浅谈矩形钢管混凝土压弯构件的设计方法

1、浅谈矩形钢管混凝土压弯构件的设计方法    【关键词】矩形钢管混凝土；技术规程；承载力    【中图分类号】 TU398+.9                     【文献标识码】 A            

2、        【文章编号】 1008-1151(2006)08-0016-02      钢管混凝土是在钢管中填充混凝土而成的一种新型组合结构，有圆钢管混凝土、矩形钢管混凝土、多边形钢管混凝土等。目前国外有关钢管混凝土柱的设计规程或规范主要有欧洲EC4(1996)，德国DIN18800(1997)，美国ACI319-89、SSLC(1979)和LRFD(1994)及日本AIJ(1997)等，其规范或规程中大都同时包括圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱构件承载力设计计算方面的条文。

3、在我国，圆钢管混凝土的研究相对较早，矩形钢管混凝土的研究相对落后。矩形钢管对其核心混凝土的约束效果虽然不如圆钢管显著，但仍可以有效地提高构件的延性，而且与梁连接节点的构造处理也较容易，因此也逐渐引起了人们的重视。2004年，我国工程建设标准协会颁布了第一个矩形钢管混凝土结构技术规程（CECS159：2004），以下简称规程。矩形钢管混凝土构件主要被用作框架柱、拱和桁架的受压弦杆等轴压构件或压弯构件。但实际结构中单纯的轴心受压构件是很少的，大量存在的是偏心受力构件，研究矩形钢管混凝土压弯构件的计算理论和设计方法就具有现实意义。一、美国LRFD(1994)规程美国LRFD规程，为美国钢结构协会所制

4、定，在计算矩形钢管混凝土轴压构件的强度承载力时，将混凝土的强度折算到钢材中得到钢材的名义抗压强度，再计算矩形钢管混凝土构件的轴压承载力，即 Ncr=AsFcr                                     

5、;      （1）                                             

6、                                  （2）           两式中：    fc为混凝土圆柱体抗压强度；

7、L为构件的计算长度；Es为钢材的弹性模量；is为钢管截面惯性半径。LRFD规程采用两段直线形式的相关方程计算压弯构件的承载力，即                                       &#

8、160;                             （3）        式中：Mu=Zfy 是纯弯构件的承载力，这里忽略了混凝土的贡献，仅考虑钢管的作用；Z为钢管截面塑性抵抗矩；Ncr为轴压承载力，由式（1）确定。二、日本AIJ(1997)规程

9、日本AIJ(1997)规程采用叠加钢材和混凝土二者承载力的方法，计算时按不同长细比将柱分为长柱和短柱。短柱的强度承载力为：进行长柱承载力计算时，也采用了叠加法进行，初偏心取截面边长的5%，钢管截面则按换算长细比分别计算出各自的承载力后进行叠加，从而得到轴压长柱的稳定承载力。该规程在进行压弯构件的截面强度计算时也采用简单叠加的方法，即忽略了钢管和混凝土之间的相互作用及约束效应；在计算欧拉屈曲荷载时采用折减的混凝土刚度。  三、我国矩形钢管混凝土结构技术规程（CECS159：2004）      规程将压弯构件划分为长柱和短柱，对短柱压弯

10、构件，主要考虑强度承载力，而长柱压弯构件不仅要验算强度，还要计算稳定承载力。短柱的强度承载力计算公式根据极限理论分析得到。假定矩形钢管混凝土压弯构件在破坏时，钢管没有局部屈曲，钢管达到屈服点，受压区混凝土达到极限强度，受拉区混凝土退出工作(图1)。   图1  钢管混凝土压弯极限状态应力分布图由极限理论可以推导出钢管混凝土压弯构件的N-M相关公式。该式为二次函数，曲线呈抛物线型(图2)。为便于设计，规程将其简化为两段式折线型，得到实用N-M相关公式。即钢管混凝土压弯构件的强度承载力应满足下式:     &

11、#160;       同时满足：M/Mu1      式中：N、M分别矩形钢管混凝土构件所受轴向压力设计值和弯矩设计值；Mu为矩形钢管混凝土构件截面轴心受压承载力设计值，采用了直接叠加钢管和内填混凝土强度承载力的设计方法，按下式计算：                     &

12、#160;  Mu=Asfy+Acfc       参数ac为混凝土工作承担系数，按下式计算：                  fy，fc为钢材和混凝土的强度设计值；As、Ac分别为钢材和内填混凝土的面积。   图2  钢管混凝土压弯构件N-M相关曲线长柱的稳定承载力计算包括平面内失稳和平面外失稳两种情况。矩形钢管混凝土压弯构

13、件平面内稳定性分析按最大强度理论进行；平面外的稳定性计算的相关公式则以屈曲理论为依据推导。弯矩作用在一个主平面内(绕x轴)的矩形钢管混凝土压弯构件应按下列公式计算弯矩作用平面内的稳定性:                         同时满足：                            并按下式计算弯矩作用平面外的稳定性: