鋼管混凝土受壓承載力計(jì)算理論與影響因素分析★

羅 露 露

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)將鋼管與混凝土組合在一起成為一種高效的復(fù)合材料，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土相比，展現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)。在軸向壓力作用下，外包的鋼管對(duì)內(nèi)部的混凝土起著環(huán)箍作用，提高了混凝土的強(qiáng)度、韌性和耐久性能，為混凝土的成型兼顧模板的作用。而混凝土的存在又使得外部鋼管抗屈曲能力提高，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高。大量研究結(jié)果表明組合材料的綜合性價(jià)比明顯高于兩種材料本身。而影響這種組合結(jié)構(gòu)受力的因素很多，比如截面形式、粘結(jié)情況、是否加勁等，針對(duì)這一問(wèn)題，文章總結(jié)了鋼管混凝土軸壓承載力的計(jì)算理論，并探討了鋼管混凝土受壓構(gòu)件承載力的影響因素，為進(jìn)一步深入對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承載能力的研究創(chuàng)造一定的條件。

1 鋼管混凝土軸壓承載力計(jì)算理論

在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的運(yùn)用中，首先要解決的問(wèn)題是如何通過(guò)理論計(jì)算其承載力。通過(guò)大量學(xué)者的試驗(yàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，形成了相對(duì)完整的結(jié)構(gòu)計(jì)算理論，并編制成為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。目前國(guó)外關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范主要有日本的AIJ(1997)、美國(guó)的ASCI-LRFD(1999)和ACI(1999)、英國(guó)的BS5400(1979)、德國(guó)的DINI18800(1997)、歐洲的EC4(1997)；國(guó)內(nèi)的主要有JCJ 101—89(1989)，DL/T 5085—1999，DB 29—57—2003，DBL13—51—2003。這些規(guī)范所運(yùn)用到的理論歸納起來(lái)為三種。第一種以鐘善桐為代表，把鋼管和混凝土看作一個(gè)整體的統(tǒng)一理論，在計(jì)算承載力時(shí)不具體區(qū)分鋼管和混凝土兩種材料，計(jì)算簡(jiǎn)單，但結(jié)果偏于安全。第二種基于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范提出的擬鋼理論，把混凝土通過(guò)換算模量折算成鋼材，內(nèi)部的混凝土使鋼管壁的屈服強(qiáng)度和彈性模量提高，但在計(jì)算時(shí)忽略了混凝土的抗拉及抗彎能力，與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力不一致，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確。第三種稱為擬混凝土理論，認(rèn)為外部的鋼管對(duì)內(nèi)部核心混凝土起著套箍加強(qiáng)作用，鋼管等效為混凝土周圍的縱向鋼筋。這種套箍作用在圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中適用性比較好，但方、矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管的套箍作用很小，這種理論無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出其承載力。由此可見(jiàn)，基于這三種理論基礎(chǔ)之上的各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程，在計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)構(gòu)上均有所出入。再加上鋼管混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際受力的復(fù)雜性，導(dǎo)致三種理論均具有一定的缺陷和不足，需要進(jìn)一步完善。

2 鋼管混凝土受壓承載力的影響因素

2.1 截面類型對(duì)鋼管混凝土受壓承載力的影響

目前對(duì)于鋼管混凝土所做的研究主要集中在方形和圓形兩種截面類型，為了提高鋼管和混凝土之間的相互作用，在截面設(shè)置加勁肋。鋼管混凝土的承載能力，隨著鋼管的壁厚、長(zhǎng)細(xì)比、含鋼量、加勁肋的布置形式而發(fā)生變化。羅露露[3]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)10個(gè)方鋼管混凝土短柱試件進(jìn)行研究，探討了鋼管壁厚、含鋼量及加勁肋等對(duì)試件軸壓極限承載力的影響。其試件截面如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

說(shuō)明：c，d截面在加勁肋的布置上一樣，肋寬上有區(qū)別：c為40 mm寬；d為60 mm寬。

表1 羅露露[3]試驗(yàn)結(jié)果

1)在其他條件相同的情況下，鋼管壁厚增加，其承載力得到提高。以試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，10 mm壁厚的鋼管混凝土試件其承載力較6 mm厚的鋼管混凝土試件，a,b,c,d,e截面的承載力分別提高了30.23%,31.52%,19.56%,12.9%,7.56%。

2)在其他條件相同的情況下，含鋼量越大，試件的極限承載力也越大。6 mm厚的截面含鋼率從0.13到0.2，其承載能力提高了42.86%；10 mm厚的截面含鋼率從0.23到0.34，其承載能力至少提高了17.98%(d,e試件最終未破壞)。

3)在其他條件相同的情況下，隨著加勁肋數(shù)量的增加，試件的極限承載力顯著提高。截面從無(wú)加勁肋到雙向雙排加勁肋，其承載能力提高范圍為17.98%～42.86%。

由此可見(jiàn)，加大鋼管的壁厚、截面的含鋼率及布置一定數(shù)量的加勁肋均能使鋼管混凝土構(gòu)件的極限承載能力得到提高。

彭煒[4]通過(guò)ANSYS進(jìn)行理論分析，對(duì)長(zhǎng)細(xì)比(λ=4L/D)從110～200的鋼管混凝土柱進(jìn)行了承載力分析，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。長(zhǎng)細(xì)比從110增大到200，截面的極限承載力從482.52 kN降到167.19 kN，說(shuō)明隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加，截面穩(wěn)定承載力在逐漸下降。其中λ在110～170范圍內(nèi)，降低較快；170～200時(shí)降低比較緩慢。

2.2 粘結(jié)情況對(duì)鋼管混凝土受壓承載力的影響

鋼管與混凝土之間的粘結(jié)與滑移對(duì)鋼管混凝土軸壓承載力的影響，堯國(guó)皇[5]制作了12個(gè)圓試件和8個(gè)方試件，截面徑(寬)厚比從30增大到125，在有粘結(jié)和無(wú)粘結(jié)兩種狀態(tài)下，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表2所示。

表2 堯國(guó)皇[5]有粘結(jié)和無(wú)粘結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

比較表2中的數(shù)據(jù)，在圓鋼管中，有粘結(jié)的試件其極限承載能力比無(wú)粘結(jié)試件的極限承載力要高一些，但是提高的效果并不明顯，其提高率在6.89%～10.07%。方鋼管混凝土試件表現(xiàn)出相同的規(guī)律，有粘結(jié)試件的極限承載力比無(wú)粘結(jié)的極限承載力僅僅提高了3.5%～8.31%。由此看出，在其他條件相同的情況下，有粘結(jié)和無(wú)粘結(jié)對(duì)試件軸壓承載力的影響并不大，對(duì)圓鋼管混凝土試件的影響要稍微大一些。

2.3 膨脹劑對(duì)鋼管混凝土受壓承載力的影響

在鋼管混凝土中加入膨脹劑，能夠使混凝土的密實(shí)性得到提高，會(huì)不會(huì)因此對(duì)鋼管混凝土的承載能力產(chǎn)生影響。楊陽(yáng)[6]通過(guò)對(duì)3個(gè)圓鋼管混凝土試件進(jìn)行了研究，其截面尺寸為140 mm×2.2 mm×500 mm。在混凝土中分別摻入0%,4%,8%的膨脹劑，對(duì)應(yīng)的鋼管混凝土試件的極限承載力分別為957 kN,1 272 kN,1 156 kN。由此可見(jiàn)，在混凝土中加入膨脹劑其承載力得到了提高，最大提高32.9%。但是鋼管混凝土的極限承載力與膨脹劑的摻量不成正比關(guān)系。在該試驗(yàn)中膨脹劑的摻量為4%的時(shí)候，承載力提高的最多，相反摻量為8%的時(shí)候卻只提高了20.8%。

2.4 混凝土徐變對(duì)鋼管混凝土受壓承載力的影響

鋼管混凝土徐變，是指由于核心混凝土的徐變而引起的鋼管和混凝土在受到外界荷載時(shí)的內(nèi)力重分布。但是與普通的鋼筋混凝土的徐變不同，鋼管混凝土的核心混凝土在鋼管的包裹下，處于密閉狀態(tài)，且變形受到鋼管的限制，其機(jī)理更為復(fù)雜。研究表明，徐變對(duì)鋼管混凝土的承載能力有較大的影響。楊陽(yáng)[6]以大跨度鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)槔ㄟ^(guò)建立數(shù)值分析模型，對(duì)鋼管混凝土拱肋進(jìn)行了理論研究，結(jié)果表明，混凝土的徐變對(duì)鋼管和混凝土的應(yīng)力有明顯的影響。鋼管在3 600d的壓應(yīng)力下顯著提高，提高幅度為15.7%～23.8%?；炷猎? 600d的壓應(yīng)力下顯著降低，降低幅度為17.9%～20.3%。這對(duì)于大跨度鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)是非常不利的，因此必須重視徐變對(duì)結(jié)構(gòu)承載力產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)文章分析可以得出以下結(jié)論:

1)鋼管混凝土承載力的計(jì)算理論與鋼管混凝土的實(shí)際受力情況存在著一定的差異，有待進(jìn)一步深入研究。

2)適當(dāng)增加鋼管的壁厚、選擇合適的截面含鋼率以及布置一定數(shù)量的加勁肋，在一定范圍內(nèi)可以提高鋼管混凝土的軸壓承載能力。

3)在一定范圍內(nèi)，鋼管混凝土截面承載力與長(zhǎng)細(xì)比成負(fù)相關(guān)。

4)鋼管與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)其軸壓承載力的影響可以忽略不計(jì)。

5)在混凝土中增加一定量的膨脹劑可以提高混凝土的密實(shí)性，在一定程度上可以提高鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的軸壓承載能力。

6)混凝土的徐變會(huì)使得鋼管與混凝土的受壓承載力降低。

目前對(duì)其承載能力的研究已經(jīng)取得了一定的成果，對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際的運(yùn)用中有一定的指導(dǎo)意義。但是隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在大型橋梁工程、地鐵站的建設(shè)、高層建筑工程和單層多層工業(yè)廠房柱的應(yīng)用越來(lái)越多，其受荷載情況和使用環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)其承載能力的影響因素變得更為復(fù)雜。本文對(duì)已有研究成果進(jìn)行分析，希望能在此基礎(chǔ)之上，會(huì)有更多的學(xué)者對(duì)其在復(fù)雜工作環(huán)境中的受力性能進(jìn)行深入的研究，讓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在更廣闊的范圍中得到應(yīng)用。