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鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件，它是在勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及螺旋配筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土柱具有承載力高、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、美觀等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)廠房和高層以及超高層建筑中得到了大量的應(yīng)用。

表1 軸壓長(zhǎng)柱試件參數(shù)表

1 單肢鋼管混凝土中長(zhǎng)柱主要影響因素參數(shù)分析

實(shí)際結(jié)構(gòu)中采用的鋼管混凝土軸壓柱的長(zhǎng)細(xì)比都較大，往往是由于構(gòu)件發(fā)生屈曲而破壞。因此本節(jié)對(duì)鋼管混凝土軸壓中長(zhǎng)柱進(jìn)行彈塑性失穩(wěn)分析，并研究荷載與構(gòu)件跨中位移的變化關(guān)系受構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比和套箍系數(shù)的影響規(guī)律。參照我國(guó)現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)鋼結(jié)構(gòu)軸心受壓構(gòu)件臨界力的計(jì)算，考慮桿長(zhǎng)千分之一的初撓度，計(jì)入殘余應(yīng)力的影響，按照壓彎構(gòu)件的方法來(lái)確定其臨界力。對(duì)于鋼管混凝土，荷載的初偏心影響屬于偏心較小的范疇，鋼管殘余應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件的影響也屬于偏心較小的范疇。鑒于這種情況，在計(jì)算鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件的臨界力時(shí)，考慮桿長(zhǎng)千分之一的初撓度，以考慮鋼管混凝土長(zhǎng)柱本身缺陷的影響。

選取文獻(xiàn)[1]的11根鋼管混凝土長(zhǎng)柱進(jìn)行分析，構(gòu)件的參數(shù)見表1，主要研究構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比對(duì)鋼管混凝土柱穩(wěn)定承載力的影響(結(jié)果詳見圖1)。

在用有限元程序?qū)︿摴芑炷林虚L(zhǎng)柱進(jìn)行分析時(shí)，通過研究構(gòu)件的荷載—跨中位移關(guān)系來(lái)研究軸心受壓鋼管混凝土長(zhǎng)柱的極限承載力隨構(gòu)件參數(shù)的變化規(guī)律。

有限元分析結(jié)果比較:1)從長(zhǎng)柱軸心受壓荷載—位移曲線可以看出，鋼管混凝土長(zhǎng)柱在沒有屈曲以前，跨中位移一般很小，而當(dāng)構(gòu)件屈曲后，其位移迅速增大而荷載反而變小，這表明構(gòu)件已進(jìn)入了不穩(wěn)定平衡階段，構(gòu)件即將破壞。2)從荷載—位移曲線可以看出，構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比對(duì)構(gòu)件的極限承載力和后期延性都有很大的影響。隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加，不但使構(gòu)件的承載能力降低而且構(gòu)件的荷載—位移曲線的下降段變陡。3)從表1可以看出，對(duì)于鋼管混凝土長(zhǎng)柱，混凝土強(qiáng)度的變化對(duì)構(gòu)件的極限承載能力的影響較小。其根本原因是由于鋼管混凝土長(zhǎng)柱在沒有達(dá)到材料強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件已經(jīng)屈曲破壞，因此混凝土本身的強(qiáng)度得不到充分的利用，所以，當(dāng)混凝土強(qiáng)度變化很小時(shí)，對(duì)構(gòu)件的承載能力影響較小。4)圖2顯示了采用有限元程序得到計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的關(guān)系，可見兩者總體上吻合較好，因此用該方法對(duì)鋼管混凝土柱的穩(wěn)定承載力分析是可行的。

2 單肢鋼管混凝土中長(zhǎng)柱的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式

對(duì)于鋼管中長(zhǎng)柱軸壓承載力的計(jì)算，普遍采用的方法是在短柱承載力N0的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)穩(wěn)定系數(shù)φ(或稱為承載力折減系數(shù))，即:

本文采用引入相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比[2]的方法，使鋼管混凝土柱的屈曲曲線與軸壓鋼柱的屈曲曲線取得一致。由鋼管混凝土短柱軸壓承載力的計(jì)算公式，導(dǎo)出鋼管混凝土柱的相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比ˉλ。采用相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比時(shí)可以不用考慮鋼材屈服強(qiáng)度的影響，當(dāng)混凝土面積趨近于零時(shí)，則A成為純鋼柱的長(zhǎng)細(xì)比值。根據(jù)鋼構(gòu)件軸壓承載力設(shè)計(jì)公式的建立方法，確定鋼管混凝土中長(zhǎng)柱的穩(wěn)定系數(shù)φ，公式推導(dǎo)如下:

鋼管混凝土柱的相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比ˉλ按下式確定:

其中，ˉλ，L0分別為構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比和計(jì)算長(zhǎng)度;λc，Lc分別為構(gòu)件的Euler臨界荷載等于N0時(shí)的長(zhǎng)細(xì)比和相應(yīng)的臨界長(zhǎng)度。

在正常使用荷載作用下，處于彈性階段的鋼管混凝土，其套箍作用尚不明顯因而可以忽略，鋼管猶如普通鋼筋混凝土中的縱向鋼筋一樣與核心混凝土保持協(xié)調(diào)變形，根據(jù)鋼管與核心混凝土的彈性變形協(xié)調(diào)條件，并考慮到鋼管混凝土柱在受壓過程中受拉區(qū)混凝土?xí)_裂，從而使混凝土的抗彎剛度可能隨荷載過程衰減，因此乘以0.6的系數(shù)。

則鋼管混凝土柱在正常使用狀態(tài)下的抗彎剛度可按下式取值:

其中，Es，Is分別為鋼管的彈性模量和鋼管橫截面的面積對(duì)其重心軸的慣性矩;Ec，Ic分別為混凝土的彈性模量和混凝土橫截面的面積對(duì)其重心軸的慣性矩。

則Euler臨界荷載 NE可表示為:

由上式和短柱承載力計(jì)算公式，根據(jù) Lc的定義可得:

將式(5)代入式(1)得到鋼管混凝土柱的相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算公式為:

仿照普通鋼柱和鋼筋混凝土柱的處理方法，直接從大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中找出因長(zhǎng)細(xì)比的增長(zhǎng)而使極限承載力降低的規(guī)律(見圖3)。

由此可以得到考慮長(zhǎng)細(xì)比影響的鋼管混凝土軸心受壓中長(zhǎng)柱的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式為:

3 結(jié)語(yǔ)

選取相關(guān)文獻(xiàn)[3]～[6]的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證式(8)的正確性，從分析比較中可以得出，隨著構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比的增大，鋼管混凝土柱的穩(wěn)定極限承載力不斷下降。構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比是影響鋼管混凝土中長(zhǎng)柱的穩(wěn)定極限承載力的主要因素。文中提出的采用相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比方法可以不用考慮不同鋼材屈服強(qiáng)度的影響，當(dāng)混凝土面積趨近于零時(shí)，則 λ-變?yōu)榧冧撝拈L(zhǎng)細(xì)比值。文中推導(dǎo)的式(8)的計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，比文獻(xiàn)[1]推薦的公式離散性小。

[1] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)——理論與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社，2004:340-342.

[2] 李德滋.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定手冊(cè)[D].哈爾濱:哈爾濱建筑工程學(xué)院，1980:38-42.

[3] 蔡紹懷，顧萬(wàn)黎.鋼管混凝土長(zhǎng)柱的性能和強(qiáng)度計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1985(1):32-40.

[4] 顧維平，蔡紹懷.鋼管高強(qiáng)混凝土長(zhǎng)柱性能和承載能力的研究[J].建筑科學(xué)，1991，7(3):3-8.

[5] 譚克鋒.鋼管與超高強(qiáng)混凝土復(fù)合材料的力學(xué)性能及承載力研究[D].重慶:重慶建筑大學(xué)，1999.

[6] 王力尚，錢稼茹.鋼管高強(qiáng)混凝土柱軸向承載力試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu) ，2003 ，33(7):46-49.