方形薄壁钢管轻骨料混凝土短柱的承载力.pdf
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1、第 2 7卷 第 2期 2 0 1 0年 6月 建筑科 学与 J o u r n a 1 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 Vol I 2 7 NO 2 J u n e 2 0 1 0 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 8 3 0 6 O 方形薄壁钢管轻 骨料 混凝土短柱 的承载 力 肖海 兵 。 , 赵 均 海 , 孙 珊 珊 , 周 蓉 ( 1 长安大学 建筑工程学 院 , 陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ; 2 武 汉市建筑设计院
2、 , 湖北 武汉4 3 0 0 1 4 ) 摘要 : 采用双剪统一强度理论 , 综合考虑方形薄壁钢管的局部屈 曲效应以及轻骨料混凝土-3普通混 凝土多轴强度准则差异的影响 , 推导出了方形薄壁钢管轻骨料混凝 土轴压短柱的极限承载力计算 公式, 同时分析 了拉压比、 材料强度参数 、 宽厚 比和混凝土强度对极 限承栽力的影响。结果表明 : 该 计算结果与文献试验结果吻合 良好 , 验证 了公式的合理性 ; 该结果为方形薄壁钢管轻骨料 混凝土轴 压 短柱 的承 载 力分析 计 算提 供 了理论 依 据 , 具有 工程 参考 价值 。 关键词 : 结构工程; 统一强度理论 ; 方形薄壁钢管 ; 轻骨
3、料混凝土; 极限承载力 中图分类 号 : TU5 2 9 5 9 文献标 志 码 : A Be a r i ng Ca p a c i t y o f S h o r t Co l u m n o f Li g h Co nc r e t e f i l l e d S qu a r e Th i n- wa l l e d t we i g ht Ag g r e g a t e S t e e l Tu b e XI AO Ha i b i n g ,ZHAO J u n h a i 。SUN S h a n s h a n Z HOU Ro n g ( 1 S c h o o l o f
4、 Ci v i l En g i n e e r i n g,Ch a n g a n Un i v e r s i t y ,Xi S K I 7 1 0 0 6 1 ,S h a a n x i ,Ch i n a ; 2 W u h a n Ar c h i t e c t u r a l De s i g n I n s t i t u t e ,W u h a n 4 3 0 0 1 4,Hu b e i ,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Ba s e d 0I 1 t he t wi n s h e a r uni f i e d s t r e ngt h
5、t he or y, c o ns i de r i n g t h e e f f e c t s of l o c a l b uc kl i n g o f t he s qu a r e t hi n wa l l e d s t e e l t u be a n d t he m u l t i a x i a l s t r e ng t h c r i t e r i o n f or l i gh t we i ght a gg r e g a t e c on c r e t e, t he c a l c ul a t i o n f o r m ul a e o f ul
6、 t i ma t e be a r i ng c a p a c i t y o f s h or t c o l umn o f l i gh t we i g ht a g gr e g a t e c on c r e t e f i l l e d s q ua r e t hi n wal l e d s t e e l t ub e we r e de du c e d,m e a nwhi l e 。t he i nf l ue n c e s o f t e ns i o n c o m p r e s s i o n s t r e ng t h r a t i o,m a
7、 t e r i a l s t r e ng t h pa r a me t e r, wi dt h t h i c kne s s r a t i o,a s we l l a s c o nc r e t e s t r e ngt h o n t he ul t i m a t e be a r i ng c a pa c i t y we r e a n a l y z e d Re s u i t s s h ow t h a t t he c a l c ul a t e d r e s ul t s o bt a i ne d i n t h e p a p e r a g
8、r e e we l l wi t h t e s t r e s ul t s f r o m t h e r e f e r e n c e s , a nd i t c a n v e r i f y t he r a t i o na l i t y o f t he f o r m ul a e I t c a n pr o v i de t he t he o r e t i c a l b a s i s f o r c a l c uI a t i ng t he b e a r i ng c a pa c i t y o f s ho r t c ol u m n o f l
9、 i g ht we i ght a g g r e g a t e c o nc r e t e f i l l e d s q u a r e t hi n wa 1 1 e d s t e e l t u be,a nd t hi s s ol ut i on h a s a n i m p o r t a nt pr a c t i c a l v a l ue f o r e ng i ne e r i ng a ppl i c a t i o n s Ke y wo r d s :s t r u c t u r e e n gi ne e r i n g;un i f i e d
10、s t r e ng t h t he o r y;s q ua r e t hi n wa l l e d s t e e l t ub e:l i g ht we i g ht a g gr e ga t e c on c r e t e;ul t i m a t e b e a r i ng c a pa c i t y 引 言 冷弯薄壁型钢是一种轻型材料, 由于其具备卓 越的结构性能及延性 , 被广泛用 于别墅 、 农村 建筑、 活动房 、 商业建筑、 体育场( 馆) 和工业厂房等轻型结 构 中 , 通 常为 1 层 或 2层 , 但 空心 薄壁钢 管柱 在 受 压时易发生局部屈 曲而
11、失稳 。轻骨料混凝土具有 自 重轻 、 保温 、 隔热、 抗火性能好等优点 , 被广泛应用于 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 4 2 3 基金项 目: 教育部高等学校博士学科点专项科研基金项 日( 2 0 0 4 0 7 1 0 0 0 1 ) ; 陕西省 自然科学基础研究计划项 目( S J 0 8 E 0 4 ) 作者简介 : 肖海兵( 1 9 8 4 一 ) , 男 , 湖南益 阳人, 长安 大学工学硕士研究生 , Ema i l : ma i l o n g wa n 1 6 3 c O r r l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 建筑科 学
12、 与工程 学报 2 0 1 0正 工业与民用建筑、 桥梁结构和海洋工程中 , 但轻骨 料混凝 土强度 低 、 塑性 和 韧 性差 、 变 形 较 大 , 施 工 工 期长 , 如果在 薄壁钢 管 中浇灌轻 骨料混 凝土 , 组 成 薄 壁钢管轻 骨料混 凝 土构 件 , 使 2种 材料 在 受力 过程 中相互作 用 , 不 仅可 以弥补 2种材料 各 自的缺点 , 还 能充分发 挥二 者 的优 势 。与 普通 钢 管 混凝 土 相 比 , 薄壁钢管轻骨料混凝土可 以大幅度降低结构 自重, 使建 筑物最 大 限度 保 持 “ 轻 质 ” 的优 越性 , 从 而 具 有 较好 的抗震 性能 。此外
13、 , 在多 低层建 筑 中 , 由于结 构 构件承载力要求相对较低, 对于普通钢管混凝土而 言, 其经济效果不是很理想 3 。 , 而薄壁钢管轻骨料 混凝 土结构 在 多 低 层 建 筑 中可 以充 分 发 挥 它 的优 势 , 具有 较好 的经 济 效 益 。 目前 各 国对 薄 壁 钢 管轻 骨 料 混 凝 土 的 研 究 较 少 , 基 本 上 以 试 验 研 究 为 主_ l , 缺乏 深入 、 系统 的理 论分析 。为了进一 步研 究 薄壁钢 管轻骨 料混 凝 土 的力 学 性 能 , 使 该 结 构 体 系快速地在 工程 中得 以应 用 , 本 文 中采 用双 剪 统 一 强度 理
14、论 , 综合考 虑 薄壁 钢 管 的 薄壁 效应 以及 轻 骨 料混 凝土与 普通混 凝 土 多轴 强 度 准则 差 异 的影 响 , 对方形薄壁钢管轻骨料混凝土轴压短柱的力学性能 进行研 究 。 1 统一强度理论 俞茂宏在双剪强度理论的基础上 , 建立了一种 全新 的考 虑主应 力 影 响 的适 用 于各 种 不 同材 料 的双 剪统一 强度理 论 , 其数 学表 达式 为口 F 一 盯 l 一 ( 6 d z + ) 一 盯 2 l 上 l c, 上 l l F 一 ( + 幻 2 ) 一 d 口 。 一 。 旦 l ( 1 ) 1 I u 1 I a一 , 6 = = = : 5 ,B一
15、 f a 一 ,D _ , 一 一 l c 口 s rs l r s I 式 中 : F、 F 为主应力 强度理 论 函数 、 。 、 。为 3 个 主应力 ; a 为 材料 的拉压 比 为 材料 拉 伸屈 服 极 限 应力 为 材 料 的压 缩 屈 服 极 限应 力 ; 为 材 料 剪 切屈服 极 限应力 ; b为 反 映 中间 主剪 应 力 以及 相 应 面上 的正应 力 对 材 料 破 坏 影 响 程 度 的 材 料 强 度 参 数 ; B 为剪应力 系数 。 2 极 限承载 力计算 2 I 考虑 冷弯效 应的钢 板 强度提 高值 对于冷弯薄壁钢管而言, 钢管经冷加工成型, 由 于冷作用
16、 硬化 的影响 , 屈服强 度有 所提高 , 其提 高 的 幅度 与钢 管的材 质 、 截 面 形状 、 尺 寸 及成 型工 艺 、 加 工方 式等 因素有关 , 因此 , 考虑 冷弯效 应 的钢板强 度 提高值 可按式( 2 ) 进行计算l_ 1 , 即 一 E l + , ( 2 ) 式 中 : 呀 为 成 型 方 式 系数 , 对 于 冷 弯 高 频 焊 ( 圆 变 ) 方 、 矩形 钢管 , 取 刁 一 1 7 , 对 于 圆钢 管和 其 他开 I: 1 型 钢 , 取 7 7 1 o ; 为 钢材 抗拉 强度 与屈 服 强度 的 比 值 , 对于 Q2 3 5钢, 取 v =1 5
17、8 , 对于 1 6 Mn钢, 取 I 4 8 ; t 为 型钢 的壁厚 ; Z 为 型 钢截 面 中心 线 的长 度 , 可取作 型钢 截 面 面 积 与壁 厚 的 比值 ; 为 型钢 截 面 所含棱 角数 ; 为 型钢 截 面第 i个 棱 角 所对 应 的圆 周角 ; 为钢管 的屈 服强度 。 2 2 方形 薄壁钢 管 的承载 力 薄壁钢管混凝土是相对壁较厚的普通钢管混凝 土 而言 的 , 其 主要 差别 在 于 薄壁 钢 管 混凝 土 需要 考 虑 薄壁钢 管 的局 部屈 曲对 构件力 学性 能的影 响 。要 判断 薄壁 钢管发 生 局部 屈 曲的 临界 条 件 , 通 常采 用 临界
18、径厚 比( 圆钢管 ) 或 宽 厚 比 ( 方钢 管 ) 来 判 断 , 但 由于 受残余 应力 、 初 始 缺 陷和 混凝 土 离 散 等 因素 的 影响 , 该 比值 很难 通过试 验直 接加 以确定 , 一般 只能 得出一个大致范 围。另外 , 对薄壁钢管混凝上构件 的钢管 屈 曲时的 临界径 ( 宽 ) 厚 比尚没有一 种较好 的 计 算方 法来求 解 , 因此 , 各 国研究 者对 薄壁钢 管进行 计算 时需 考虑 局部 屈 曲时 的临 界径 ( 宽 ) 厚 比差 异 , 如文 献 1 8 2 0 中计 算 的钢管 混凝土 轴压下 宽厚 比限值分别 为 9 0 、 6 4 、 8 6
19、 3 。当钢 管 的径 ( 宽 ) 厚 比 超过 其界 限时 , 则 需 要考 虑 钢 管 局部 屈 曲对钢 管 与 核 L2 , 混 凝土组 合作 用 的影 响 。 由于 薄壁 钢 管混 凝 土构 件 还处 于研 发 阶段 , 目 前 中国规 范对 薄壁 钢管混 凝土 构件抗 压强度 的计算 尚没有做 出规定 , 同时 现 有 的计 算 方 法种 类 繁 多且 复杂 。因此 , 本文中采用一种全新的计算方法 , 不考 虑薄 壁钢管 局部 屈 曲对 构 件 力学 性 能 的影 响 , 直 接 采用 双剪统 一强度 理论 进行计 算 。 考 虑到 方形薄 壁钢 管轻骨 料混凝 土 内部 约束机
20、理的复杂性, 参考文献 2 1 的方法, 将方形薄壁钢管 等 效为 圆形 薄壁钢 管 的 受力 情 况 进行 分 析 , 则 等效 圆钢管处 于轴压 、 环拉 和径 向受压 的三 向应力状 态 。 将方钢管混凝土的钢与混凝土面积按等面积方法分 别 转化 为等 效 圆钢 管 混 凝 土 的钢 与 混凝 土 面 积 , 其 计 算公 式为 2 2 D 2 t 2 ( 一 )。 一 丌 r f r 一 0 56 4 2D 、 r = = = 0 5 6 4 2 ( D一2 t )L ( 4 ) 。 一 一 f 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 肖海兵, 等 :
21、 方形薄壁钢管轻骨料混凝土短柱的承载力 8 5 式 中 : D 为 方 钢管 的外 边 长 ; r 、 t 。分 别 为 等效 圆 钢管 的外半 径 、 内半 径 和壁 厚 。 由于等效薄壁圆钢管为薄壁 圆筒 , 按文献 2 2 , 应 用统 一强 度 理论 对 薄 壁 圆 筒 进 行 分 析 , 得 到 等 效 圆钢管 的 内压 力统一 极 限荷 载 P为 p一 兰 ! r 4( 1+ 6 ) r i 一 2 a 6 r + 4 t () 、 由文献 2 3 可 知 , 方 形 薄 壁 钢 管 在 轴 压 下 的 极 限承 载力 , 为 Nl 一 E 4 ( 1 +6 ) r 7 c +4
22、a b r i t 。 丁 ( P 4 ( 1 +6 ) r t 。 7 【 -厂 v ( 2 a ) ( 6 ) 2 3核 心轻 骨料 混凝 土 的承 载 力 近年 来 , 中 国许 多科 研 院校 对 轻 骨 料 混凝 土 的 多轴 强度 特性 和 变形 规 律 进 行 了大 量 的试 验 研 究 , 并 根 据试 验 结 果 建 立 了相 应 的本 构 关 系 和破 坏 准 则 。同时 , 由文献 2 可知 , 轻骨料混凝土在三 向应 力 作用 下应 力一 应 变 曲线有 明 显 的应 力平 台 区 , 并 且 在 应力 平 台区轻 骨料 混 凝土 的 内部结 构 已遭 到大 范 围破坏
23、 , 因此 , 在 实 际 应 用 中 , 把 应 力 平 台 区流 塑 段 作 为 多轴压 状 态下轻 骨 料混 凝土 的极 限强度 , 这样 , 轻 骨料 混凝 土 的拉 、 压子 午线 相 交 , 极 限强 度 面为 一 闭合 的空 间曲 面 , 并 且 该 空 间 曲面 与 静 水 应 力 轴 相 交 于两 点 , 即三 轴等 压 极 限强 度 点 和 三 轴 等 拉 极 限 强 度点 , 这与一般认 为 的普 通混凝 土极 限强 度面 为一 开 口空间 曲面 的结 论 是截 然 不 同 的 , 因此 , 根据 普 通 混凝 土建立 的强度准则 已不再适用 于轻骨 料混凝 土 。 由以
24、上 结 论 可 知 , 钢 管 约束 下 普 通 混 凝 土 的强 度计 算公 式 并不 能很 好地 适应 于 核心 轻骨 料混 凝 土 的强 度 计 算 。因 此 , 针 对 轻 骨 料 混 凝 土 , 采 用 文献 2 4 中从 统 一强 度理 论推 导 出的混 凝 土三 向应 力状 态 下 的轴 向抗压 强度 计算 公式 , 即 一 + 是 l _ ( 7 ) k 一 ( 1 十s i n ) ( 一s i n ) I 式 中 : 为混凝 土 的 内摩擦 角 ; k的取 值在 1 0 7 0 之 间 , 具体 由试 验 确 定 ; 为 混 凝 土 三 向 应 力 状 态 下的轴向抗压强度
25、 ; 厂 为混凝土圆柱体的单轴抗压 强度 为 混凝 土受 到 的侧 向约束 应 力 。 研究 表 明 , 方 钢 管 对 内部 混 凝 土 的 约束 可分 为 有效 约束 区 和非有 效 约 束 区 , 考 虑 到其 混 凝 土 的约 束计 算 比较 复杂 , 本 文 中 将 方形 薄壁 钢管 轻 骨 料 混 凝 土 的受 力情 况等 效 为 圆形 薄 壁钢 管轻 骨料 混凝 土 的受 力情 况进 行分 析 , 为 弥 补转 化 后 圆钢 管 对 核 心 混凝 土 的 约 束 效 应 , 引 入 混 凝 土 强 度 折 减 系 数 2 ) , , y u 一1 6 7 D2 “ 。 , 其 中
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