矩形钢管混凝土轴压短柱研究

史义博

(中国中元国际工程公司，北京 100089)

0 引言

钢管混凝土构件由钢管和混凝土两种材料共同组成，其工作的实质在于钢管与核心混凝土间的相互作用和协同互补。一方面，钢管对核心混凝土的约束作用使混凝土处于三向压应力状态，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性也大为改善;另一方面，核心混凝土阻止了钢管向内局部屈曲，从而增强了结构体系的稳定性和承载力。

1 理论计算

1.1 钢材的本构关系

在进行钢管混凝土的理论计算时，钢材就采用普通的应力—应变关系。在进行有限元模拟时，须采用三向受力的钢材的本构关系。

钢材的应力—应变关系曲线一般可分为弹性段(oa)、弹塑性段(ab)、塑性段(bc)、强化段(cd)和二次塑流(de)五个阶段，如图1所示。图中点划线为钢材实际的应力—应变曲线，实线所示为简化的应力—应变关系曲线，其中，fp，fy，fu分别为钢材的比例极限、屈服极限和抗拉强度极限。

本文进行了矩形钢管混凝土轴压短柱试件的数值计算，钢材近似按单向受力考虑。

图1 钢材的应力—应变关系图

其中，Es=2.06 × 105MPa;εe=0.8fy/Es;εe1=1.5εe;εe2=10εe1;εe3=100εe1;A=0.2fy/(εy－ εe)2;B=2Aεy;C=0.8fy+A(εe)2－bεe。σ为钢的应力;ε为钢的应变;fy为钢的屈服点。

1.2 混凝土的本构关系

钢管混凝土构件计算中的核心问题是受压混凝土强度的提高问题，因此选用合适的混凝土的本构关系便显得尤为重要。文献［3］中提出一种考虑了约束效应的单向受压混凝土的本构关系。文献［5］结合试验数据并通过理论计算提出了一种约束混凝土的本构关系，其中包括了峰值强度的提高、峰值点的后移，以及极限应变的增大。在用有限元进行构件的计算时则必须考虑混凝土的三向本构关系，以及屈服准则、强化准则、破坏准则的定义。文献［6］在考虑了各种初始缺陷的基础上用Marc对矩形构件进行了有限元分析。

本文采用文献［3］的受压混凝土的本构关系进行了简化的数值计算，主要用来与试验结果进行比较。

2 构件试验

2.1 试件

共做了5个试件，具体情况如表1所示。

表1 轴压短柱试件情况表

所有试件钢管均为Q235钢，壁厚4 mm，钢管内灌C30素混凝土，混凝土配合比为(kg):水泥∶中砂∶碎石∶水∶膨胀剂 =1∶1.55∶3.11∶0.4∶0.002，水泥采用海螺牌425 号普通硅酸盐水泥。

2.2 试验结果

钢材标准试件拉伸如图2所示，钢材的基本参数见表2。

图2 钢材标准试件拉伸

混凝土各个试件的基本参数见表3。

表2 钢材的基本参数 MPa

表3 混凝土各个试件的基本参数

各个试件的极限荷载如表4所示。

表4 各个试件承载能力情况表 kN

2.3 分析及结论

结合文献［7］［8］给出的矩形钢管混凝土轴压短柱的试验数据，并与计算值进行比较后发现，截面形状系数φ越小，试验值与计算值相差越大，具体情况如表5所示。

表5 矩形钢管混凝土轴压短柱承载力试验情况表

分析相关系数与截面形状系数φ的关系可发现，随着φ的增大，相关系数有增大的趋势，因此考虑用一个一次二项式来拟合这种关系，拟合曲线示意图如图3所示。

图3 拟合曲线示意图

用最小二乘法拟合的关系为式(3):

其中，Nu为修正后的矩形钢管混凝土轴压短柱承载力计算公式;N0为矩形钢管混凝土轴压短柱承载力值;φ为构件截面形状系数。

式(3)的计算值与试验值相差很小，均在5%的范围内，因此，用截面形状系数来修正矩形钢管混凝土轴压短柱承载力公式在实际应用中是可行的。当然，为了得到更精确的拟合公式，还需要更多的试验数据。

［1］钟善桐.高层钢管混凝土结构［M］.哈尔滨:黑龙江科学出版社，1999.

［2］韩林海.钢管混凝土结构［M］.北京:科学出版社，2000.

［3］CECS 28∶90，钢管混凝土结构设计与施工规程［S］.

［4］矩形钢管混凝土结构设计技术规程(送审稿)［Z］.2002.

［5］K.A.S.Susantha，Hanbin Ge，Tsutomu Usami.Uniaxial Stressstrain Relationship of Concrete Confined by Various Shaped Steel Tubes，Engineering Structures，2001(23):1331-1347.

［6］H B Ge，T Usami.Strength Analysis of Concrete-Filled Thin-Walled Steel Box Columns，Journal of Constructural Steel Research，1994(30):259-281.

［7］韩林海，杨有福.矩形钢管混凝土轴心受压构件强度承载力的试验研究［J］.土木工程学报，2001，34(4):22-31.

［8］Schneider，S.P..Axially Loaded Concrete-Filled Steel Tubes，Journal of Structural Engineering，1998，124(10):1125-1138.