大、延性好、抗震能力强等优点，被广泛应用于高层建筑或者大跨度结构中。国内外对型钢混凝土结构已有较深入、成熟的研究。型钢混凝土结构的设计方法可分为3类：一是美国AISC规范基于钢结构的计算方法，并考虑了外包混凝土的作用；二是以强度叠加作为计算理论，其忽略了混凝土和型钢之间的粘结作用，日本规范和《钢骨混凝土结构设计规程》(YB 9082-2006)(以下简称YB规程)[1]均采用这种方法；三是ACI规范和《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ 138-2001)(以下简称JGJ规程)[2]基于钢筋混凝土结构的设计方法，认为型钢和混凝土是完全协同工作的。下面，笔者以型钢混凝土柱的承载力研究为例，对美国AISC规范、ACI规范和我国YB规程、JGJ规程的计算方法进行对比分析，并结合试验数据进行验算，为工程设计与应用提供参考与建议。

1 型钢混凝土柱正截面承载力

1.1轴心受压柱正截面承载力

试验研究表明[3]，短柱在轴压力作用下，当截面应力达到材料的屈服极限或强度极限时，将引起塑性屈服或脆性断裂；而对于细长柱,当发生破坏时构件仍处于弹性状态，破坏并不取决于材料是否达到屈服，而是以构件发生失稳作为破坏标志。

AISC规范的设计原理是将钢筋混凝土视为等值的型钢，然后基于钢结构的计算方法进行承载力的计算。对于轴心受压柱的承载力Pn设计值计算公式为：

Pn=0.85AsFcr

(1)

式中，As为型钢的有效净截面面积，mm2；Fcr为型钢混凝土柱的临界应力,MPa；Fmy为屈服强度修正系数；Em为弹性模量修正系数；r为惯性半径修正系数。

ACI规范将型钢视为等值的钢筋，基于钢筋混凝土结构的计算方法进行设计：

(2)

国内对于轴心受压柱的研究也按长细比不同分为长柱、短柱，并采用稳定系数φ来修正不同长细比下的轴心受压柱正截面承载力值，其正截面承载能力采用叠加方法按下式计算：

(3)

以上规范对比分析可以看出， AISC规范中对轴压起决定作用的是长细比参数λc，ACI在按轴心受压构件计算的同时，考虑了最初的最小偏心率的影响，取系数0.8以限制受压构件的最大轴向荷载设计强度。国内规范中型钢混凝土柱轴心受压承载力的计算采用强度叠加的方法，将承载力视为混凝土、受力钢筋和型钢3部分承载力的叠加之和。

1.2偏心受压柱正截面承载力

型钢混凝土偏心受压构件承受轴力N和单向弯矩M共同作用，它同时具有受压构件和受弯构件的性能。型钢混凝土柱的压弯承载力可采用以平截面假定为基础的计算方法，规范中对实腹式型钢混凝土构件的正截面承载力的计算区别如下：ACI规范采用折减混凝土强度法，采用平均应力0.85fc等效的矩形受压应力分布形式去替代混凝土应力分布；JGJ规程基于普通钢筋混凝土结构设计理论，采用等效混凝土受压区高度方法；YB规程基于日本规范的强度叠加方法采用了一般叠加法，这种方法适用于所有的型钢混凝土偏压柱正截面承载力计算。YB规程确定型钢混凝土构件N-M曲线的一般方法为：

图1 型钢混凝土截面构成及分析

1)将型钢混凝土柱正截面承载力看成钢骨(S)部分、钢筋(R)部分和混凝土(C)部分3部分叠加之和(见图1)，按下式进行累加：

N=Nc+Nr+NsM=Mc+Mr+Ms

式中，Nc、Nr、Ns分别为混凝土、钢筋、型钢部分承担的轴力，kN；Mc、Mr、Ms分别为混凝土、钢筋、型钢部分承担的弯矩，kN。

2)图2为在轴力N和弯矩M的作用下，钢筋部分和混凝土部分的Nr-Mr、Nc-Mc的相关曲线。基于塑性理论下限定理，按累加强度法将型钢部分Ns-Ms相关曲线的原点放在钢筋混凝土混凝土部分Nrc-Mrc相关曲线上平移一圈为极限状态时得到Nsrc-Msrc相关曲线如图3所示。

3)最终形成的近似外包线即为基于累加强度法的正截面极限承载力N-M相关曲线，其计算结果是偏于安全的。

图2 Nr-Mr曲线、Nc-Mc曲线 图3 Nrc-Mrc曲线、Nsrc-Msrc曲线

1.3型钢混凝土柱正截面承载力计算方法的比较

下面以文献[4]的8个试件(截面尺寸406×406mm2、型钢规格W8×40)的主要参数进行正截面承载力的计算(见表1)，并对计算结果进行对比分析，进一步探讨不同设计方法的区别，以便更好的应用于实际工程。

表1 型钢混凝土柱正截面承载力计算方法比较

从表1数据可看出，对型钢混凝土柱正截面承载力的验算，ACI的设计值和JGJ规程的计算结果都偏于安全,MACI与实测值M之比平均为0.84，而MJGJ与实测值之比平均为0.98。比较结果说明，JGJ规程计算结果略大于ACI规范的设计结果。JGJ规程计算方法虽然有较高的精度，但计算方法较ACI规范的计算方法复杂，因此建议在工程设计中，采用YB规程或者ACI规范的计算设计方法，简单适用。

2 型钢混凝土柱斜截面承载力

2.1柱斜截面受剪承载力

配置实腹式型钢的型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土柱相比，其承载力有显著的提高，型钢腹板可以提供很大的抗剪承载力，表现出较大的延性和良好的抗震性能。试验研究表明[5]，由于配置实腹式型钢，很难形成主斜裂缝，破坏过程也较为缓慢，具有一定的延性，在反复荷载作用下，滞回曲线环较为饱满。

美国AISC设计规范是把型钢的受剪承载力按钢结构设计的方法来计算，考虑了型钢和抗剪箍筋的作用，而忽略了外包混凝土的作用。规范ACI是基于钢筋混凝土结构的设计方法，对于型钢的抗剪作用并未做考虑，因而使得设计更偏保守。

目前我国YB规程在柱的斜截面承载力计算中依然采用的是基于日本规范的强度叠加原理，将型钢混凝土构件的抗剪承载力看作是钢骨部分抗剪和钢筋混凝土部分抗剪承载力之和。钢骨混凝土柱截面的剪力设计值应满足：

(4)

JGJ规程是基于混凝土结构的设计方法，采用了极限状态方法设计。在平截面假定的基础上，考虑了型钢和混凝土粘结滑移的影响，从而建立型钢混凝土柱抗剪承载力计算公式。该规程给出的是充满型对称配置实腹式型钢的SRC框架柱的计算公式如下：

(5)

式中，fc为混凝土轴心抗压强度设计值，MPa;fa为型钢抗拉强度设计值，MPa;N为考虑地震作用组合的框架柱的轴压力设计值,kN；当N>0.3fcAc时，取N=0.3fcAc。

由YB规程和JGJ规程的计算方法对比不难看出，国内对于配置实腹式型钢的型钢混凝土柱承载力计算理论的研究已经较成熟，但是对于T形、L形非称配钢型钢混凝土柱承载力计算方法仍不够完善。

2.2型钢混凝土柱受剪承载力计算方法的比较

下面以实腹式型钢混凝土柱受剪承载力为例进行分析对比，比较公式(4)、(5)可以看出，型钢混凝土柱受剪承载力主要受剪跨比λ的取值的影响。根据文献[6-7]提供的试验数据，型钢混凝土柱受剪承载力计算公式(4)、(5)的比较如表2所示。

表2 型钢混凝土柱斜截面承载力计算方法比较

从表2数据可以得出,剪跨比2.0的试件按式(4)计算值与实测值之比平均为1.22,式(5)与实测值之比平均为0.91;而剪跨比1.0的试件按式(4)计算值与实测值之比平均为1.16,式(5)与实测值之比平均为1.11。比较结果分析得出，我国规程计算型钢混凝土柱受剪承载力式(4)计算的型钢混凝土受剪承载力偏弱，建议在实际工程中采用JGJ规程。

3 结 语

JGJ规程理论依据充分，考虑因素全面，计算结果也较为准确，但其计算过程和公式比较复杂，与现行的设计方法存在一定的差异。因此在工程设计中，建议采用YB规程或者ACI规范的计算方法，简单适用。笔者仅对比分析了配实腹型钢的型钢混凝土柱承载能力，因此对于型钢混凝土异形柱或非对称配钢型钢混凝土柱承载能力的相关曲线和设计计算公式的选取还有待于进一步完善。

[1]YB9082-2006，钢骨混凝土结构设计规程[S].

[2]JGJ138-2001，型钢混凝土组合结构设计规程[S].

[3]邓训,徐远杰. 材料力学[M]. 武汉：武汉大学出版社, 2002.

[4]Ricles J M, Panoojian S D. Seismic performance of steel-encased composite columns[J]. Journal of Structural Engineering, ASCE,1994，120(8):2474-94.

[5]陈宗平,薛建阳,赵鸿铁. 型钢混凝土异形柱的受剪机理及承载力影响因素分析[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版),2008,161(4):450-456.

[6]唐九如,庞同和,丁建南. 劲性混凝土短柱试验及其受剪承载力分析[J]. 东南大学学报,1991(4):74-81.

[7]宋占海. 型钢混凝土柱受力性能的试验研究[J]. 西安建筑科技大学学报,1995(1):35-39.

2012-12-12

国家自然科学基金项目(51108041)；湖北省自然科学基金项目(2011CDB009)；湖北省教育厅科学技术研究项目(Q20111316)。

周琴(1989-)，女，硕士生，现主要从事型钢混凝土组合结构方面的研究工作。

曾磊(1979-)，男，博士，副教授，现主要从事组合结构与工程抗震方面的教学与研究工作；E-mail: zenglei28@126.com。

TU398

A

1673-1409(2013)04-0079-04

[编辑] 洪云飞