配筋圆钢管混凝土短柱轴压承载力分析.pdf
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1、第 2 8卷 第 4 期 2 0 1 1年 1 2月 建筑科 学与 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g Vo 1 2 8 N O 4 De c 2 01 1 文章 编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 9 2 0 5 O 配筋圆钢管混凝土短柱轴压承载力分析 刘 朝 , 赵均 海 , 王 娟 , 吴 赛 ( 长安 大学 建筑工程学 院, 陕西 西安7 1 0 0 6 1 ) 摘要 : 在统一强度理论的基础上 , 对配有纵向钢
2、筋和箍筋的圆钢管混凝 土短柱轴心受压时的受力性 能进行 了分析 ; 考虑 了钢管和箍筋对混凝土的约束作用, 推导出了配筋圆钢管混凝土短柱的轴压承 栽力计算公式; 分析 了中间主应力、 钢管径厚 比和体积配箍率对承载力的影响 。将公式的计算结果 与文献试验结果进行比较 , 二者吻合较好。结果表明: 统一强度理论对于配筋圆钢管混凝土轴压短 柱的理论计算有非常好 的适用性 , 为配筋钢管混凝土柱的分析计算提供 了一定的理论依据。 关键 词 : 统一 强度 理论 ; 配 筋 圆钢 管 混凝 土 ; 短 柱 ; 轴 压承 载 力 中 图分 类号 : T U3 9 8 9 文献标 志码 : A An a
3、l y s i s o f Ax i a l Be a r i n g Ca pa c i t y o f Re i nf o r c e d Co nc r e t e - f i l l e d Ci r c u l a r S t e e l Tub e S h o r t Co l u mns LI U Z h a o,ZHAO J u n h a i ,W ANG J u a n,W U S a i ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g ,C h a n g a n Un i v e r s i t y ,Xi a n 7 1
4、 0 0 6 1 ,S h a a n x i ,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Ba s e d o n t he u ni f i e d s t r e ng t h t he or y, t he m e c ha ni c a l b e ha v i or o f r e i n f o r c e d c o nc r e t e f i l l e d c i r c u l a r s t e e l t u b e s h o r t c o l u mn s wa s a n a l y z e d Th e c a l c u l a t i o
5、n f o r mu l a s o f a x i a l b e a r i n g c a pa c i t y o f t he r e i nf or c e d c o nc r e t e f i l l e d c i r c ul a r s t e e l t u be s ho r t c o l umns we r e d e du c e d wi t h c on s i de r a t i o ns o f t he r e s t r i c t i o n e f f e c t s of s t e e l t ub e a nd ho o p ba r
6、o n c o nc r e t e Pa r a m e t r i c s t ud i e s we r e c a r r i e d o u t t o e v a l u a t e t h e e f f e c t s o f i n t e r me d i a t e p r i n c i p a l s t r e s s e s d i a me t e r t h i c k n e s s r a t i o o f s t e e l t u be a nd t he s t i r r up r a t i o o n t he b e a r i ng c
7、a p a c i t y A r e a s o n ab l e ma t c h wa s r e ac he d by c ompa r i ng t he r e s ul t s c a l c ul a t e d by t he f or mul a s wi t h t he t e s t r e s ul t s by t he r e f e r e n c e s Th e r e s u l t s s h o w t h a t t he u ni f i e d s t r e ng t h t he o r y ha s a go o d a ppl i c
8、a b i l i t y i n t h e t he or e t i c a l c a l c ul a t i on o f t he r e i n f o r c e d c o nc r e t e f i l l e d c i r c u l a r s t e e l t ub e s ho r t c o l umns, whi c h c a n of f e r t h e o r e t i c a l r e f e r e nc e t o a n a l yz e a nd c a l c u l a t e t h e r e i nf or c e d
9、c on c r e t e f i l l e d s t e e l t ub e c o l umns Ke y wo r ds :u ni f i e d s t r e ng t h t he o r y;r e i nf o r c e d c o nc r e t e f i l l e d c i r c u l a r s t e e l t ub e;s h or t c o l u mn; a xi a l be a r i ng c a p a c i t y 引 日 配筋钢管混凝土柱是在钢管混凝土柱内部配置 受力钢筋的新型组合柱。在钢管混凝土柱内加配钢 筋一 方 面可
10、 以提 高 柱 在 常温 下 的承 载 能 力 , 改 善 核 心 混凝 土 的变形 性 能 ; 另 一 方 面 可 以作 为 主 动 防火 措 施 , 代替 在钢 管外 喷涂 防火 材料 的措 施 , 来 提 高钢 管混凝 土 柱 的抗 火 性能口 _ 3 J , 同时在钢 管混 凝 土柱 中 加配钢筋简单易行 , 施工方便 , 因此这种新型组合柱 具 有 良好 的工程 应用 前景 。 在 中国 , 针对配筋钢管混凝土柱的研究和应用 较 少 , 近年 来 , 多位学 者相 继 开展 了配筋 钢管 混凝 土 收稿 日期 : 2 0 1 1 - 0 8 2 0 基金项 目: 国家 自然科学基金项
11、 目( 5 0 9 O 8 0 1 5 ) ; 陕西省 自然科学基础研究计划项 目( 2 0 1 1 J M7 0 0 2 ) 作者简介 : 刘朝 ( 1 9 8 6 一 ) , 男 , 陕西榆林人 , 工学硕士研究生 , Ema i l : l i u z h a o _ 2 0 0 5 1 2 6 C O N。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 刘 朝 , 等 : 配 筋 圆钢 管混凝 土短 柱轴 压承 载 力分析 9 3 柱 的试验研 究 , 但 对这 种构 件在 常温 下 的受压 承 载力 计算 的 理论研 究很 少 。故本 文 中笔者 在统 一
12、强 度理论的基础上 , 对配有纵向钢筋和箍筋的圆钢管 混凝土短柱轴心受压机理进行了分 析, 考虑了钢管 和箍筋对混凝土的约束作用 , 推导 出了配筋圆钢管 混凝土短柱的轴压承载力计算公式 , 并与文献I- 3 中 的试 验结 果进 行对 比 , 验证 了公 式 的可 行性 , 还 分析 了 中间 主应力 、 钢 管径 厚 比和体 积 配 箍 率对 承 载 力 的影 响 。 1 统一 强度理论 1 9 9 1年俞茂 宏 在 双 剪强 度 理 论 基 础 上 以双 剪 单 元 体为 力学 模 型 , 建 立 了一种 考 虑 中间 主应 力 影 响的适 用 于不 同材 料 的统 一 强度 理论 ,
13、其 数 学 表 达式 为 6 F = o-1 - 南 ( ) 。 , ( 1) + z ) 一 叩 。 一 z b = = s 一 d一 , B= c r 1 + B B 一 1 式 中 : F, F 为主 应力 强度 理论 函数 , , 。 分 别 为 第 一 、 第二 和第 三 主应 力 , 取 拉应 力 为正 , 压 应 力 为 负 ; a为 材 料 的拉 压 比 ; , , r 分 别 为 材 料 的 拉 伸 屈 服极 限强 度 、 压缩 屈 服 极 限强 度 和剪 切 屈 服 极 限 强 度 ; b为加 权参 数 , 它反 应 了中 间切 应 力及 相 应 作 用面上正应力对材料屈服
14、或破坏的影响 , O 1 ; B为 切应 力 系数 。 2 配筋圆钢管混凝土短柱轴压 承载力 分 析 2 1 受 力机 理 配 筋 圆 钢管 混 凝 土柱 的截 面形 式 如 图 1 所 示 。 在 轴压 作用 下 配 筋 圆钢 管 混 凝 土 短 柱 的 受 力 机 理 为 : 核心 混凝 土处 于 三 向应 力状 态 , 同时受 到钢 管 和 箍筋 的 约束作 用 ; 钢 管 与 箍筋 之 间 的外 层 混凝 土受 到钢 管 的约束 作用 , 同样处 于三 向应力 状 态 ; 圆钢管 处于 轴压 、 环拉 和径 向受 压 的三 向应力 状 态 ; 纵 向钢 筋受轴压作用。在柱达到极限承载力
15、时 , 外钢管、 加 配的纵向钢筋和箍筋已经屈服。截面的计算模型见 图 2 , 其 中 , , 均 为侧 向压应 力 。 2 2钢 管 承载 力 根据 钢 管 的受 力 模式 , 设钢 管轴 向压 应力 为 , 纵 向 钢筋 箍筋 图 1截 面 形 式 Fi g 1 S e c t i o n Fo r m 混 凝土 混凝 土 ( a )钢 管 ( b ) 外 层 混凝 土 ( c )箍 筋 ( d ) 核 心混 凝 土 图 2计算模型 Fi g 2 Ca l c ul a t i on M o de l s 径 向压应 力 为 , 环 向拉应力 为 , 则 一 一 z 一 r 一一 一百 J
16、 式中: N 为配筋钢管混凝土柱中钢管所承受的轴向 压力; A 为钢管的截面面积 , 近似为 Dn t 为钢管 对 混凝 土产生 的侧 向约束 应力 ; D 为钢 管 的内直径 ; t 为 钢管壁 厚 。 工程 和试 验 中的钢 管混凝 土柱采 用 的钢管 管壁 一 般很薄 , 均满足 D t 2 0 , 可看作薄壁钢管 , 对 于 薄壁 钢管 , 有 一 2 t 1 ,即 I ; 根据钢管的 o u 工作原理 , 随着配筋钢管 昆 凝土应变不断的发展 , 钢 管环 向拉 应 力 不 断 增 大 , 轴 向 压 应 力 逐 渐 减 小 , 钢 管从 主要 承受 轴 向压应 力 转 变 为 主要
17、 承受 环 向拉应 力 , 且 , 则 薄壁 钢管 的主应 力分 别为 盯 l = 日 , 2= r , 3 = z ( 3) 代入统一强度理论的判别式中得 一 o 一 ( 4 ) 1 + a 1 + a 一 取统 一强 度理 论 的 式 ( 1 ) 计 算 , 代 人 3个 主应 力 , 化简得 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 4 建筑科学与工程学报 2 0 1 1血 一 一 ( + 、) o r r 1 ( 5 )b 一一 L 一 十面 1 ( 上f 由此得 到 钢管 的轴 压承 载力 N 为 N l 一 口 。 A 。 1 ( 6 ) 2 3 箍 筋应
18、 力 受压柱内配置的连续螺旋箍筋或单独的八角形 箍筋在沿柱轴 的间距较小 时, 对其包 围的核心混凝 土会产生有效约束 , 约束应力为 一 2 ,y A 2 , 。 “ s d 式 中 : 为箍 筋 对核 心混 凝 土产 生 的约 束应 力 ; f , A 分别为箍筋 的屈服强度和截 面面积 ; S , d分别为 箍筋的纵向间距和内皮直径 。 2 4混凝 土承 载力 2 4 1 三 向应力状 态下混凝 土轴 向抗压 强度统一解 外层 混凝 土 受 到 钢管 的约 束作 用 , 核 心 混 凝 土 受 到钢 管和 箍 筋 的约 束 作 用 , 两 者 都 处 于 三 向 应力状态, 采用文献 1
19、 1 从统一强度 理论推得 的混 凝土在三向应力状态下的轴向抗压强度计算公式 f o f +k p ( 8 ) 式 中 : , 为 三 向应 力 状 态 下 混 凝 土 抗 压 强 度 ; k 一 ( 1 +s i n ) ( 1 一s i n ) , 为 混凝土 的 内摩擦 角, k 的取值在 1 0 7 0之间 , 具体值 由试 验确定 , 当 k 取 4 0时 , 为 3 6 8 7 。 ; P 为混凝土所受到的侧 向约 束应力 ; f o 为混凝土单轴抗压强度, 对于圆形截面, 取圆柱体单轴抗压强度 。 2 4 2 外层混凝土承载力计算 钢管与箍筋之 间的混凝 土受 到钢管 的约束作
20、用 , 侧 向约束 应力 为 P 一 , 代入 式 ( 8 ) 得 1 一f o +k a 1 ( 9 ) 式 中 : 为 三 向应 力状 态下 外层 混凝 土抗 压强 度 。 外层混凝土的轴压承载力 Nz 为 N2 一 ( + k a 1 ) A 1 一 ( 厂 - k c y ) ( D 2 ) 一 ( d 2 ) 。 ( 1 0 ) 式 中 : A 为外层 混凝 土 截面 面积 , A 一丌 ( D 2 ) 。 一 ( d 2 ) 。 2 4 3 核 心混 凝 土承载 力计 算 箍 筋包 围 的核心 混凝 土受 到外 钢管 和箍 筋 的双 重约束 , 侧向约束应力为 P 一口 1 + 2
21、 ( 1 1 ) 代人式( 8 ) 得 2 一fo +k( + ) 一 f o r + r 1 + ) ( 1 2 ) 式 中 : 。 为 三 向应 力状 态下 核 心混凝 土抗 压强 度 。 核 心混 凝土 的轴 压承 载力 为 Na -I f + ) A - I- k ( + ( d 2 ) ) 式 中 : A 为核 心混凝 土 的截 面面 积 , A 一兀 ( 2 ) 。 2 5纵 向钢 筋 承载 力 配筋 圆钢管t 昆 凝土短柱在达到轴压承载力极限 时 纵 向钢筋 屈服 , 故其 轴压 承载 力 N 为 N =_厂 A s ( 1 4 ) 式 中 : -厂 为纵 向钢筋 的屈 服 强度
22、 ; A 。 为 纵 向钢筋 的 截 面 面积 。 2 6轴压 承载 力统 一解 配筋 圆钢管混凝土短柱的轴压承载力 N 由钢 管 、 外层 混凝 土 、 核心 混凝 土和 纵 向钢筋 4个部 分 提 供 的承 载力 共 同组 成 , 即 N N + N + N。 + N ( 1 5 ) 将式( 6 ) , ( 1 0 ) , ( 1 3 ) , ( 1 4 ) 代入式( 1 5 ) , 整理可 得 配筋 圆钢 管混 凝土 短柱 的轴 压承 载力 统一解 为 N一 一 A。 +厂 ( A +A 。 ) + 愚 Ac 2 。 + 。) + ( + ) 口 厶 上1 承载力是侧 向约束应力 的函数
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