鋼管混凝土中鋼管的縱向容許應(yīng)力

劉永健+姜磊+張寧

摘要：針對(duì)鋼管混凝土短柱軸心受壓過程中鋼管與核心混凝土在極限承載階段時(shí)的多向應(yīng)力狀態(tài)，引入鋼管縱向容許應(yīng)力折減系數(shù)與混凝土抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)，對(duì)鋼管混凝土的應(yīng)力狀態(tài)、軸壓承載力計(jì)算進(jìn)行理論分析，給出各系數(shù)的計(jì)算方法，并將計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：該方法計(jì)算值與試驗(yàn)值較為吻合；鋼管縱向容許應(yīng)力折減系數(shù)的引入有助于加深對(duì)鋼與混凝土二者之間相互作用的認(rèn)識(shí)，在工程常用范圍內(nèi)可為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；極限承載力；組合作用；鋼管；縱向容許應(yīng)力；強(qiáng)度折減

中圖分類號(hào)：TU311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Longitudinal Allowable Stress of Steel Tube in Concrete-filled Steel Tube

LIU Yong-jian1， JIANG Lei1， ZHANG Ning1，2

（1. National Engineering Laboratory for Bridge Structure Safety Technology， Changan University， Xian

710064， Shaanxi， China； 2. School of Water Resources and Architectural Engineering， Northwest

A&F University， Yangling 712100， Shaanxi， China）

Abstract： According to multiaxial stress state of steel tube and concrete under ultimate state in concrete-filled steel tubular （CFST）stub columns under axial load， longitudinal allowable stress reduction factor of steel tube and compressive strength improvement factor of concrete were defined to analyze the stress state and calculate the axial bearing capacity， and the calculation methods of the factors were proposed. Comparison between the calculation values of the method and test values was carried out. The results show that the calculation results are in good agreement with the test results. The proposed longitudinal allowable stress reduction factor contributes to understanding interaction mechanism and can provide references for joint design of CFST structure in scope of engineering.

Key words： concrete-filled steel tube； ultimate bearing capacity； composite action； steel tube； longitudinal allowable stress； strength reduction

0 引 言

鋼管混凝土（CFST）結(jié)構(gòu)的工作性能優(yōu)勢表現(xiàn)在鋼管對(duì)其核心混凝土的約束作用，使混凝土處于側(cè)向圍壓狀態(tài)，軸向強(qiáng)度得以提高。同時(shí)，混凝土的存在阻止或延緩了鋼管發(fā)生面外局部屈曲，保證了鋼材性能充分發(fā)揮。目前，針對(duì)鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的極限狀態(tài)研究主要集中在套箍效應(yīng)計(jì)算方法，即核心混凝土強(qiáng)度的提高模式，而此時(shí)的鋼管應(yīng)力狀態(tài)則關(guān)注不足。鋼管混凝土短柱極限受壓時(shí)，鋼管管壁除主軸方向的縱向應(yīng)力外，還受核心混凝土徑向壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，因此鋼管處于多向應(yīng)力狀態(tài)。受金屬材料體積畸變的影響，環(huán)向應(yīng)力的產(chǎn)生將導(dǎo)致鋼管縱向應(yīng)力的折減。蔡紹懷[1]、韓林海等[2-4]、Ellobody等[5]、Sakino等[6-8]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在鋼管和核心混凝土發(fā)生組合作用時(shí)，鋼管管壁存在環(huán)向應(yīng)力增加和縱向應(yīng)力折減的趨勢。可見，鋼管混凝土構(gòu)件受外荷載產(chǎn)生套箍作用時(shí)，會(huì)間接降低鋼管縱向承載能力。

實(shí)際工程中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)多在鋼管管壁上設(shè)置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳力，如鋼管混凝土上承式拱橋的橋面荷載通過立柱先傳遞到拱肋的鋼管表面，鋼管混凝土建筑結(jié)構(gòu)中梁端剪力通過梁柱節(jié)點(diǎn)傳遞給鋼管混凝土柱的鋼管[9-10]。若此時(shí)承受軸壓的拱、柱產(chǎn)生套箍作用，鋼管的縱向容許應(yīng)力由于環(huán)向應(yīng)力的增加而逐漸減小，則鋼管可能在未完成與混凝土界面?zhèn)髁r(shí)就出現(xiàn)了縱向屈服破壞。另一方面，鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的驗(yàn)算往往忽略鋼管環(huán)向應(yīng)力的影響，此時(shí)得到的鋼管管壁縱向承載力未做相應(yīng)折減，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)低于真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)[11-12]。

目前，鋼管縱向容許應(yīng)力受環(huán)向應(yīng)力的折減規(guī)律與作用機(jī)理在鋼管混凝土的研究中尚未得到重視。王玉銀等[13]實(shí)測了36個(gè)圓鋼管高強(qiáng)混凝土軸壓短柱的縱向和橫向應(yīng)變，僅利用鋼管平面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究鋼管縱向應(yīng)力變化情況，但缺少相關(guān)理論計(jì)算方法。本文通過引入鋼管縱向容許應(yīng)力折減系數(shù)，對(duì)鋼管混凝土短柱的鋼管應(yīng)力狀態(tài)、軸壓承載力計(jì)算進(jìn)行了理論分析，同時(shí)對(duì)鋼管混凝土的鋼管應(yīng)力水平在工程范圍內(nèi)進(jìn)行了討論與對(duì)比，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。