异形钢管混凝土短柱偏压承载力截面材料参数影响分析

车 涛，颜燕祥，胡其志

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068；2.湖北工程学院 土木工程学院，湖北 孝感 432000；3.武汉城投停车场投资建设管理有限公司，湖北 武汉 430010)

异形钢管混凝土短柱偏压承载力截面材料参数影响分析

车 涛1,3，颜燕祥2*，胡其志1

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068；2.湖北工程学院 土木工程学院，湖北 孝感 432000；3.武汉城投停车场投资建设管理有限公司，湖北 武汉 430010)

为研究截面材料参数对异形钢管混凝土短柱偏压承载力的影响规律，采用MATLAB程序对T形、L形和十字形钢管混凝土短柱偏压承载力曲线进行了计算。结果表明：钢材强度等级对异形钢管混凝土柱压弯曲线影响最显著，钢板厚度影响较大，混凝土强度影响最弱；组合异形柱压弯曲线随钢材强度、钢板厚度和混凝土强度增加而外凸。研究成果可为异形钢管混凝土柱的工程设计和推广应用提供参考。

异形钢管混凝土短柱；材料参数；N-M曲线；MATLAB

近年来，异形钢管混凝土柱( T、 L 和“十” 字形)在广东省诸多中、高层的建筑中得到了广泛应用[1]。由于异形钢管混凝土柱可避免室内出现棱角，有利于建筑布局，可充分利用室内空间，所以它渐渐取代了传统的截面形式柱[2]。异形钢管混凝土柱还具有节点构造简单，与梁连接处理简便，方便施工，截面相对开展而惯性矩大，适合作压弯构件等优点[3]。因此，异形钢管混凝土柱在未来中、高层建筑应用方面具有巨大的潜能和广阔的前景。

国内学者在异形钢管混凝土柱偏压力学性能研究方面取得了诸多研究成果。文献[1]通过试验，研究了偏心距、长细比等参数对T形截面钢管混凝土柱偏压力学性能和承载力的影响。文献[4-5]研究了T形钢管混凝土的受弯性能，并基于统一理论建立了抗弯承载力计算公式。文献[6]采用纤维模型法分析了钢材屈服强度、混凝土抗压强度、管壁宽厚比、截面肢宽厚比、加载角度和轴压比等参数对T形钢管混凝土柱单向压弯、双向压弯截面强度的影响。文献[7]借助纤维模型法对L形钢管混凝土柱的压弯曲线进行了数值计算，分析了钢材屈服强度、截面含钢率、混凝土强度、拉杆约束系数及荷载角对N/Nu-M/Mu曲线的影响规律。文献[8]利用MATLAB语言编制了求解程序，得到了十字形钢管混凝土柱截面弯矩-曲率关系，分析了混凝土强度、钢材强度、钢管面积对十字形截面异形柱截面弯矩-曲率的影响。

钢管混凝土结构具有优越力学的根本原因是钢管与混凝土之间的相互作用。截面材料参数对其承载力的影响规律，是钢管混凝土柱理论研究的重要内容，是工程技术人员把握其承载力特性的关键内容之一。已有研究结果表明，截面材料参数对异形钢管混凝土短柱偏压承载力是有影响的，但影响程度分析还不够充分，有待进一步研究。为此，本文以文献[5，9]的异形柱原型截面参数为基础，利用MATLAB软件，研究了截面混凝土强度、钢材强度和钢板厚度三个参数对异形柱压弯曲线的影响规律。研究成果可为异形柱的工程设计和推广应用提供参考。

1 异形钢管混凝土短柱压弯曲线求解

文献[10-11]归纳、分析了异形柱截面形式，本文则以文献[5]和文献[9]中部分异形柱截面形式为原型，其截面形式及构造示意图如图1所示。

图2 T形钢管混凝土柱压弯极限状态下截面应力分布

(1)

(2)

采用上述方法求得文献[5]中试件MC-T-3的压弯曲线相关方程的示意图如图3所示。

单向偏心的钢管混凝土异形柱N-M相关方程曲线上具有意义明确的三个特征点，如图4所示。三个特征点分别代表三种极限状态：轴压极限状态、弯矩最大状态和纯弯极限状态。N-M相关方程的理论曲线可近似用过图中三个特征点的折线表达。

图4 N-M相关曲线的特征点

2 异形钢管混凝土短柱N-M曲线数值结果及分析

考虑文献[5]和文献[9]中三种典型偏压短柱的压弯曲线，以其中过形心的某一轴(本文仅以X轴正方向为例)的特征点编程，计算结果如表1所示。

为比较截面材料参数中混凝土强度、钢材强度、钢材厚度(横截面含钢率)对N-M相关方程的影响规律，根据表1分别绘制T形、十字形、L形钢管混凝土短柱的N-M相关曲线的过特征点的简化曲线图，如图5所示。

由表1和图5的数值计算结果可知：(1)混凝土强度对T形、十字形和L形组合柱的抗弯强度影响不大，对轴压承载力影响较大，随混凝土强度增高，N-M相关曲线有外凸趋势(即压弯承载力随混凝土强度增大而增大)。(2)钢材强度对T形、十字形和L形组合柱的抗弯强度和轴压承载力影响均较大，随钢材强度等级增大，N-M相关曲线外凸趋势明显(即压弯承载力随钢材强度增大而显著增大)。(3)钢板厚度对T形、十字形和L形组合柱的抗弯强度和轴压承载力影响亦较大，随钢板厚度增加，N-M相关曲线外凸趋势亦明显(即压弯承载力随板厚度增大而大幅增加)。(4)三种因素中，混凝土强度对异形柱压弯承载力影响最小，钢材强度影响最显著，钢板厚度影响次之。

图5 N-M相关方程曲线的数值解

3 结论

基于MATLAB平台，采用不同截面材料参数对异形组合短柱压弯曲线和特征点进行了计算分析，结论如下：

(1)截面混凝土强度、钢材强度、钢板厚度对异形钢管混凝土短柱压弯曲线均有影响，影响因素大小排序依次为：钢材强度、钢板厚度、混凝土强度。

(2)异形钢管混凝土柱压弯曲线随截面混凝土强度增大、钢材强度增大、钢板厚度增大均表现为外凸趋势。

[1] 杜国锋， 徐礼华， 徐浩然，等. 组合T形截面钢管混凝土柱偏心受压试验研究[J]. 建筑结构学报， 2010， 31(7):72-77．

[2] 薛建阳， 张昭祥， 刘祖强，等. 实腹式型钢混凝土异形柱中框架拟静力试验及静力弹塑性分析[J].工程力学， 2014(5):137-144．

[3] 马清华. 带约束拉杆L形钢管混凝土短柱的偏压基本力学性能研究[D]. 广州: 华南理工大学， 2010．

[4] 徐礼华， 刘胜兵， 温芳， 等. T形钢管混凝土组合构件抗弯性能[J]. 华中科技大学学报(自然科学版)， 2009，37(2): 117―120．

[5] 屠永清， 严敏杰， 刘林林. 多室式钢管混凝土T形构件纯弯力学性能研究[J]. 工程力学， 2012， 29(9):185-192．

[6] 雷敏， 沈祖炎， 李元齐，等. T形钢管混凝土压弯构件强度承载性能[J]. 同济大学学报(自然科学版)， 2016， 44(3):348-354．

[7] 左志亮， 蔡健， 刘明峰，等. 带约束拉杆T形钢管混凝土短柱偏压试验研究[J]. 工程力学， 2010， 32(7):83-90．

[8] 陈海彬， 周凤勤， 葛楠，等. 十字形截面钢管混凝土异形柱正截面承载力全过程分析[J]. 河北联合大学学报(自然科学版)， 2016(4):118-124．

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[11] 许成祥， 祁香文. 异形截面钢管混凝土结构研究现状与分析[J]. 长江大学学报(自然科学版), 2010, 7(3):126-130.

[12] Eurocode 4， ENV 1994-1-1∶2004(E).Design of composite steel and concrete structures， Part 1.1: General rules and rules for building [S]. Commission of European Communities， 2004．

[13] 同济大学浙江杭萧钢构股份有限公司中国工程建设标准化协会.矩形钢管混凝土结构技术规程[M].中国计划出版社, 2004.

(责任编辑：熊文涛)

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

车 涛(1986- )，男，湖北武汉人，湖北工业大学土木建筑与环境学院硕士研究生。

颜燕祥(1985- )，男，湖北大悟人，湖北工程学院土木工程学院讲师，本文通信作者。