内埋圆形钢管空间钢构架混凝土短柱轴压承载力计算

戴 彬, 唐兴荣*, 杨静明, 陆国琦

(1. 苏州科技大学土木工程学院, 江苏 苏州 215011; 2. 中衡苏州华造建筑设计有限公司, 江苏 苏州 215021)

由于空间钢构架有一定的承载力和刚度, 使其对核心混凝土具有约束作用, 提高了核心混凝土的抗压强度和变形能力[1-3]; 空间钢构架混凝土柱具有较高的承载力和较好的变形性[4],但在轴向载荷作用下,空间钢构架的弦杆(角钢)易发生压曲,使其轴压承载力下降．为了改善空间钢构架混凝土柱的轴压性能,可在空间钢构架混凝土柱内埋圆形钢管,形成内埋圆形钢管空间钢构架混凝土柱, 能有效延缓和抑制混凝土内部微裂缝的产生,从而使空间钢构架对核心混凝土的约束作用得到充分发挥[5]．目前国内外学者开展钢骨-钢管混凝土组合柱受压性能试验研究较多[6-7], 如钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱、钢管混凝土核心柱以及空间钢构架混凝土柱等,而对内埋圆形钢管空间钢构架混凝土柱的试验研究和理论分析较少[8]．本文拟对内埋圆钢管空间钢构架混凝土轴压短柱进行试验和理论研究, 以探求轴压承载力与内部钢管混凝土套箍指标ξ1和外部空间钢构架混凝土约束系数ξ2之间的关系．

1 约束机理

圆形钢管对核心混凝土的约束作用可用套箍指标ξ1表示[9], 空间钢构架对钢管外混凝土的约束作用可用约束系数ξ2表示[4-5]; 因此, 在内埋圆形钢管空间钢构架混凝土柱中,存在钢管对核心混凝土约束和空间钢构架对钢管外混凝土约束的双重作用．图1为内埋圆钢管空间钢构架混凝土轴压短柱各部分相互作用的截面受力分析．图中钢管外径为D,钢管厚度为t,缀条截面积为Ass1; 核心混凝土对钢管均向压应力为σr1, 钢管外侧混凝土对钢管挤压应力为σr2, 对空间钢构架压应力为σr3; 钢管纵向应力为σ1, 环向应力为σ2．为简化计算, 假设σr3均匀分布, 忽略混凝土的抗拉作用,由空间钢构架受力平衡可得缀板的横向拉应力σz=σr3bcs/(2Ass1), 由钢管外侧混凝土受力平衡可得σr2D=σr3bc,由圆形钢管受力平衡可得σr1-σr2=2tσ2/D．

图1 柱截面内力计算简图Fig.1 Cross section internal force computing model

2 承载力计算

2.1 基本假设

假设: i) 空间钢构架弦杆、圆形钢管与钢管内外混凝土之间没有相对滑移; ii) 考虑圆形钢管对核心混凝土以及圆形钢管和空间钢构架对圆形钢管外混凝土双重约束作用的影响; iii) 不考虑混凝土收缩与徐变的影响; iv) 不考虑钢管和空间钢构架弦杆的局部屈曲．

2.2 钢管混凝土柱的轴压承载力

2.3 空间钢构架混凝土柱轴压承载力

由基本假设iv)知, 不考虑空间钢构架弦杆的局部压屈,可得到钢管外侧空间钢构架混凝土柱的轴压承载力Nu,ssfc=fcc2Ac2+fy2As2, 其中空间钢构架约束混凝土的抗压强度fcc2=fc+keσr3, 式中ke为混凝土的有效约束系数,Ac2为钢管外侧混凝土截面积,fy2为角钢的屈服强度,As2为角钢的截面积．

2.4 内埋圆形钢管空间钢构架混凝土短柱的轴压承载力

表1 各试件承载力试验值 与计算值