钢管_钢骨混凝土组合柱轴压比限值的研究.pdf
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1、 收稿日期:2006 - 04 - 10 基金项目:辽宁省教育厅科研项目(2004D247) ;沈阳建筑大学省级重点实验室开放基金资助项目 作者简介:徐亚丰(1963 - ) ,男,教授,博士,国家一级注册结构工程师,主要从事组合结构研究. 文章编号:1671 - 2021(2006)05 - 0740 - 05 钢管-钢骨混凝土组合柱轴压比限值的研究 徐亚丰,赫 芳,向常艳,郝 微,韩景学,顾心倩 (沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳110168) 摘 要:目的 研究使钢管-钢骨混凝土组合柱发生延性破坏时所需要确定的轴压比 限值.方法 通过对钢管、 钢骨的简化处理,从界限破坏出发,分析了钢
2、管-钢骨混凝 土组合柱轴压比限值的组成,建立了界限破坏时的计算简图,进而推导出轴压比限值 的理论计算公式.结果 在确定了轴压比限值的计算公式基础上,对其进行了简化计 算,根据不同的抗震等级确定了试验中3个试件的轴压比限值.结论 钢管-钢骨混 凝土框架柱比钢管混凝土核心柱的轴压比限制提高10 %左右,其值随着钢骨含率的 增加而提高.因此相比钢管混凝土核心柱,钢管-钢骨混凝土组合柱具有更好的延 性. 关键词:钢管-钢骨混凝土组合柱;轴压比限值;延性;界限破坏 中图分类号:TU39812 文献标识码:A 文献1中提出了钢管-钢骨混凝土组合柱 的新型式,这种组合柱是在钢管混凝土组合柱的 基础上,外包角
3、钢的新型柱.通过钢管、 钢骨、 混凝 土的共同工作,达到提高柱承载力和延性的目的. 钢管-钢骨混凝土偏心受压柱正截面的破坏形态 有大偏心受压破坏与小偏心受压破坏两种,前者 属于延性破坏类型,后者属脆性破坏类型.因此为 了在抗震设计上获得良好的延性,框架柱以大偏 心受压为宜. 在结构抗震设计中,轴压比是影响结构延性 主要因素,轴压比越大,结构或构件的延性越差, 要想获得较好的延性,必须对结构的轴压比进行 限值,但如果严格控制轴压比,势必造成柱截面尺 寸过大,剪跨比变小,甚至形成短柱,有可能产生 脆性破坏2 - 15. 轴压比限值就是由正截面界限破坏时力的平 衡条件得出的,它是指轴向压力值N除以柱
4、截面 面积A而得到的名义压应力与混凝土轴心抗压 强度fc比值的最大允许值,以防止出现对抗震不 利的脆性破坏2. 笔者从界限破坏时的平衡条件出发,根据平 截面假定,推导出钢管-钢骨混凝土组合柱轴压 比限值的理论计算公式,同时对其进行了简化处 理,提出了供设计用的轴压比限值的计算公式,结 合钢管-钢骨混凝土组合柱试验分别给出了钢管 -钢骨混凝土组合柱在不同钢骨下的轴压比限 值. 1 轴压比计算的简化处理 111 基本假设 (1)平截面假定,即混凝土与钢管共同工作, 协调变形,不发生相对滑移; (2)钢骨和钢管均为理想弹塑性材料,其应力 -应变关系如图1所示6; (3)不考虑受拉区混凝土的作用; (
5、4)钢管-钢骨混凝土组合柱界限破坏点定 义为截面边缘压应变达到混凝土极限压应变cu, 同时受拉外包钢屈服,并以界限破坏点作为轴压 比限值点5. 2 0 0 6年0 9月 第22卷第5期 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版) Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science) Sep.2006 Vol122 , No15 图1 钢骨与钢管应力-应变关系 112 钢管的等效处理 对于配有圆钢管的钢骨混凝土柱,可借鉴圆 形截面钢筋混凝土柱的计算方法.在计算圆形截 面钢筋混凝土柱时,将沿圆周均匀布置的纵向钢 筋等代为一个连续
6、钢环,对于配有圆钢管的钢骨 混凝土柱,其中的圆形钢管就相当于一个圆 环6. 113 外包钢的等效处理 效仿文献4钢筋的等效处理方法,为方便将 全部外包钢连续化为4块钢板,其中2块是翼缘 板,另外2块是腹板,如图2所示. 于是外包钢腹板的计算厚度 d = 4As1 2b (1) 式中:As1为单肢钢骨的截面面积;b=h , b为钢 管-钢骨混凝土柱截面宽度, h为钢管-钢骨混 凝土柱截面高度. 图2 钢骨等效示意图 114 界限破坏时的界面计算简图 在文献6研究钢管混凝土核心柱的基础上, 叠加钢骨的拉力和压力,并定义钢管-钢骨混凝 土组合柱的界限破坏状态为在受拉区外包钢骨达 到屈服拉应变的同时,
7、受压区混凝土被压碎,此时 钢管的受拉翼缘没有屈服,而受压翼缘和受压外 包钢骨都屈服.对称配骨和配钢管的矩形截面其 混凝土试验柱的计算简图如图3所示(图中符号, 上角o表示试验值,下角s表示外包钢骨,下角a 表示钢管12 ) . 图3 钢管-钢骨混凝土组合柱的正截面计算 2 轴压比限值的理论计算 由界限破坏时截面上力的平衡条件可得钢管 -钢骨混凝土组合柱轴压比限值的试验值 noa = Nou f o cbh (2) Nou f o cbh = ho h o b+ Nosf f o cbh + Nosw f o cbh + Noa f o cbh (3) 式中:Nou为界限破坏时轴向压力试验值;N
8、osf为界 第22卷徐亚丰等:钢管-钢骨混凝土组合柱轴压比限值的研究741 限破坏时钢骨翼缘合力的试验值;Nosw为界限破 坏时钢骨腹板合力的试验值;Noa为界限破坏时钢 管受力的试验值6; o b为界限受压区相对高度的 试验值;f o c为混凝土轴心抗压强度试验值. 211 界限破坏时钢管受力试验值Noa计算6 借鉴圆形截面钢筋混凝土柱的计算方法,有 Noa = ( -t)f o aA (4) t= 1125 - 2(5) 式中:A为钢管的截面面积;为对应于受压钢 管截面的圆心角与2的比值;t为受拉钢管面 积与全部钢管面积的比值,当01625时,取t = 0. 将式(5)代入式(4)得 No
9、a= (3- 11 25) f o aAa (6) 212 界限破坏时钢骨翼缘合力试验值Nosf计算 当混凝土受压边缘的压应变达到极限压应变 时,钢骨受压翼缘的压应变已超过其屈服压应变, 同时受拉钢骨亦屈服,故对于对称配筋的钢骨翼 缘合力为零,即 Nosf= 0(7) 213 界限破坏时钢骨腹板合力试验值Nosw计算 求钢骨腹板的合力试验值Nosw要复杂些.由 图4所示的腹板应力图知,当受拉钢骨屈服时,受 拉腹板的合拉力与反对称的受压腹板的相应部分 的合压力部分抵消(h2=h- xob - d 2 ) , 因此Nosw 为腹板受压区中高度为h1的受压屈服部分压力 的合力. 图4 界限破坏时钢骨
10、腹板应力、 应变图 钢骨腹板的合力试验值 Nosw=fyh1d(8) 由平截面假定,可求得: h1= x0b (1 - o y o cu ) - d 2 (9) 将式(9)代入式(8)得: Nosw=fy xob (1 - o y o cu ) - d 2 d(10) 214 钢管-钢骨混凝土组合柱轴压比限值的试 验值 将式(6)、(7)、(10)代入式 (3) , 得钢管-钢骨 混凝土组合柱轴压比限值的试验值的理论计算公 式 noa = ho h o b+ (3- 11 25) f o a f o c Aa bh + 1 (1 - o y o cu ) - d 2 o bho f o y f
11、 o c d b ho h o b (11) 3 轴压比限值的简化分析 与我国规范13在确定轴压比限值一样,简化 上述理论公式并把试验值转化为设计值.略去式 (11)中等式右边第三项的小值 d 2 o bho ,并取 f o a fc fa fck0181 fa fc ; f o y fc fy fck0181 fy fc ; ho h 0195 ; o y o cu y cu013 ;对等式右边第三项中的值取为 0172 ,对等式右边第三项方括号中的 o b取为 015 ,其余的 o b则按文献8的建议,取 o b=b= 1 + fy 01003Es . 对于钢管-钢骨混凝土组合柱,可进一步
12、简 化,由文献8可知,当处于界限破坏时, 015 , = Aa bh ,代入式(11)可得: noa = 0195 o b+ 012 fa fc a+ 01748 o b d b fy fc (12) 近似地用轴向力的标准值代替其试验值,用 混凝土轴心抗压强度的标准值代替其试验值,即 Nou=Nk,f o c=fck,再考虑到Nk、fck与相应设计 值的关系 742沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第22卷 N/ Nk = ( GNGk+EhNhk)/ (NGk+Nnk) 1125 ,fck/fc= 1136 则noa =Nk / ( fckbh ) = N/ (112511
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