鋼管混凝土構(gòu)件軸壓比限值確定及其適用范圍的綜述

莊志有

摘 要：鋼管混凝土構(gòu)件已經(jīng)成為高層建筑、大跨度橋梁的主要縱向或軸向承載構(gòu)件。鋼管混凝土柱結(jié)合鋼和混凝土材料的優(yōu)點(diǎn)，在地震等強(qiáng)動(dòng)力作用下具有較高的承載能力、剛度和延性，經(jīng)濟(jì)效益顯著，施工方便。為了更好地發(fā)揮鋼管混凝土的性能，本文研究了通過(guò)分析之前許多學(xué)者的研究，探討鋼管混凝土的延性以及軸壓比限值對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響。并且研究比較了方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土在軸壓比限值的之間存在的不同。限值軸壓比是為了提高結(jié)構(gòu)的延性，增強(qiáng)抗震性能。而鋼管混凝土由于結(jié)構(gòu)的屬性，具有非常好的延性，一般情況無(wú)需考慮軸壓比限值。研究中表明二者都應(yīng)該考慮長(zhǎng)細(xì)比來(lái)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當(dāng)鋼管混凝土柱具有較大的長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，柱子將越有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致柱子的承載能力降低。而由于圓鋼管有更好的約束效應(yīng)，可以不考慮軸壓比的限值。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；軸壓比；限值

引言

鋼管混凝土柱結(jié)合鋼和混凝土材料的優(yōu)點(diǎn)，在地震等強(qiáng)動(dòng)力作用下具有較高的承載能力、剛度和延性，經(jīng)濟(jì)效益顯著，施工方便，鋼管混凝土用在建筑結(jié)構(gòu)中，和鋼材相比，節(jié)約了大量鋼材，同鋼筋混凝土相比，則減少了截面尺寸并減少了自重，具有更好的抗壓強(qiáng)度和變形能力。并且鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種組合結(jié)構(gòu)具有良好的抗火性能，并且后期的維護(hù)成本也相對(duì)較低。大截面鋼管混凝土柱作為高層建筑中的豎向承載構(gòu)件，在超高層建筑、大跨度橋梁、地鐵車站、工業(yè)廠房、港口工程等土木基礎(chǔ)設(shè)施中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性能提出了更高的要求，同時(shí)在保障結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡可能降低成本，從而有利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此研究鋼管混凝土的軸壓比限值，有助于在設(shè)計(jì)中參考，利于設(shè)計(jì)的發(fā)展，降低成本。鋼管混凝土就是利用鋼管和混凝土在受力時(shí)結(jié)構(gòu)反應(yīng)可以互補(bǔ)的特點(diǎn)，將素混凝土灌入鋼管而制成的。其中，實(shí)心鋼管混凝土采用澆灌的方式制作，混凝土完全填滿鋼管，空心鋼管混凝土是采用離心法澆筑內(nèi)混凝土并通過(guò)蒸汽養(yǎng)生制成，混凝土部分為中空[2-3]。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的形狀多種多樣，本文主要研究了方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土的軸壓比限值，由于這兩種形狀在實(shí)際工程中采用較多，方鋼管混凝土更加便于施工，并且對(duì)于節(jié)點(diǎn)的連接更加便利，而圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)鋼管壁對(duì)核心混凝土的約束想過(guò)更理想，但是施工過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。當(dāng)鋼管混凝土柱的軸壓比越低時(shí)，它的延性越高，當(dāng)軸壓比較大時(shí)有必要進(jìn)行抗震承載力驗(yàn)算。本文研究了鋼管混凝土的軸壓比限值，以及軸壓比限值對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響。由于鋼管混凝土比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有更高的承載能力和穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)許多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，利用鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)控制結(jié)構(gòu)的軸壓比來(lái)保證延性，由于圓鋼管混凝土鋼管壁對(duì)核心混凝土有良好的約束效果，因此可以減少對(duì)軸壓比的限值。研究結(jié)果表明圓鋼管混凝土柱由于受到的約束效應(yīng)更強(qiáng)，因此其結(jié)構(gòu)的延性可以通過(guò)考慮軸壓比來(lái)保證，使得結(jié)構(gòu)具有更好的安全性能。方鋼管混凝土柱的側(cè)向約束能力較弱，建議考慮軸壓比來(lái)提高結(jié)構(gòu)的安全性。二者都應(yīng)該考慮長(zhǎng)細(xì)比來(lái)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但鋼管混凝土都應(yīng)該通過(guò)控制長(zhǎng)細(xì)比，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)比了方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土軸壓比限值的差異。限值軸壓比是為了提高結(jié)構(gòu)的延性，增強(qiáng)抗震性能。研究中表明二者都應(yīng)該考慮長(zhǎng)細(xì)比來(lái)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當(dāng)鋼管混凝土柱具有較大的長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，柱子將越有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，從而降低了柱子的承載能力。而由于圓鋼管有更好的約束效應(yīng)，可以不考慮軸壓比的限值。

1 鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)及前景

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有許多的優(yōu)點(diǎn)，比如：抗震性能好，承載力高，延性好，施工便捷。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有上述許多優(yōu)點(diǎn)，因此在許多土木工程領(lǐng)域被廣泛采用。在超高層建筑中，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)難以滿足建筑對(duì)承載力要求，因此在許多的超高層建筑中，鋼管混凝土柱普遍的作為主要的豎向承重構(gòu)件，發(fā)揮著重要的作用，而當(dāng)需要滿足承載力要求時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面變大，使得使用空間大大減小了；而使用全鋼結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)構(gòu)造價(jià)高，且防火性能不如鋼混組合結(jié)構(gòu)，并且在后期仍需投入大量資金對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行護(hù)理。當(dāng)使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)建造高層建筑時(shí)，柱子的截面相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更小，同時(shí)可以提高高層建筑的抗震性能，后期的維護(hù)成本也相對(duì)較低。不但可以有效的增加建筑使用空間，有效縮短工期，降低了工程的成本。綜上所述，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其高承載力、延性好、成本較低、工期短具有廣泛的發(fā)展前景，在各種建筑中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，會(huì)成為未來(lái)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要力向之一。因此研究不同形狀的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的軸壓比限值，以及相應(yīng)的軸壓比限值對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的影響，并保證結(jié)構(gòu)的延性具有重要的意義。

2 鋼管混凝土柱延性研究

軸壓比的限值是保證結(jié)構(gòu)的延性的關(guān)鍵。延性的主要概念是指在結(jié)構(gòu)處于屈服狀態(tài)到最終達(dá)到結(jié)構(gòu)的最大承載能力時(shí)，結(jié)構(gòu)還能保證其在承載力沒(méi)有明顯降低的情況下還能繼續(xù)承受一定非彈性變形的能力。也就是在受力狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)處于塑性階段后，當(dāng)外力持續(xù)作用下，結(jié)構(gòu)變形繼續(xù)增大，但結(jié)構(gòu)仍未發(fā)生破壞。對(duì)以往的學(xué)者的研究成果進(jìn)行總結(jié)，能快速有效的得出結(jié)論，從而提升為理論知識(shí)，為建筑設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，由于對(duì)變形存在不同定義，將延性系數(shù)分為了曲率延性系數(shù)、位移延性系數(shù)和轉(zhuǎn)角延性系數(shù)[4]。

3 軸壓比限值研究

為了算出軸壓比限值，我們可以通過(guò)混凝土柱正截面破壞的平衡條件，列出公式求出。并且對(duì)比許多學(xué)者通過(guò)鋼管混凝土壓彎實(shí)驗(yàn)的方法，并且將結(jié)果與設(shè)計(jì)軸壓比進(jìn)行了對(duì)比。按照理論上的公式，軸壓比通常是指軸向壓力設(shè)計(jì)值與柱截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積的比值，即 。在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，根據(jù)柱軸壓比的規(guī)定可知圓鋼管混凝土的軸壓比計(jì)算公式為：

從而得出了方鋼管混凝土柱和圓鋼管混凝土柱他們之間軸壓比的差異，之前許多學(xué)者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)也表面，圓鋼管混凝土相比于方鋼管混凝土具有更強(qiáng)的約束效果。對(duì)于鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)存在各種形式的狀況，學(xué)者們通過(guò)試驗(yàn)研究對(duì)其軸壓比限值開展了不同的研究工作，也取得了相應(yīng)的的成果[6]。

4 圓鋼管混凝土軸壓比限值和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)細(xì)比

針對(duì)圓鋼管混凝土柱，根據(jù)之前許多學(xué)者的研究，如1996年鐘善桐[7]提出保證延性要求的構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比限值。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究的方法，提出當(dāng)對(duì)圓鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)控制構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比而不用限值柱子的軸壓比，但需要滿足下面兩個(gè)條件，：

（1）構(gòu)件的套箍系數(shù) ，否則，塑性性能較差；

（2）組合抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)為彈塑性階段進(jìn)入強(qiáng)化階段的交界點(diǎn)，而不是最大承載力，否則，沒(méi)有后備的強(qiáng)度和塑性。同時(shí)文獻(xiàn)[8]也給出了同樣的結(jié)論：考慮到圓鋼管混凝土柱更好的約束效果，無(wú)需限制軸壓比。

在高層建筑中時(shí)，可通過(guò)限制鋼管混凝土構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比的方式，而不必限定軸壓比。這就有助于提升鋼管混凝土的經(jīng)濟(jì)效益。

2006年，天津大學(xué)杜喜凱[9]通過(guò)對(duì)方鋼管混凝土柱進(jìn)行壓彎試驗(yàn)，分析了軸壓比對(duì)柱延性的影響，利用公式推導(dǎo)了試驗(yàn)軸壓比與設(shè)計(jì)軸壓比的換算關(guān)系。

令試驗(yàn)軸壓比為 ，設(shè)計(jì)軸壓比為nd=N/NO ，式中，Nt 為試驗(yàn)軸壓力，NtO 為柱軸心受壓極限承載力，N 為設(shè)計(jì)軸力，NO 為設(shè)計(jì)軸心受壓極限承載力。

文獻(xiàn)[6-7]都指出：鋼管混凝土在抗震地區(qū)可以不限制軸壓比，即不用限制軸壓力，但是必須限制構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比。鋼管混凝土用在建筑結(jié)構(gòu)中，和鋼材相比，節(jié)約了大量鋼材，同鋼筋混凝土相比，則減少了截面尺寸并減少了自重，并且鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種組合結(jié)構(gòu)具有良好的抗火性能，并且后期的維護(hù)成本也相對(duì)較低。通過(guò)分析了理論軸壓比和設(shè)計(jì)軸壓比的關(guān)系，在不同抗震等級(jí)下對(duì)結(jié)構(gòu)有不同的延性要求并且鋼管混凝土柱在理論軸壓比n=0.8 時(shí)，延性系數(shù)都大于且接近3.0，得到其設(shè)計(jì)軸壓比在不同抗震等級(jí)下都大于1.0，表明了對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以不考慮限制軸壓比或可以適當(dāng)放寬限值。但是對(duì)于當(dāng)軸壓比大于1.0的情況，需要驗(yàn)證軸心受壓下的穩(wěn)定承載能力。

結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)的延性受到軸壓比的影響，對(duì)于鋼管混凝土柱具有更好的力學(xué)性能，在許多方面均強(qiáng)于鋼筋混凝土柱，對(duì)圓鋼管混凝土柱由于對(duì)鋼管對(duì)混凝土有更好的約束效果，因而文獻(xiàn)[5-8]都提出對(duì)于圓鋼管混凝土柱可以不限制軸壓比或者適當(dāng)放寬限值。研究表明方鋼管混凝土柱在抗壓強(qiáng)度、變形能力等方面都弱于圓鋼管混凝土柱。因此文獻(xiàn)[9]給出了方鋼管混凝土柱軸壓比限值的計(jì)算公式，以此作為方鋼管混凝土柱軸壓比限值參考計(jì)算公式。

（2）鋼管混凝土柱在實(shí)際的受力過(guò)程中，一般結(jié)構(gòu)將處于三向受壓的狀態(tài)，這將有利于充分發(fā)揮混凝土的抗壓強(qiáng)度，從而有助于提高鋼管混凝土的極限承載力，內(nèi)部的混凝土的起到了支撐鋼管壁的作用，從而提高了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定能力，并且充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)勢(shì)，使得結(jié)構(gòu)具有良好的延性和穩(wěn)定性。軸壓比的限值是保證結(jié)構(gòu)的延性的關(guān)鍵。研究結(jié)果表明圓鋼管混凝土柱由于受到的約束效應(yīng)更強(qiáng)，因此其結(jié)構(gòu)的延性可以通過(guò)考慮軸壓比來(lái)保證，使得結(jié)構(gòu)具有更好的安全性能。方鋼管混凝土柱的側(cè)向約束能力較弱，建議考慮軸壓比來(lái)提高結(jié)構(gòu)的安全性。二者都應(yīng)該考慮長(zhǎng)細(xì)比來(lái)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)于具有較大的長(zhǎng)細(xì)比鋼管混凝土柱，柱子將越有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，從而導(dǎo)致柱子的承載能力降低。

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