王梨燕，唐興榮，楊靜明,陸國琦

(1.蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇蘇州215011； 2.中衡蘇州華造建筑設(shè)計有限公司，江蘇蘇州215021)

0 引言

已有的研究[1—6]表明，圓形鋼管可以提高其內(nèi)部混凝土的抗壓強(qiáng)度，同時混凝土又可以有效防止鋼管發(fā)生局部屈曲。為了改善圓形鋼管混凝土柱的軸壓性能，在其內(nèi)部埋設(shè)鋼骨，形成鋼骨-鋼管混凝土組合柱，使混凝土受到雙重約束作用，提高組合柱的承載力和變形性能。國內(nèi)外學(xué)者[7—12]對內(nèi)埋實腹鋼骨(如型鋼、圓鋼管、方鋼管等)的鋼管混凝土柱的研究較多，但對于內(nèi)埋空腹式鋼骨(如空間鋼構(gòu)架)的鋼管混凝土組合柱的研究還很少。已有的研究[13—19]表明，由角鋼和綴條焊接而成的空間鋼構(gòu)架可以有效提高其內(nèi)部混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形性能。本課題組對5根內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土短柱(圖1)進(jìn)行了軸壓試驗[20]9。在對這種新型組合柱混凝土約束機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，考慮空間鋼構(gòu)架對核心混凝土的約束作用和圓形鋼管對空間鋼構(gòu)架外混凝土的約束作用，采用疊加原理建立了內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土短柱承載力計算公式，計算值與試驗值吻合較好。

圖1 內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土柱截面

1 內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土柱混凝土約束機(jī)理

1.1 內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架約束混凝土機(jī)理

1)空間鋼構(gòu)架混凝土的有效約束系數(shù)ke

(a)橫向核心有效約束區(qū)

(b)縱向核心有效約束區(qū)圖2 空間鋼構(gòu)架混凝土柱的約束機(jī)理

(1)

考慮到沿柱高方向空間鋼構(gòu)架約束混凝土的不均勻性，有效約束面積取相鄰綴條的中間高度截面的有效面積：

(2)

式中，d為綴條寬度。

當(dāng)內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架混凝土柱為方形截面時，bc=dc，式(2)可以簡化為

(3)

綴條形心包含的混凝土截面面積Acc=Ac-Asa，式中Ac為綴條形心包含的核心截面面積，Asa為空間鋼構(gòu)架角鋼總截面面積。令空間鋼構(gòu)架混凝土的有效約束系數(shù)ke=Ae/Acc，則

(4)

式中，ρcc=Asa/Ac。

2)空間鋼構(gòu)架約束混凝土的平均約束應(yīng)力σr1的計算

為了將角鋼和綴條對混凝土的實際側(cè)向約束作用進(jìn)行簡化等效，假定側(cè)向約束應(yīng)力為均勻分布(圖3)。由圖3(b)力的平衡條件可得空間鋼構(gòu)架的平均側(cè)向約束力

(5)

式中,fyv為空間鋼構(gòu)架綴板的屈服強(qiáng)度,Ass1為綴板的截面面積。

(6)

(a)側(cè)向約束應(yīng)力分布

(b)x方向角鋼和綴條隔離體

(c)y方向角鋼和綴條隔離體

1.2 圓形鋼管約束空間鋼構(gòu)架外混凝土機(jī)理

圓形鋼管中空間鋼構(gòu)架外的混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力，這部分混凝土還增強(qiáng)了圓形鋼管壁的幾何穩(wěn)定性，從而提高其承載力。圓形鋼管對空間鋼構(gòu)架外混凝土的約束應(yīng)力為σr2，在σr2作用下，圓形鋼管產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力σ2，圓形鋼管豎向承受壓應(yīng)力σ1，如圖4所示。圖中:D為圓形鋼管外直徑；Dc為圓形鋼管內(nèi)直徑；t為圓形鋼管壁厚度。圓形鋼管承受的側(cè)向約束應(yīng)力σr2遠(yuǎn)小于環(huán)向拉力σ2，可以忽略不計，那么圓形鋼管就處于縱向受壓應(yīng)力σ1，環(huán)向受拉應(yīng)力σ2的應(yīng)力狀態(tài)。

(a)混凝土受力

(b)圓鋼管橫截面受力

(c)圓鋼管豎截面受力

由圖4(b)力的平衡條件可得，圓形鋼管的環(huán)向拉應(yīng)力σ2為

(7)

圓形鋼管采用Von-Mises屈服條件，忽略徑向應(yīng)力，其表達(dá)式為

(8)

解得

(9)

(10)

2 內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力計算方法

2.1 基本假定

1)截面應(yīng)變符合平截面假定。

2)不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度、徐變及收縮。

3)不考慮空間鋼構(gòu)架和圓形鋼管的局部壓曲。

4)不考慮圓形鋼管、空間鋼構(gòu)架和混凝土之間的滑移。

5)考慮空間鋼構(gòu)架對核心混凝土的約束作用和圓形鋼管對空間鋼構(gòu)架外混凝土的約束作用。

空間鋼構(gòu)架約束混凝土的抗壓強(qiáng)度

σcc1=fc+keσr1

(11)

圓形鋼管約束混凝土的抗壓強(qiáng)度

σcc2=fc+kσr2

(12)

式中，k為側(cè)壓系數(shù)，由試驗確定。

6)內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力Nu為內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架混凝土柱的軸壓承載力Nu1和中空圓形鋼管混凝土柱軸壓承載力Nu2之和，即

Nu=Nu1+Nu2

(13)

2.2 內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架混凝土短柱軸壓承載力Nu1的計算

空間鋼構(gòu)架混凝土短柱軸壓承載力為

(14)

式中，Acc1為空間鋼構(gòu)架核心混凝土橫截面面積，Acc1=bcdc-Asa。

(15)

根據(jù)文獻(xiàn)[16—18]中的39個空間鋼構(gòu)架混凝土短柱試件的軸壓試驗數(shù)據(jù)，可得系數(shù)α的平均值為1.85，取2α=2×1.85=3.70，則式(15)可表示為

(16)

根據(jù)式(16)計算文獻(xiàn)[16—18]中的39個空間鋼構(gòu)架混凝土軸壓短柱試件，其計算值與試驗值之比的平均值為1.071，均方差為0.241，說明可以用式(16)來計算空間鋼構(gòu)架混凝土短柱軸壓承載力。

2.3 中空圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力Nu2的計算

中空圓形鋼管混凝土短柱軸壓承載力

Nu2=Acc2σcc2+Asσ1

(17)

將式(7)、(10)和式(12)代入式(17)并整理得

(18)

式中，Acc2=Ac-Ak。

(19)

(20)

將式(20)代入式(19)可得

(21)

根據(jù)文獻(xiàn)[2—4]中的24個圓鋼管混凝土短柱試件的軸壓試驗數(shù)據(jù)，可得系數(shù)k的平均值為3.0，取k=3.0。則式(21)可表示為

(22)

采用式(22)計算文獻(xiàn)[2—4]中的24個圓形鋼管混凝土軸壓短柱試件，其計算值與試驗值之比的平均值為0.991，均方差為0.080，說明可以用式(22)來計算圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力。

2.4 內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力Nu的計算

將式(16)、(22)代入式(13)可得內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力Nu的計算公式：

(23)

文獻(xiàn)[20]以圓形鋼管徑厚比、空間鋼構(gòu)架綴條間距等為參數(shù)，設(shè)計制作了5個內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓形鋼管混凝土短柱試件(試件SSFCC-51—試件SSFCC-55)，在江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點實驗室(蘇州科技大學(xué))采用YAW-5 000 kN液壓式壓力試驗機(jī)進(jìn)行軸壓試驗，試件實測混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為37.56 MPa，棱柱體抗壓強(qiáng)度為28.54 MPa，實測鋼管、角鋼和綴條的屈服強(qiáng)度見表1。圖5給出了試件SSFCC-51的配筋及破壞形態(tài)。各試件的峰值荷載見表1。

表1 試件軸壓承載力比較

(a)試件立面配筋

(b)試件平面配筋

(c)破壞形態(tài)

采用式(23)計算上述5個內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土短柱試件的結(jié)果見表1。可以算出，各試件軸壓承載力計算值與試驗值比值的平均值為1.008，均方差為0.023。說明可以用式(23)來計算內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力。

3 結(jié)論

1)在軸向壓力作用下，內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土短柱具有空間鋼構(gòu)架約束核心混凝土、圓形鋼管約束空間鋼構(gòu)架外混凝土所受的雙重約束作用，這種特征可以有效地提高這種組合柱的軸壓性能，在軸壓承載力計算時應(yīng)考慮組合柱混凝土的雙重約束作用的影響。

2)在試驗研究和混凝土約束機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，考慮內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓形鋼管混凝土的雙重約束作用，采用疊加原理建立的內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力計算公式，其計算值與試驗值吻合良好，也可用來計算空間鋼構(gòu)架混凝土短柱、圓形鋼管混凝土短柱的軸壓承載力。