謝玉芳

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900)

0 引言

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件。工程中最常用的三種混凝土構(gòu)件橫截面形式主要是圓形、方形和矩形。在鋼管中填充混凝土形成鋼管混凝土后，鋼管約束了混凝土，可延緩其受壓時(shí)的縱向開(kāi)裂，而混凝土可以延緩或避免鋼管過(guò)早發(fā)生局部屈曲。兩種材料相互彌補(bǔ)了彼此的弱點(diǎn)，充分發(fā)揮了各自的長(zhǎng)處。鋼管混凝土由于具有承載力高、抗震性能好和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

隨著鋼材性能的不斷發(fā)展，高強(qiáng)鋼在鋼管混凝土中的應(yīng)用已是國(guó)內(nèi)外工程界關(guān)心的熱門課題之一。鋼管混凝土若采用高強(qiáng)鋼，可以節(jié)約鋼材、減小構(gòu)件截面面積和減輕結(jié)構(gòu)自重等。高強(qiáng)鋼管混凝土可用于荷載很大的結(jié)構(gòu)，如高層建筑、地下工程和大跨結(jié)構(gòu)的支柱等，但目前相關(guān)規(guī)程規(guī)定的鋼材屈服強(qiáng)度均沒(méi)有超過(guò)460 MPa，因此研究高強(qiáng)鋼管混凝土構(gòu)件承載力的計(jì)算方法是十分必要的。

1 寶鋼產(chǎn)高強(qiáng)鋼板

寶鋼具備生產(chǎn)結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)鋼產(chǎn)板的能力。寶鋼5 m厚板軋機(jī)工程是寶鋼股份公司“十五”規(guī)劃建設(shè)的最大項(xiàng)目，厚板軋機(jī)產(chǎn)品定位是高強(qiáng)度船板、大口徑油氣輸送管線用鋼板、高強(qiáng)度建筑結(jié)構(gòu)板、鍋爐和壓力容器用鋼板等高難度厚板產(chǎn)品。寶鋼4.2 m厚板軋機(jī)工程以特殊專用板為主，兼顧船板、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)板和高強(qiáng)度容器板。

部分高強(qiáng)度建筑板產(chǎn)品見(jiàn)表1。

表1 寶鋼《結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)鋼板》產(chǎn)品規(guī)格

該系列高強(qiáng)度鋼板在不預(yù)熱或低預(yù)熱的情況下焊接不出現(xiàn)裂紋，具有較低的Pcm值、低碳當(dāng)量、優(yōu)異的焊接性，同時(shí)具有低C含量、高純凈度、高強(qiáng)度和高韌性等特點(diǎn)。寶鋼產(chǎn)建筑結(jié)構(gòu)用鋼已被應(yīng)用于中央電視臺(tái)新臺(tái)址、上海環(huán)球金融中心和日經(jīng)大廈等重大工程。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

1997年方麗蓓等對(duì)國(guó)外有關(guān)高層建筑高強(qiáng)鋼箱形混凝土柱特性和設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)研。分析表明，高層建筑中采用高強(qiáng)鋼箱形柱，可獲得非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)重量極大減少，抗震性能也可獲得改善。

2007年堯國(guó)皇等采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土壓彎構(gòu)件荷載—變形關(guān)系進(jìn)行了分析，并與日本AIJ，美國(guó)AISC-LRFD，歐洲EC4和國(guó)內(nèi)規(guī)程進(jìn)行比較。材料的本構(gòu)關(guān)系采用韓林海模型。

分析結(jié)果表明:

1)該文采用的數(shù)值模型具有良好的適用性。

2)在計(jì)算高強(qiáng)圓鋼管混凝土構(gòu)件承載力時(shí)，DBJ 13-51-2003和EC4(1994)方法的計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近。

公路工程中的冷接縫施工技術(shù)則主要是以直接對(duì)工作縫進(jìn)行實(shí)時(shí)連接來(lái)體現(xiàn)，比如在攤鋪新攤鋪帶之前，將攤鋪帶邊緣要做切平刨毛處理，碾壓前將新鋪攤鋪帶做接縫側(cè)邊靠近設(shè)置，并對(duì)側(cè)邊緣進(jìn)行鏟齊削直作業(yè)，碾壓期間讓碾壓機(jī)做靜壓一遍后再進(jìn)行振壓，以此完成冷接縫施工[2]。

3)計(jì)算高強(qiáng)方、矩形鋼管混凝土構(gòu)件承載力時(shí)DBJ 13-51-2003，AIJ(1997)，AISC-LRFD(1999)計(jì)算值與試驗(yàn)值比較接近。

3 國(guó)外研究現(xiàn)狀

B.Uy等進(jìn)行了高強(qiáng)箱形鋼管混凝土短柱和長(zhǎng)柱承載力的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析。

3.1 短柱研究

1)試驗(yàn)構(gòu)件鋼管屈服強(qiáng)度為750 MPa，混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度為28 MPa～32 MPa;鋼管截面寬厚比分別為20，30和40。

2)試驗(yàn)破壞模式包括局部屈曲，焊縫斷裂等。鋼管局部屈曲發(fā)生在混凝土壓潰以后，處于非彈性階段。

3)基于混凝土完全壓潰和鋼管全截面屈服的EC4模型高估了試件承載力。

4)假設(shè)混凝土壓潰和鋼管截面部分彈性，將EC4模型進(jìn)行了修改，修改后的EC4模型可用于設(shè)計(jì)。

3.2 長(zhǎng)柱研究

1)試驗(yàn)構(gòu)件鋼管屈服強(qiáng)度為761 MPa，混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度為20 MPa;鋼管截面寬厚比分別為22，32，42和52。

2)采用修改后的EC4模型，同時(shí)結(jié)合有效的寬度，可以用于設(shè)計(jì)。

Varma等進(jìn)行了高強(qiáng)箱形鋼管混凝土壓彎構(gòu)件抗震性能試驗(yàn)分析。

研究情況如下:

1)試驗(yàn)構(gòu)件鋼管屈服強(qiáng)度分別為600 MPa(屈強(qiáng)比0.89)和660 MPa(屈強(qiáng)比0.90)，混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度為110 MPa;軸壓比分別為0.11和0.21;實(shí)測(cè)鋼管截面寬厚比分別為34和50。

2)循環(huán)加載對(duì)于構(gòu)件的彎曲剛度和抗彎承載力沒(méi)有顯著影響，但循環(huán)加載下，峰值荷載后承載力退化加劇。

3)ACI和修改后的AIJ方法可用于預(yù)測(cè)高強(qiáng)箱形鋼管混凝土壓彎構(gòu)件承載力。

BRI的NO.147報(bào)告拓展了AIJ中鋼管混凝土柱的研究范圍，具體參數(shù)詳見(jiàn)表2，主要結(jié)果如下。

表2 研究范圍(NO.147，BRI)

1)圓鋼管混凝土軸心受壓短柱承載力。圓鋼管軸心受壓短柱承載力可按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

其中，f'c為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度;As為鋼管橫截面面積;Ac為內(nèi)填混凝土面積;σsy為鋼管屈服強(qiáng)度。

2)軸心受壓方鋼管混凝土短柱承載力。方鋼管軸心受壓短柱承載力可按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

其中，S為方鋼管局部屈曲影響系數(shù);B，t分別為方鋼管截面寬度和壁厚。

3)圓鋼管混凝土偏心受壓短柱承載力。圓鋼管混凝土偏心受壓短柱承載力可按圖1進(jìn)行解析。

圖1 圓鋼管混凝土偏心受壓短柱截面應(yīng)力圖

4)方鋼管混凝土偏心受壓短柱承載力。方鋼管混凝土偏心受壓短柱承載力可按圖2進(jìn)行解析。

圖1中混凝土強(qiáng)度可按以下公式計(jì)算:

圖2 方鋼管混凝土偏心受壓短柱截面應(yīng)力圖

圖2中各參數(shù)可按以下公式計(jì)算:

4 初步結(jié)論

為了指導(dǎo)設(shè)計(jì)，采用圖2方法解析了相關(guān)文獻(xiàn)［9］中的試件，結(jié)果表明(見(jiàn)表3)，該方法可用于設(shè)計(jì)。

表3 抗彎承載力對(duì)比

對(duì)于處于復(fù)合受力狀態(tài)的高強(qiáng)鋼管混凝土柱的抗彎承載力可采用前述偏心受壓柱的公式進(jìn)行計(jì)算。

［1］韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)——理論與實(shí)踐［M］.第3版.北京：科學(xué)出版社，2004.

［2］DBJ 13-51-2003，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］AISC-LRFD.Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings.American Institute of Steel Construction(AISC)，Chicago：1999.

［4］Eurocode 4.Design of Composite Steel and Concrete Structures.Part1.1：General Rules and Rules for Buildings(Together with United Kingdom National Application Document).DD ENV 1994-1-1：1994，British Standards Institution，London：1994.

［5］AIJ.Recommendations for Design and Construction of Concrete Filled Steel Tubular Structures.Archit ectural Institute of Japan(AIJ)，Tokyo：1997.

［6］American Concrete Institute(ACI).(1999).Building code requirements for structural concrete(ACI 318-99)and commentary(ACI 318R-99)，ACI，F(xiàn)armington Hills，Mich.

［7］Uy B.Strength of short concrete filled high strength steel box columns.Journal of Constructional Steel Research 2001(57)：113-134.

［8］Uy B.Strength of slender concrete filled high strength steel box columns.Journal of Constructional Steel Research 2004(60)：1825-1848.

［9］Varma，A.H.，Ricles，J.M.，Sause，R.，et al.(2004).Seismic behavior and design of high-strength square concrete-filled steel tube beam columns.Journal of Constructional Steel Research 2004(130)：169-179.

［10］BRI Research Paper NO.147(ISSN 0453-4972).Building Research Institute，2002，JAPAN.

［11］YB/T 4137-2005，低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼板［S］.