異形鋼管混凝土短柱偏壓承載力截面材料參數(shù)影響分析

車(chē) 濤，顏燕祥，胡其志

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.湖北工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖北 孝感 432000；3.武漢城投停車(chē)場(chǎng)投資建設(shè)管理有限公司，湖北 武漢 430010)

異形鋼管混凝土短柱偏壓承載力截面材料參數(shù)影響分析

車(chē) 濤1,3，顏燕祥2*，胡其志1

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.湖北工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖北 孝感 432000；3.武漢城投停車(chē)場(chǎng)投資建設(shè)管理有限公司，湖北 武漢 430010)

為研究截面材料參數(shù)對(duì)異形鋼管混凝土短柱偏壓承載力的影響規(guī)律，采用MATLAB程序?qū)形、L形和十字形鋼管混凝土短柱偏壓承載力曲線(xiàn)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：鋼材強(qiáng)度等級(jí)對(duì)異形鋼管混凝土柱壓彎曲線(xiàn)影響最顯著，鋼板厚度影響較大，混凝土強(qiáng)度影響最弱；組合異形柱壓彎曲線(xiàn)隨鋼材強(qiáng)度、鋼板厚度和混凝土強(qiáng)度增加而外凸。研究成果可為異形鋼管混凝土柱的工程設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供參考。

異形鋼管混凝土短柱；材料參數(shù)；N-M曲線(xiàn)；MATLAB

近年來(lái)，異形鋼管混凝土柱( T、 L 和“十” 字形)在廣東省諸多中、高層的建筑中得到了廣泛應(yīng)用[1]。由于異形鋼管混凝土柱可避免室內(nèi)出現(xiàn)棱角，有利于建筑布局，可充分利用室內(nèi)空間，所以它漸漸取代了傳統(tǒng)的截面形式柱[2]。異形鋼管混凝土柱還具有節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，與梁連接處理簡(jiǎn)便，方便施工，截面相對(duì)開(kāi)展而慣性矩大，適合作壓彎構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)[3]。因此，異形鋼管混凝土柱在未來(lái)中、高層建筑應(yīng)用方面具有巨大的潛能和廣闊的前景。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在異形鋼管混凝土柱偏壓力學(xué)性能研究方面取得了諸多研究成果。文獻(xiàn)[1]通過(guò)試驗(yàn)，研究了偏心距、長(zhǎng)細(xì)比等參數(shù)對(duì)T形截面鋼管混凝土柱偏壓力學(xué)性能和承載力的影響。文獻(xiàn)[4-5]研究了T形鋼管混凝土的受彎性能，并基于統(tǒng)一理論建立了抗彎承載力計(jì)算公式。文獻(xiàn)[6]采用纖維模型法分析了鋼材屈服強(qiáng)度、混凝土抗壓強(qiáng)度、管壁寬厚比、截面肢寬厚比、加載角度和軸壓比等參數(shù)對(duì)T形鋼管混凝土柱單向壓彎、雙向壓彎截面強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[7]借助纖維模型法對(duì)L形鋼管混凝土柱的壓彎曲線(xiàn)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了鋼材屈服強(qiáng)度、截面含鋼率、混凝土強(qiáng)度、拉桿約束系數(shù)及荷載角對(duì)N/Nu-M/Mu曲線(xiàn)的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[8]利用MATLAB語(yǔ)言編制了求解程序，得到了十字形鋼管混凝土柱截面彎矩-曲率關(guān)系，分析了混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、鋼管面積對(duì)十字形截面異形柱截面彎矩-曲率的影響。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越力學(xué)的根本原因是鋼管與混凝土之間的相互作用。截面材料參數(shù)對(duì)其承載力的影響規(guī)律，是鋼管混凝土柱理論研究的重要內(nèi)容，是工程技術(shù)人員把握其承載力特性的關(guān)鍵內(nèi)容之一。已有研究結(jié)果表明，截面材料參數(shù)對(duì)異形鋼管混凝土短柱偏壓承載力是有影響的，但影響程度分析還不夠充分，有待進(jìn)一步研究。為此，本文以文獻(xiàn)[5，9]的異形柱原型截面參數(shù)為基礎(chǔ)，利用MATLAB軟件，研究了截面混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度和鋼板厚度三個(gè)參數(shù)對(duì)異形柱壓彎曲線(xiàn)的影響規(guī)律。研究成果可為異形柱的工程設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供參考。

1 異形鋼管混凝土短柱壓彎曲線(xiàn)求解

文獻(xiàn)[10-11]歸納、分析了異形柱截面形式，本文則以文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[9]中部分異形柱截面形式為原型，其截面形式及構(gòu)造示意圖如圖1所示。

圖2 T形鋼管混凝土柱壓彎極限狀態(tài)下截面應(yīng)力分布

(1)

(2)

采用上述方法求得文獻(xiàn)[5]中試件MC-T-3的壓彎曲線(xiàn)相關(guān)方程的示意圖如圖3所示。

單向偏心的鋼管混凝土異形柱N-M相關(guān)方程曲線(xiàn)上具有意義明確的三個(gè)特征點(diǎn)，如圖4所示。三個(gè)特征點(diǎn)分別代表三種極限狀態(tài)：軸壓極限狀態(tài)、彎矩最大狀態(tài)和純彎極限狀態(tài)。N-M相關(guān)方程的理論曲線(xiàn)可近似用過(guò)圖中三個(gè)特征點(diǎn)的折線(xiàn)表達(dá)。

圖4 N-M相關(guān)曲線(xiàn)的特征點(diǎn)

2 異形鋼管混凝土短柱N-M曲線(xiàn)數(shù)值結(jié)果及分析

考慮文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[9]中三種典型偏壓短柱的壓彎曲線(xiàn)，以其中過(guò)形心的某一軸(本文僅以X軸正方向?yàn)槔?的特征點(diǎn)編程，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

為比較截面材料參數(shù)中混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、鋼材厚度(橫截面含鋼率)對(duì)N-M相關(guān)方程的影響規(guī)律，根據(jù)表1分別繪制T形、十字形、L形鋼管混凝土短柱的N-M相關(guān)曲線(xiàn)的過(guò)特征點(diǎn)的簡(jiǎn)化曲線(xiàn)圖，如圖5所示。

由表1和圖5的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知：(1)混凝土強(qiáng)度對(duì)T形、十字形和L形組合柱的抗彎強(qiáng)度影響不大，對(duì)軸壓承載力影響較大，隨混凝土強(qiáng)度增高，N-M相關(guān)曲線(xiàn)有外凸趨勢(shì)(即壓彎承載力隨混凝土強(qiáng)度增大而增大)。(2)鋼材強(qiáng)度對(duì)T形、十字形和L形組合柱的抗彎強(qiáng)度和軸壓承載力影響均較大，隨鋼材強(qiáng)度等級(jí)增大，N-M相關(guān)曲線(xiàn)外凸趨勢(shì)明顯(即壓彎承載力隨鋼材強(qiáng)度增大而顯著增大)。(3)鋼板厚度對(duì)T形、十字形和L形組合柱的抗彎強(qiáng)度和軸壓承載力影響亦較大，隨鋼板厚度增加，N-M相關(guān)曲線(xiàn)外凸趨勢(shì)亦明顯(即壓彎承載力隨板厚度增大而大幅增加)。(4)三種因素中，混凝土強(qiáng)度對(duì)異形柱壓彎承載力影響最小，鋼材強(qiáng)度影響最顯著，鋼板厚度影響次之。

圖5 N-M相關(guān)方程曲線(xiàn)的數(shù)值解

3 結(jié)論

基于MATLAB平臺(tái)，采用不同截面材料參數(shù)對(duì)異形組合短柱壓彎曲線(xiàn)和特征點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)論如下：

(1)截面混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、鋼板厚度對(duì)異形鋼管混凝土短柱壓彎曲線(xiàn)均有影響，影響因素大小排序依次為：鋼材強(qiáng)度、鋼板厚度、混凝土強(qiáng)度。

(2)異形鋼管混凝土柱壓彎曲線(xiàn)隨截面混凝土強(qiáng)度增大、鋼材強(qiáng)度增大、鋼板厚度增大均表現(xiàn)為外凸趨勢(shì)。

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[13] 同濟(jì)大學(xué)浙江杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[M].中國(guó)計(jì)劃出版社, 2004.

(責(zé)任編輯：熊文濤)

AnalysisofSectionalMaterialParametersofConcrete-filled&Special-shapedSteelTubeColumnsSubjectedtoAxialCompressionandBendingMoment

Che Tao1,3, Yan Yanxiang2*, Hu Qizhi1

(1.SchoolofCivilEngineering,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei430068,China; 2.SchoolofCivilEngineering,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China; 3.WuhanCityVotedParkingLotInvestmentConstructionManagementCo.,Ltd.,Wuhan,Hubei430010,China)

In order to study the influence of cross-section material parameters on the bearing capacity curve of short special-shaped & concrete-filled steel tubular columns, the self-program was used to calculate the axial force momentary capacity of T-shaped, L-shaped, Cross-shaped & concrete-filled steel tube columns. The results indicated that the steel strength grade had the most significant effect on the N-M interaction curve of the special-shaped composite columns, the thickness of the steel plate produced less effect, and the concrete strength was the weakest. The N-M interaction curve stretched out the composite columns with the increasing of steel strength, the thickness of the steel plate and the strength of the concrete. This research result could provide references for engineering design and application of special-shaped steel tube columns filled with concrete.

concrete filled special shaped steel tube columns; material parameters; N-M interaction curve; MATLAB

TU375.3

A

2095-4824(2017)06-0118-05

2017-08-11

車(chē) 濤(1986- )，男，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院碩士研究生。

顏燕祥(1985- )，男，湖北大悟人，湖北工程學(xué)院土木工程學(xué)院講師，本文通信作者。