钢管混凝土中钢管的纵向容许应力

刘永健+姜磊+张宁

摘要：针对钢管混凝土短柱轴心受压过程中钢管与核心混凝土在极限承载阶段时的多向应力状态，引入钢管纵向容许应力折减系数与混凝土抗压强度提高系数，对钢管混凝土的应力状态、轴压承载力计算进行理论分析，给出各系数的计算方法，并将计算值与试验值进行对比。结果表明：该方法计算值与试验值较为吻合；钢管纵向容许应力折减系数的引入有助于加深对钢与混凝土二者之间相互作用的认识，在工程常用范围内可为钢管混凝土结构节点设计提供参考。

关键词：钢管混凝土；极限承载力；组合作用；钢管；纵向容许应力；强度折减

中图分类号：TU311 文献标志码：A

Longitudinal Allowable Stress of Steel Tube in Concrete-filled Steel Tube

LIU Yong-jian1， JIANG Lei1， ZHANG Ning1，2

（1. National Engineering Laboratory for Bridge Structure Safety Technology， Changan University， Xian

710064， Shaanxi， China； 2. School of Water Resources and Architectural Engineering， Northwest

A&F University， Yangling 712100， Shaanxi， China）

Abstract： According to multiaxial stress state of steel tube and concrete under ultimate state in concrete-filled steel tubular （CFST）stub columns under axial load， longitudinal allowable stress reduction factor of steel tube and compressive strength improvement factor of concrete were defined to analyze the stress state and calculate the axial bearing capacity， and the calculation methods of the factors were proposed. Comparison between the calculation values of the method and test values was carried out. The results show that the calculation results are in good agreement with the test results. The proposed longitudinal allowable stress reduction factor contributes to understanding interaction mechanism and can provide references for joint design of CFST structure in scope of engineering.

Key words： concrete-filled steel tube； ultimate bearing capacity； composite action； steel tube； longitudinal allowable stress； strength reduction

0 引 言

钢管混凝土（CFST）结构的工作性能优势表现在钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于侧向围压状态，轴向强度得以提高。同时，混凝土的存在阻止或延缓了钢管发生面外局部屈曲，保证了钢材性能充分发挥。目前，针对钢管混凝土轴压构件的极限状态研究主要集中在套箍效应计算方法，即核心混凝土强度的提高模式，而此时的钢管应力状态则关注不足。钢管混凝土短柱极限受压时，钢管管壁除主轴方向的纵向应力外，还受核心混凝土径向压力产生的环向应力，因此钢管处于多向应力状态。受金属材料体积畸变的影响，环向应力的产生将导致钢管纵向应力的折减。蔡绍怀[1]、韩林海等[2-4]、Ellobody等[5]、Sakino等[6-8]通过试验研究发现，在钢管和核心混凝土发生组合作用时，钢管管壁存在环向应力增加和纵向应力折减的趋势。可见，钢管混凝土构件受外荷载产生套箍作用时，会间接降低钢管纵向承载能力。

实际工程中，钢管混凝土结构多在钢管管壁上设置节点进行传力，如钢管混凝土上承式拱桥的桥面荷载通过立柱先传递到拱肋的钢管表面，钢管混凝土建筑结构中梁端剪力通过梁柱节点传递给钢管混凝土柱的钢管[9-10]。若此时承受轴压的拱、柱产生套箍作用，钢管的纵向容许应力由于环向应力的增加而逐渐减小，则钢管可能在未完成与混凝土界面传力时就出现了纵向屈服破坏。另一方面，钢管混凝土轴压构件的验算往往忽略钢管环向应力的影响，此时得到的钢管管壁纵向承载力未做相应折减，导致结构设计低于真实的应力状态[11-12]。

目前，钢管纵向容许应力受环向应力的折减规律与作用机理在钢管混凝土的研究中尚未得到重视。王玉银等[13]实测了36个圆钢管高强混凝土轴压短柱的纵向和横向应变，仅利用钢管平面应力-应变关系研究钢管纵向应力变化情况，但缺少相关理论计算方法。本文通过引入钢管纵向容许应力折减系数，对钢管混凝土短柱的钢管应力状态、轴压承载力计算进行了理论分析，同时对钢管混凝土的钢管应力水平在工程范围内进行了讨论与对比，为钢管混凝土结构设计提供参考。