圆钢管混凝土短柱新模型轴心受压承载力计算

张 宇 本

(浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000)

1 概述

钢结构工程施工快速、方便，其构件可以工厂化生产，现场施工充分发挥了装配式结构的施工优势，构件具有足够的强度和韧性，但是建造使用成本高。为了降低整体工程的造价，同时又不降低工程整体的安全性、可靠性和耐久性，人们考虑采用钢管混凝土结构(Concrete-Filled Steel Tubular，CFST)。钢管混凝土结构大大减少了钢材的用量，同时又极大地降低了工程造价。

钢管混凝土结构本质上是复合结构，综合了钢结构和混凝土结构的优良性能。钢管混凝土结构延性、承载力和稳定性较好，能够进行装配式施工，速度快，操作方便，降低了工程造价。钢管混凝土结构由于其优越的力学性能，具有比较大的发展潜力，在各工程领域有广阔的应用前景[1]。核心混凝土施工浇筑时充满钢管内部空间，硬化后能达到设计要求的物理力学性能，特别是抗压强度，从钢管内部空间增强钢管的抗屈曲性能，和钢管本身实现无差别化的结合，整体上相当于从内部全方位给钢管提供了支撑，同时钢管相当于钢筋混凝土短柱的钢筋笼，而且可以理解为相当于箍筋和竖向钢筋都无限加密的钢筋笼，这样大大加强了对核心混凝土的约束，因此，钢管混凝土柱的弹塑性性能更好，应用在抗震结构上有比较大的优势，另外，施工过程中，由于钢管的约束作用直接省去了混凝土结构所需要模板相关的材料和工艺过程，应用起来更方便，便于推广应用。但是钢管长时间外露容易受到腐蚀，需要很高的维护费用，同时如果需要进一步增大荷载作用和满足实际使用要求，就需要进一步设计出更有效的结构构件。因为实际应用中受空间及审美等各方面因素的影响，人们往往需要构件截面尺寸要小，但是并不希望构件强度同时要降低，甚至还要求构件强度还要最大程度的提高，所以专家学者们提出了很多构造措施，如增加内部钢筋[2]、内置型钢[3,4]和加劲肋[5]的措施。为了使钢管混凝土柱具有良好的防腐性能，并进一步提高其抗压强度、刚度和延性等物理力学性能，本文设计外带单层钢筋混凝土结构的钢管混凝土短柱构件，提出了一些构造措施增强内外混凝土和中间钢管的相互粘结作用，同时提出两种模型下轴心抗压承载力计算公式或对既有公式的修正建议，希望这些研究会对实际设计和施工有一定的参考意义。

2 构件结构设计

构件基本结构分三层，从里到外依次是：核心层素混凝土、中间层圆钢管和最外层钢筋混凝土结构。三层可以通过施工构造措施结合成一个整体协同发挥作用。一般的钢管混凝土柱核心混凝土和钢管间通过正常的摩擦挤压结合在一起发挥作用，为了更好地使核心层混凝土和钢管结合在一起，可以在不影响管壁厚度和正常发挥作用的前提下把钢管内表面做特殊毛化处理，以增加混凝土和管壁间的咬合粘结作用，本构件是正常粘结。外层钢筋混凝土结构厚度和钢筋网或钢筋笼可以根据需要设计成一个或一个以上钢筋网，如果是多层钢筋网，不同钢筋网间间距也可以根据要求进行设计。本构件设计一层钢筋网，并且钢筋网围绕钢管外围一周远离钢管一侧放置。外层混凝土和钢管外壁间也可以实现自然浇筑硬化粘结，本构件采用正常粘结方式。实际中为了增加粘结作用可以设置拉结钢筋，即钢筋一端缠绕或焊接在钢柱上，另外一端自然锚固在外层钢筋混凝土结构上，这样可以大大增强外层混凝土和钢管间的粘结作用。图1是外带钢筋混凝土结构层的圆钢管混凝土短柱结构示意图。

3 双层钢筋混凝土模型

3.1 模型成立条件

1)钢管和核心混凝土符合平截面假定，同时外层钢筋混凝土结构也符合平截面假定。

2)核心混凝土和钢管看作协同发挥作用的独立结构，同时外层混凝土结构也独立发挥作用。

3)钢管达到强度设计标准值前截面的形状不变，钢管将不会发生局部屈曲。

4)钢管可以分别近似作为核心混凝土和外层混凝土的对应侧钢筋，但承载力计算时取对应钢管屈服强度值作设计值，并且计算钢管横截面积时按1/2面积计算，这样内部结构相当于带单层钢筋，外部结构相当于带双层钢筋。

5)钢管达到强度设计标准时即可认为内层构件达到破坏状态。

3.2 短柱极限承载力

核心混凝土外侧周围是全封闭钢管，理论上可以把钢管近似看作普通钢筋混凝土柱的钢筋笼约束，利用钢筋混凝土本构模型进行分析，其轴心抗压承载力计算公式可以近似为：

(1)

最外层钢筋混凝土结构按普通的钢筋混凝土结构计算其轴心抗压承载力，计算公式可以近似为：

(2)

整个构件轴心受压承载力计算公式可以由式(1),式(2)叠加得出，即：

(3)

式(3)中字母符号的涵义同式(1)和式(2)。

4 钢管混凝土协同工作模型

4.1 模型成立条件

1)钢管和内外混凝土组成的整体结构符合平截面假定。2)钢管和内外混凝土之间在构件达到破坏状态之前相互咬合的摩擦力足够保证钢管和混凝土呈整体状态。3)钢管屈服前截面的形状不变，钢管将不会发生局部屈曲。4)钢管达到强度设计标准时即可认为整个构件达到破坏状态。

4.2 短柱极限承载力

这种模型把混凝土和钢管看作一个整体[6,7]，这里根据构件实际构造模型给出了修正的协同工作的承载力计算公式，即：

Nus4=fyc(Ay+Ac)

(4)

其中，Nus4为该模型钢管混凝土短柱的极限承载力;Ay为该模型钢管混凝土短柱中钢管和钢筋横截面面积之和；Ac为该模型钢管混凝土短柱内外层混凝土横截面面积之和;fyc为该模型钢管混凝土短柱钢管和混凝土组合抗压强度设计值(可以通过试验验证获得)。

协同工作模型还有另外一种[8]，文献[8]中考虑了钢管和混凝土的相互作用，分别根据钢管和混凝土的单独承载力，叠加得出总的极限承载力，这里根据新模型对公式中的相应参数进行修正，同时外层钢筋混凝土承载力也单独计算叠加上去，即：

(5)

当θ>1.235时适用此公式。

当θ≤1.235时适用如下公式，即：

(6)

式(4)～式(6)都是考虑钢管和内外侧混凝土协同工作模式下，钢管混凝土短柱承载力计算公式，钢管外面有钢筋混凝土结构层，本文的理论计算是在前人的研究成果基础上进行修正。

5 结语

通过对带外层钢筋混凝土结构的钢管混凝土短柱几种计算模型的分析得出如下结论：

1)重新设计了钢管混凝土短柱结构，既解决了钢管外露容易腐蚀维护成本高的问题，又大大增强了钢管混凝土短柱的轴心受压承载力。

2)双层钢筋混凝土结构模型轴心受压的理论计算公式，比较简单易懂，计算的准确性需要进一步实验验证和对模型计算公式的改进。

3)钢管混凝土协同工作模型对外层钢筋混凝土结构也进行了简化处理，计算整体构件承载力时外层钢筋混凝土承载力没有像原有计算理论那样进行综合，而是进行独立叠加，后续也需要通过试验进一步验证改进。

4)文中提出了一些构造措施，旨在进一步加强构件结构层的协同作用，充分发挥钢管和内外层混凝土的物理力学性能。