圓端形鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)方法對(duì)比分析

吳啟恂 林澤宗 鄭艷蓮 陳昭南 王志濱

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350116)

1 概述

鋼管混凝土構(gòu)件已被大量應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)中。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)相比，該類結(jié)構(gòu)具有承載力高、質(zhì)量輕、延性好、工期短等特點(diǎn)。鋼管混凝土構(gòu)件的截面形式，主要包括圓形、矩形、橢圓形和圓端形(圖1)，圓端形鋼管混凝土具有較大的橫向剛度，適合用作橋墩。

(a) (b)圖1 構(gòu)件截面尺寸圖

圓端形截面和橢圓形截面較為相似，但是和圓端形鋼管混凝土柱力學(xué)性能相關(guān)的研究仍不多見。文獻(xiàn)[1]通過17根圓端形鋼管混凝土軸壓短柱的試驗(yàn)，研究高寬比、含鋼率、構(gòu)造措施對(duì)力學(xué)性能的影響。其研究表明，圓端形鋼管對(duì)核心混凝土的約束效果和矩形鋼管相似，矩形鋼管混凝土軸壓短柱的設(shè)計(jì)公式可用于預(yù)測(cè)圓端形鋼管混凝土軸壓短柱的承載力。文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了10根圓端形鋼管混凝土軸壓短柱試驗(yàn)，并開展了參數(shù)分析。基于有限元模型，文獻(xiàn)[3]開展了圓端形鋼管混凝土偏壓構(gòu)件的工作機(jī)理分析，分析表明鋼管的約束作用主要集中在圓弧段。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了15根圓端形鋼管混凝土柱的偏壓試驗(yàn)，并進(jìn)行機(jī)理分析和參數(shù)分析。

到目前為止，現(xiàn)有的規(guī)范中并未建議圓端形鋼管混凝土柱承載力的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)公式。考慮到圓端形鋼管的約束作用和矩形鋼管、橢圓形鋼管較為接近，本文基于現(xiàn)有的圓端形鋼管混凝土柱試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證現(xiàn)有規(guī)范[6-9]中的矩形鋼管混凝土柱和橢圓形鋼管混凝土柱承載力簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)公式的預(yù)測(cè)精度，以及驗(yàn)證相關(guān)研究文獻(xiàn)[2]、[5]中建議的圓端形鋼管混凝土承載力簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)公式的預(yù)測(cè)精度。以期達(dá)到服務(wù)工程實(shí)踐的目的。

2 設(shè)計(jì)公式介紹和對(duì)比

2.1 軸心受壓構(gòu)件

(1)DBJ/T13-51[6]建議了如下矩形鋼管混凝土短柱承載力計(jì)算公式：

N=fscyAsc+fsyAs,s

(1)

(2)CECS 159[7]也建議了如下矩形鋼管混凝土短柱的承載力計(jì)算公式：

N=fyAs+fcyAc

(2)

(3)GB 50936[8]建議了如下橢圓形鋼管混凝土短柱承載力計(jì)算公式：

N=(1.212+Bθ+Cθ2)fck·Asc

(3)

(4)EC4[9]建議了如下矩形鋼管混凝土短柱承載力計(jì)算公式：

(5)文獻(xiàn)[2]中建議了如下圓端形鋼管混凝土短柱承載力計(jì)算公式：

N=Ac·fck·[1+(0.8+0.9D/B)·ξ]

(5)

2.2 偏心受壓構(gòu)件

(1)DBJ/T13-51[6]建議了如下矩形鋼管混凝土偏壓構(gòu)件穩(wěn)定承載力計(jì)算公式：

當(dāng)N/Nu≥2φ2η0時(shí):

當(dāng)N/Nu<2φ3η0時(shí):

其中，βm為等效彎矩系數(shù)；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；

η0=0.1+0.13·ξ-0.81；NE為歐拉臨界力，NE=π2·Esc·Asc/λ2；Esc為組合彈性模量；λ為鋼管混凝土柱的長(zhǎng)細(xì)比。

(2)CECS 159[7]建議了如下矩形鋼管混凝土偏壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式：

(3)GB 50936[8]建議了如下橢圓形鋼管混凝土偏壓構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)公式：

(4)EC4[9]建議了如下鋼管混凝土偏壓構(gòu)件的3段相關(guān)方程：

Np≤N≤Ncr時(shí):

0.5Np≤N≤Np時(shí):

0

(5)文獻(xiàn)[5]建議了如下圓端形鋼管混凝土偏壓構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)公式：

3 簡(jiǎn)化模型驗(yàn)證

3.1 軸壓承載力

表1中給出了本文收集的21根圓端形鋼管混凝土柱軸壓試件數(shù)據(jù)[1-2]。表中，B為構(gòu)件截面高度，D為構(gòu)件截面寬度，t為鋼管壁厚，L為構(gòu)件長(zhǎng)度，fcu為實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，fy為鋼材屈服強(qiáng)度，Nue為構(gòu)件破壞時(shí)實(shí)測(cè)承載力，Nuc為簡(jiǎn)化計(jì)算公式預(yù)測(cè)的承載力。其中試件RCFST-2a、RCFST-2b、RCFST-3a、RCFST-5a、RCFST-5b中設(shè)置了1道縱向加勁肋(圖1b)，試件RCFST-3b中設(shè)置了2道縱向加勁肋。

采用以上5種軸壓計(jì)算模型預(yù)測(cè)的圓端形鋼管混凝土構(gòu)件的承載力和實(shí)測(cè)值的比值Nuc/Nue均列于表1和圖2中，同時(shí)還給出了Nuc/Nue的均值和方差。可發(fā)現(xiàn)DBJ/T13-51[6]、CECS 159[7]和EC4[9]均低估了圓端形鋼管混凝土構(gòu)件的承載力；GB 50936[8]和文獻(xiàn)[2]的預(yù)測(cè)精度最高，且文獻(xiàn)[2]的預(yù)測(cè)結(jié)果偏于安全。

圖2 軸壓短柱承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表1 試件數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果表

試件編號(hào)試件數(shù)據(jù)規(guī)范計(jì)算結(jié)果Nuc/NueB/mmD/mmt/mmfcu/MPafy/MPaNue/kN數(shù)據(jù)出處DBJ/T13-51CECS 159GB 50936EC4文獻(xiàn)[2]RCFST-1168.51172.8638.06324.6925文獻(xiàn)[1]0.97310.94661.04540.96571.0862 RCFST-22291182.8638.06324.61215文獻(xiàn)[1]1.00260.97841.04220.99951.0330 RCFST-2a229116.52.8638.06324.61345文獻(xiàn)[1]1.05160.94670.99970.89581.0145 RCFST-2b227.5118.54.5238.06324.61356文獻(xiàn)[1]1.01441.18641.21301.09651.0657 RCFST-3349.5116.52.8638.06324.61635文獻(xiàn)[1]1.11931.09451.11341.11921.0669 RCFST-3a350116.52.8638.06324.61848文獻(xiàn)[1]1.10161.02041.03060.99161.0019 RCFST-3b3521182.8638.06324.61990文獻(xiàn)[1]1.14121.00831.01260.93360.9972 RCFST-4237.5156.52.8638.06324.61658文獻(xiàn)[1]0.90480.88560.97440.90630.9653 RCFST-5317158.52.8638.06324.62091文獻(xiàn)[1]0.96610.94641.01120.96960.9662 RCFST-5a3161572.8638.06324.62112文獻(xiàn)[1]1.07760.98881.05210.95101.0249 RCFST-5b317.51574.5238.06324.62235文獻(xiàn)[1]0.99151.14351.19291.07601.0101 CFRT1-A299.8252.63.7540.4327.73429文獻(xiàn)[2]0.91160.81941.00330.86080.9948 CFRT1-B302.62493.7540.4327.73338文獻(xiàn)[2]0.93700.84231.02870.88491.0170 CFRT2-A299.32555.8440.4299.54162文獻(xiàn)[2]0.86050.77220.93750.80540.9797 CFRT2-B300.82515.840.4299.54168文獻(xiàn)[2]0.85310.76550.92710.79850.9653 CFRT3-A350255.13.7240.4327.73929文獻(xiàn)[2]0.93880.84211.01710.88620.9807 CFRT3-B351.5252.33.7640.4327.74158文獻(xiàn)[2]0.88750.79630.96020.83780.9257 CFRT4-A352.1251.45.940.4299.54492文獻(xiàn)[2]0.93300.83720.99670.87441.0065 CFRT4-B349.12515.9250.4299.55530文獻(xiàn)[2]0.75180.67460.80350.80210.8131 CFRT5-A394.12603.7950.4327.75620文獻(xiàn)[2]0.75620.67750.81130.83150.7709 CFRT5-B3962643.850.4327.75500文獻(xiàn)[2]0.78510.70330.84310.86360.8013 均值0.95040.89891.00080.92140.9756方差0.01270.02140.01070.00900.0071

3.2 偏壓承載力

文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了12根圓端形鋼管混凝土柱的偏壓試驗(yàn)，其詳細(xì)參數(shù)列于表2中。

采用以上5種偏壓計(jì)算模型預(yù)測(cè)的承載力和實(shí)測(cè)值的比值Nuc/Nue均列于表2和圖3中，同時(shí)還給出了Nuc/Nue的均值和方差。可發(fā)現(xiàn)GB 50936[8]和EC4[9]低估了圓端形鋼管混凝土構(gòu)件的承載力；DBJ/T13-51[6]則高估了圓端形鋼管混凝土構(gòu)件的承載力；CECS 159[7]和文獻(xiàn)[5]的預(yù)測(cè)精度最高。

圖3偏壓柱承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

表2 試件數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果表[5]

4 結(jié)論

(1)對(duì)于圓端形鋼管混凝土軸壓短柱，DBJ/T13-51[6]、CECS 159[7]和EC4[9]均低估了圓端形鋼管混凝土構(gòu)件的承載力；GB 50936[8]的預(yù)測(cè)精度最高。GB 50936[8]和文獻(xiàn)[2]建議的簡(jiǎn)化公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)承載力吻合最好。

(2)對(duì)于圓端形鋼管混凝土偏壓柱，GB 50936[8]和EC4[9]低估了圓端形鋼管混凝土構(gòu)件的承載力；DBJ/T13-51[6]則高估了圓端形鋼管混凝土構(gòu)件的承載力；CECS 159[7]和文獻(xiàn)[5]的預(yù)測(cè)精度最高。

建議在此結(jié)論基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展機(jī)理分析和參數(shù)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)公式，進(jìn)一步提高圓端形鋼管混凝土柱承載力的預(yù)測(cè)精度。