中空夹层钢管混凝土组合柱的实用设计方法

　　本文提供了中空夹层钢管混凝土轴压、纯弯、压弯和内钢管组合界面抗剪的实用计算公式，和一些相关构造要求，其结果和已有的一些国内外试验结果基本吻合，可为有关工程实践提供参考。

　　关键词中空夹层钢管混凝土，实用设计方法，承载力计算，组合界面抗剪粘结力

　　1.引言

　　中空夹层钢管混凝土是将两层钢管同心放置，并在两层钢管之间浇筑混凝土而形成的构件。该类构件适用作海洋平台支架柱、桥墩以及高层建筑中的大直径柱等。此外中空夹层钢管混凝土还可以用作大尺寸的灌注桩。

　　图1.1中空夹层钢管混凝土

　　中空夹层钢管混凝土柱在保持了传统钢管混凝土柱基本有点的同时，还具有以下特点：

　　截面开展、抗弯刚度大。中空夹层钢管混凝土由于截面开展，在同样自重情况下其抗弯刚度较大，因而在弯矩较大的情况下可以更好地发挥材料的力学性能。

　　自重轻、抗震性能好。在合理设计的情况下，采用相同尺寸的外钢管，中空夹层钢管混凝土的承载力一般不低于相应的实心钢管混凝土，且可具有实心钢管混凝土类似的力学性能，因此设计人员可以在不降低构件承载力的情况下采用中空夹层钢管混凝土来减轻构件的自重，在保持钢管混凝土基本优点的同时提高其抗震性能。

　　抗火性能优于实心钢管混凝土。实心钢管混凝土的钢管位于截面外围，在火灾作用下易丧失其承载力，而中空夹层钢管混凝土由于混凝土对内管的包裹作用，内管受到很好的保护，能在较长时间内不丧失其承载力，因而在通常情况下在火灾作用下中空夹层钢管混凝土可预期比同样外尺寸的实心钢管混凝土将具有更好的抗火性能。

　　2.材料要求

　　中空夹层钢管混凝土承重构件的钢管材料，应根据结构的重要性、荷载特征、应力状态、钢材厚度、连接方式、环境条件等因素合理选取牌号和质量等级。钢材强度等级范围为Q234~Q420。各类牌号的A级钢不宜用于高层结构。

　　内外钢管之间的混凝土强度等级范围为C30～C90级。对Q235钢管，宜配C30或C40级混凝土;对Q345钢管，宜配C40或不低于C50级的混凝土;对Q390、Q420钢管，宜配不低于C50级的混凝土。

　　3.构造要求

　　中空夹层钢管混凝土性能与传统钢管混凝土相近，部分构造要求也参考了规范[1]。

　　3.1名义含钢率αn范围为0.05~0.20，其中

　　αn=Aso/Ace(3.1)

　　对于圆中空夹层钢管混凝土

　　Aso=πDo2/4(3.2)

　　Ace=π(Do-2to)2/4(3.3)

　　式中Do为外钢管外径，to为外钢管壁厚;

　　对于矩形中空夹层钢管混凝土

　　Aso=BoHo(3.4)

　　Ace=(Bo-2to)(Ho-2to)(3.5)

　　式中Bo和Ho分别为外钢管短边和长边。

　　3.2空心率χ不应小于0.75，其中对于圆中空夹层钢管混凝土

　　χ=Di/(Do-2to)(3.6)

　　式中Di为内钢管外径;

　　对于矩形中空夹层钢管混凝土

　　(3.7)

　　式中Bi和Hi分别为内钢管短边和长边。

　　3.3长细比λ范围为10～150，其中

　　λ=lo/ro(3.8)

　　(3.9)

　　式中lo为构件计算长度，ro为构件截面当量回转半径，Iso、Isi和Ic分别为外钢管、内钢管和混凝土截面惯性矩，Aso、Asi和Ac分别为外钢管、内钢管和混凝土截面面积，Es和Ec分别为钢和混凝土的弹性模量，f和fc分别为钢和混凝土的强度设计值。

　　3.4对于圆形中空夹层钢管混凝土，外钢管径厚比Do/to不应超过150(235/fy)，内钢管径厚比不应超过100(235/fy);对于矩形中空夹层钢管混凝土，外钢管宽厚比不应超过60，内钢管宽厚比不应超过40。其中fy为钢材屈服强度。

　　钢管的外直径或最小外边长不宜小于100mm，钢管的壁厚不宜小于4mm。矩形钢管截面长边与短边边长之比不宜大于2。

　　4.承载力计算

　　中空夹层钢管混凝土柱的承载力可以经过有限元分析得到，并用试验加以验证。一些著作中[2][3]对其计算方法进行了探讨，本文主要介绍圆形和矩形两种形式的中空夹层钢管混凝土柱承载力的实用计算方法。

　　4.1轴心受压构件

　　轴压强度承载力Nu=Ni,u+Nosc,u(4.1)

　　式中Ni,u为内钢管极限承载力，Nosc,u为外钢管和核心混凝土的极限承载力，

　　Ni,u=Asifyi(4.2)

　　Nosc,u=Ascofscy(4.3)

　　Asco=Aso+Ac(4.4)

　　对于圆中空夹层钢管混凝土

　　fscy=C1χ2fy+C2(1.14+1.02ξ)fck(4.5)

　　对于矩形中空夹层钢管混凝土

　　fscy=C1χ2fy+C2(1.18+0.85ξ)fck(4.6)

　　C1和C2为计算系数

　　C1=α/(1+α)(4.7)

　　C2=(1+αn)/(1+α)(4.8)

　　含钢率α=Aso/Ac(4.9)

　　约束效应系数ξ=αnfy/fck(4.10)

　　fck为混凝土抗压强度标准值。

　　轴压稳定承载力Nu,cr=φNu(4.11)

　　式中φ为轴心受压稳定系数，其值是对实心钢管混凝土稳定系数进行修正而得，

　　(4.12)

　　其中a=(4.13)

　　b=e-2aλp(4.14)

　　c=1-aλp2-bλo(4.15)

　　(4.16)

　　e=(4.17)

　　其中λo、λp分别为中空夹层钢管混凝土轴压构件发生弹性或弹塑性失稳时的界限长细比，

　　λo=(4.18)

　　λp=(4.19)

　　式中fscy和fy需以MPa为单位代入。

　　4.2纯弯构件

　　中空夹层钢管混凝土构件抗弯极限承载力Mu=Mi,u+Mosc,u(4.20)

　　式中Mi,u为内钢管抗弯承载力，Mosc,u为外钢管和核心混凝土的组合抗弯承载力，

　　Mosc,u=γm1Wscmfscy(4.21)

　　Mi,u=γm2Wsify(4.22)

　　其中γm1、γm2为抗弯承载力系数，

　　(4.23)

　　(4.24)

　　Wsi为内钢管的截面抗弯模量，Wscm为外钢管和核心混凝土的组合截面抗弯模量，

　　对于圆中空夹层钢管混凝土

　　(4.25)

　　(4.26)

　　对于矩形中空夹层钢管混凝土

　　(4.27)

　　(4.28)

　　4.3压弯构件

　　中空夹层钢管混凝土压弯构件轴力-弯矩相关方程如下。

　　当N/Nu≥2φ3ηo时

　　(4.29)

　　当N/Nu<2φ3ηo时

　　(4.30)

　　式中a=1-2φ2ηo(4.31)

　　b=(4.32)

　　c=(4.33)

　　(4.34)

　　NE=(4.35)

　　为中空夹层钢管混凝土轴压组合弹性模量，

　　(4.36)

　　Asc为钢管混凝土截面面积，

　　Asc=Aso+Asi+Ac(4.37)

　　对于圆中空夹层钢管混凝土

　　(4.38)

　　(4.39)

　　对于矩形中空夹层钢管混凝土

　　(4.40)

　　(4.41)

　　5.内钢管组合界面抗剪粘结力计算

　　5.1组合界面剪力

　　中空夹层钢管混凝土组合柱经常以连续贯通的整长杆件的形式出现，节点处作用于组合柱的节点力一般由以下几种方式：作用于外钢管，通过组合界面向内转递于混凝土和内钢管;作用于内钢管，通过组合界面向外转递于混凝土和外钢管;内外钢管分别承担部分节点力，通过组合界面达到内外钢管和混凝土协调受力。

　　组合界面抗剪计算的一般公式为

　　(5.1)

　　中空夹层钢管混凝土外钢管与混凝土的组合界面抗剪方式类似于一般钢管混凝土，可按已有的规范规程计算和设置抗剪连接件。

　　本文主要讨论内钢管和混凝土的组合界面抗剪粘结力计算。节点力作用于内钢管时的内钢管组合界面剪力与其他几种作用方式相比最大，因此计算此时的剪力是偏安全的和可行的。其计算依据主要参考了国外的相关试验结果[4]。

　　内钢管组合界面剪力

　　(5.2)

　　5.2 抗剪粘结力

　　图5.1组合界面抗剪粘结力

　　内钢管组合界面抗剪粘结力

　　(5.3)

　　其中V1,u为内钢管与混凝土的抗剪粘结力，V2,u为抗剪连接板与混凝土的抗剪粘结力，

　　(5.4)

　　(5.5)

　　式中tL和AL分别为抗剪连接板的厚度和表面积，Csi为内钢管的外周长，lE为剪力传递范围，

　　(圆形)(5.6)

　　(矩形)(5.7)

　　τu为抗剪粘结强度，对于圆中空夹层钢管混凝土

　　(5.8)

　　(5.9)

　　(5.10)

　　(5.11)

　　其中τo按0.55N/mm2计算，但如果允许产生6mm的相对位移，τo的值可以达到1.18N/mm2;

　　对于矩形中空夹层钢管混凝土

　　(5.12)

　　6.小结

　　中空夹层钢管混凝土构件从破坏模态到荷载-变形关系均表现出和实心钢管混凝土相似的特性，而和空钢管构件有较大不同。

　　本文提供了中空夹层钢管混凝土轴压、纯弯、压弯和内钢管组合界面抗剪的实用计算公式，和一些相关构造要求，其结果和已有的一些国内外试验结果基本吻合，可为有关工程实践提供参考。

　　参考文献

　　[1] 福州大学福建省建筑科学研究院.钢管混凝土结构技术规程(DBJ13-51-2003).福建省建设厅发布，2003

　　[2] 陶忠于清.新型组合结构柱——试验、理论与方法.科学出版社，2006.

　　[3] 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构(修订版).人民交通出版社，2007

　　[4] G.HanswilleM.Porsch.LasteinleitungbeiausbetoniertenHohlprofilverbundstuetzenmitnormal-undhochfestenBeton.ForschungsvereinigungStahlanwendunge.V.imStahl-Zentrum,2004

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