羅露露 董延龍

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.中南勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430061)

1 引言

鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土，混凝土與鋼管共同承擔(dān)外界荷載的結(jié)構(gòu)。兩種不同材料之間的相互作用，使鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、防火性能好、施工方便以及經(jīng)濟(jì)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，到目前為止已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的工業(yè)廠房、多層和高層建筑以及橋梁等結(jié)構(gòu)中。

學(xué)者對不同截面形式[1-2]、不同材料性能[3-5]鋼管混凝土力學(xué)性能影響的研究越來越多，其研究成果亦較為豐富。文獻(xiàn)[6]通過試驗(yàn)對自密實(shí)自應(yīng)力的高強(qiáng)鋼管混凝土短柱進(jìn)行了研究，提出了自密實(shí)自應(yīng)力高強(qiáng)鋼管混凝土短柱軸壓承載力的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[7]基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了帶約束拉桿方形、矩形鋼管混凝土短柱軸壓承載力計(jì)算方法。文獻(xiàn)[8]在試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，研究了不同計(jì)算方法在計(jì)算矩形鋼管混凝土短柱上的差異性，并提出矩形鋼管混凝土短柱軸壓承載力建議公式。文獻(xiàn)[9]分析了圓鋼管混凝土柱軸壓承載力計(jì)算方法的合理性，并修正了長細(xì)比在4.0～38.5的鋼管混凝土柱軸壓承載力的計(jì)算公式。關(guān)于鋼管混凝土軸壓承載力的計(jì)算研究頗多，但適用于中厚壁及中厚壁帶肋鋼管混凝土軸壓承載力的理論計(jì)算公式卻并未明確提出。

我國現(xiàn)行規(guī)范GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中也給出了圓形、多邊形及橢圓形鋼管混土承載力的計(jì)算方法，但公式是否適用于中厚壁及中厚壁帶肋鋼管混凝土承載力的計(jì)算并未說明。因此，本文擬采用GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的計(jì)算模型，結(jié)合作者之前發(fā)表的論文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對中厚壁及帶肋的中厚壁矩形鋼管混凝土軸壓承載力進(jìn)行計(jì)算，探討規(guī)范中的計(jì)算模型在中厚壁及帶肋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的適用性，為中厚壁及帶肋的中厚壁鋼管混凝土研究的完善和進(jìn)一步發(fā)展提供一定的參考，使中厚壁及帶肋的鋼管混凝土柱在高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，具有更為重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 軸壓承載力理論計(jì)算公式

GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》給出了兩種適用于圓形、多邊形及橢圓形的鋼管混凝土軸壓承載力的計(jì)算方法。

方法一是基于統(tǒng)一理論的計(jì)算方法，其核心思想是把鋼管和混凝土兩種材料看成一種組合材料，組合材料在工作時(shí)是統(tǒng)一、連續(xù)及相關(guān)的，故其軸向承載力計(jì)算公式為

N0=Ascfsc

fsc=(1.212+Bθ+Cθ2)fc

其中：N0——鋼管混凝土短柱軸壓承載力；

As，Ac，Asc——鋼管、混凝土截面面積及鋼管混凝土全截面面積；

fs，fc，fsc——分別為鋼材、混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值及鋼管混凝土組合抗壓強(qiáng)度值。其中fsc按規(guī)范附表B進(jìn)行取值；

θ——套箍系數(shù)；

B，C——截面形狀對套箍系數(shù)的影響系數(shù),按表1進(jìn)行計(jì)算。對于矩形截面應(yīng)換算成等效正方形截面進(jìn)行計(jì)算，等效正方形的邊長為矩形截面的長短邊邊長的乘積的平方根。

表1 截面形狀對套箍系數(shù)影響系數(shù)B、C取值

方法二是極限平衡理論計(jì)算，該方法是在不用確定鋼管及混凝土本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)之上，直接觀察試驗(yàn)建立鋼管混凝土承載力計(jì)算公式，具體計(jì)算公式如下所示：

N0=0.9Acfc(1+αθ)

式中：α——與混凝土強(qiáng)度等級有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度≤C50時(shí)，α=2.0；C50～C80之間時(shí)，α=1.8。

3 軸壓承載力試驗(yàn)值

文獻(xiàn)[10]中采用試驗(yàn)研究和理論研究相結(jié)合的方式，對中厚壁鋼管混凝土短柱及中厚壁帶肋的鋼管混凝土短柱進(jìn)行了軸壓承載力試驗(yàn)研究?；炷敛牧喜捎眉訙p水劑和6%水泥膨脹劑的C30自密實(shí)混凝土，鋼材分別采用6 mm壁厚的Q345鋼及10 mm厚的Q235鋼，制作了5種截面形式，共10個(gè)試件。試件截面形式如下圖1所示。其中a、b、c、d、e截面分別為無加勁肋截面、單向單排肋寬40 mm截面、雙向單排肋寬40 mm截面、雙向單排肋寬60 mm截面以及雙向雙排肋寬40 mm截面。

圖1 試件截面

通過試驗(yàn)研究得到各試件的軸向極限荷載，并用ANSYS建模軟件進(jìn)行建模分析，最終ANSYS分析結(jié)果與試驗(yàn)值較吻合，驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表中編號第一個(gè)字母代表截面形式，第二個(gè)數(shù)字代表鋼管壁厚。如c-6表示6 mm雙向單排肋寬40 mm截面形式。Nu為鋼管混凝土截面的試驗(yàn)值。

表2 文獻(xiàn)[10]中試驗(yàn)值(單位：kN)

4 軸壓承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值對比結(jié)果分析

將文獻(xiàn)[10]中試件的相關(guān)參數(shù)代入GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》所示軸壓承載力公式中進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。其中NuG1代表采用GB 50936—2014方法一基于統(tǒng)一理論的計(jì)算方法計(jì)算出的極限值，NuG2代表采用GB 50936—2014方法二極限平衡理論計(jì)算出的極限值。

表3 軸壓承載力計(jì)算值(單位：kN)

將規(guī)范計(jì)算值與作者論文中的試驗(yàn)值進(jìn)行對比分析，其分析結(jié)果如表4及圖2所示。

表4 規(guī)范計(jì)算值與試驗(yàn)值對比分析結(jié)果

圖2 規(guī)范計(jì)算值與試驗(yàn)值對比分析圖

對表4和圖2進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

1)規(guī)范中方法一計(jì)算模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值對比誤差值在-0.25～+0.03之間，除了a-6試件，其他試件計(jì)算結(jié)果均小于試驗(yàn)值。

2)規(guī)范中方法二計(jì)算模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值對比誤差值在0.23～0.48之間，其計(jì)算結(jié)果均大于試驗(yàn)值。

3)方法一用于計(jì)算6 mm壁厚試件的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值更為接近。6 mm壁厚a、b、c、d、e試件計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差分別為+3%、-1%、-8%、-16%、-18%，其誤差平均值為-8%；10 mm壁厚a、b、c、d、e試件計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差分別為-15%、-21%、-20%、-24%、-25%，其誤差平均值為-21%。

4)方法二用于計(jì)算10 mm壁厚的截面計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值更為接近。6 mm壁厚a、b、c、d、e試件計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差分別為48%、46%、39%、32%、33%，其誤差平均值為39.6%；10 mm壁厚a、b、c、d、e試件計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差分別為20%、15%、20%、18%、23%，其誤差平均值為19.2%。

5 結(jié)論

1)GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中軸壓承載力的兩種計(jì)算模型均可為中厚壁鋼管混凝土及中厚壁帶肋鋼管混凝土軸壓承載力的計(jì)算提供一定的參考。

2)GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中基于統(tǒng)一理論計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，極限平衡理論計(jì)算結(jié)果均高于試驗(yàn)值。方法一、方法二計(jì)算模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差平均值分別為-14.59%、29.47%。

綜上所述，現(xiàn)行規(guī)范GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的計(jì)算公式能夠?yàn)橹泻癖诩爸泻癖趲Ю咪摴芑炷凛S壓承載力的計(jì)算提供一定的參考，但其計(jì)算結(jié)果存在一定的誤差，后續(xù)可以以規(guī)范中的計(jì)算公式為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行修正，使其對該種形式的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果更為精確，讓中厚壁及帶肋的中厚壁鋼管混凝土柱在高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)或橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，具有更為重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。