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方钢管混凝土轴压柱承载力分析摘要：针对方钢管混凝土柱的受力特点，引入了混凝土强度折减系数和等效约束折减系数，实现了方钢管混凝土柱向圆钢管混凝土柱的等效。
利用薄壁圆筒的双剪统一强度解推导了方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力计算公式。
在此基础上，引入了轴压稳定系数，建立了方钢管混凝土轴压长柱的极限承载力计算公式。
利用建立的公式与文献数据进行了计算对比，结果表明：所得公式计算的轴压承载力与文献的试验结果吻合较好，对钢管混凝土的研究有一定的理论价值。
关键词：方钢管混凝土极限承载力薄壁圆筒双剪统一强度理论1、引言随着我国高铁建设的飞速发展，对站房的要求越来越高，站房高度和跨度的不断增加使得梁、柱所承受的荷载越来越大。
承重柱作为建筑物最为重要的受力构件，是建筑物抵抗外力的关键，特别是在地震作用下，柱子不仅需要有足够的强度，而且须有很好的延性。
钢管混凝土柱以其承载能力高、延性好，抗震性能优越、耐冲击、耐疲劳和施工方便等优点而在实际工程中得到广泛的应用。
方钢管混凝土柱作为钢管混凝土柱的一种形式，除具有钢管混凝土柱的优点外，还有节点形式简单、截面惯性矩大、稳定性能好、抗弯性能好的优点，具有广阔的应用前景。
因此对方钢管混凝土力学性能的研究具有重要的意义。
2、方钢管混凝土柱的受力特点钢管混凝土柱在应力水平较高时，内部混凝土的纵向微裂缝将会得到发展，其泊松比将超过0.5，随着纵向微裂缝的发展，混凝土的泊松比将会超过外钢管的泊松比，此时，钢管会对混凝土产生围压。
方钢管对内部混凝土的约束很不均匀，文献[1]中指出：方钢管对核心混凝土的约束力主要集中在4个角部，而且约束力很不均匀，4个角部的混凝土受到的约束强，边部中间管壁处的混凝土受到的约束较弱。
在大量的试验研究的基础上，我们得出结论：当方钢管达到钢材的极限强度时，角部钢管发生塑性变形，边部中间管壁发生局部失稳，混凝土被压碎。
由于方钢管对内部混凝土的约束的不均匀性，所以如何计算外钢管和核心混凝土之间的相互约束“效应”成为计算方钢管混凝土强度及承载力的重中之重。
文章编号:1004-9762(2007)003-0253-04钢管混凝土柱承载能力的全过程分析Ξ闻 洋,李 斌,王晨飞(内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头 014010)关键词:钢管混凝土柱;承载能力;试验研究中图分类号:T U312 文献标识码:A摘 要:经过对26根钢管混凝土柱的试验研究和计算分析,研究了该种构件承载力的组成及其增长的原因和对应的阶段,同时也分析各阶段对构件承载能力的贡献;给出了钢管混凝土柱各工作阶段的承载力计算公式,可用于指导工程设计1A nalysis on the f ull 2pr ocess of bear ing capacity of theconcrete filled steel tube columns with axial compressionWEN Y ang ,LI Bin ,W ANG Chen 2fei(A rchitecture and Civil Eng ineerin g S cho ol ,Inner M on golia Univers ity of Science and T echn ology ,Baotou 014010,Ch ina)K ey w or ds :concrete filled s teel tubecolu mn;bearing capability ;experimen t researchAbstract :By ex perimental research of tw enty 2s ix concrete 2filled s teel tubes w ith seven kinds of lon g diameter ratio ,the in fluencing factors and increased reas ons of th e bearing capacity o f concrete filled s teel tubular columms w ere obtained.T he contribu ti on o f each stage to the bearin g capacity was analy zed.Th e lim it bearing capacityformula of the concrete 2filled steel tube subjected t o axial com press ion w as presen ted ,w hich may gu ide the practice. 钢管混凝土结构因其材料抗压强度高、抗震性能突出、施工方便、外形美观大方和造价经济等优点,在结构工程中得到广泛的应用1我国已经制定了有关圆钢管混凝土的结构设计规程(或规范)1然而,由于相关规程(或规范)所采用的理论各不相同,因此,制定出的规程[1～3]也不尽相同1文献[1]中轴压柱截面承载力为:N 0=φl φe A c f c (1+ξ+ξ),(1)式中,ξ=A s f y /A c f c ,φl ,φe 分别为长细比和偏心率对承载力的折减系数1计算时考虑了混凝土的约束效应1文献[2]中轴心受压杆件承载力设计值为:N =φ(A s f y +k 1A c f c ),(2)式中,φ为钢管混凝土轴压杆件稳定系数;k 1为核心混凝土轴心抗压强度提高系数,考虑了混凝土的约束效应1文献[3]中,组合材料的设计强度为:N =φf sc A sc ,(3)式中,φ为钢管混凝土轴心受压稳定系数,考虑了混凝土的约束效应1文献[1]和[3]中采用的是等效混凝土截面,文献[2]中采用组合截面,3个计算公式都考虑了钢管对混凝土的约束效应1本文通过对26根钢管混凝土柱的试验研究及2007年9月第26卷第3期内蒙古科技大学学报Journal o f Inner M on golia Univers ity of Science and T echn ology September ,2007Vol.26,No.3Ξ收稿日期65作者简介闻 洋(6),男,辽宁海城人,内蒙古科技大学讲师,硕士1:2007-0-0:197-理论分析,提出钢管混凝土柱分别在工作阶段和抗震阶段的承载力计算公式11 计算公式的提出根据以往的试验研究[4],钢管混凝土短柱的荷载应变曲线形式如图1所示1图1 荷载应变关系图Fig.1 L o a d 2stra in r ela tion从图1中可以看出,曲线可以分为oa ,ab ′和b ′b 3段,在a 点以前,荷载各与纵横向应变基本按比例增加1另外,由于曲线oab ′b 与碳素结构钢的荷载应变曲线类似,因而,将轴心受压钢管混凝土柱当成理想弹塑性体也是可行的1因此,将钢管混凝土的承载力阶段分为2段1 第一阶段:工作阶段1轴心受压承载力公式为:N 0=N s +N c =f y A s +f ck A c 1(4)泊松比:μc =μ′c ,μs =μ′s 1第二阶段:抗震阶段1极限承载力公式为:N u =N s +ηN c =A s f y +kA c f ck 1(5)泊松比:μc =μ′c +μ″c ,μs =μ′s +μ″s 1式中,N 0表示工作阶段轴压承载力;N u 表示抗震阶段极限承载力;N s 表示钢管承担的荷载;N c 表示混凝土承担的荷载;k 表示弹塑性阶段混凝土的承载力提高系数;μc 代表混凝土的泊松比;μs 代表钢管的泊松比;μ′c 和μ′s 分别表示钢管和混凝土未产生相互作用时的混凝土和钢管的泊松比,μ′c =01167,μ′s =01283;μ″c 和μ″s 分别表示钢管与混凝土相互作用时混凝土和钢管的泊松比的增加值1在工作阶段,钢管和混凝土分别按照各自的刚度承担荷载1在抗震阶段,由于钢管和混凝土之间的相互作用力而使核心混凝土的承力提高12 钢管混凝土短柱的承载力分析通过4组12个试件的试验,研究钢管混凝土短柱的承载力组成及其增长的原因,同时分析了各阶段对构件承载能力的贡献1试件的基本参数列于表1中1表1 钢管混凝土试件参数T a ble 1 Par ameter s of concr ete filled steel tubular columns试件编号D ×t ×L/mm f ck /MPa f y /MPa f u /MPa 含钢率α套箍系数ξL/D G ZS J 21164×318×52030153424220109311116312G ZS J 22164×318×52030153424220109311116312G ZS J 23164×318×52030153424220109311116312G ZS J 24159×418×52030153664930112111559313G ZS J 25159×418×52030153664930112111559313G ZS J 26159×418×52030153664930112111559313G ZS J 27159×512×52030153795280113111763313G ZS J 28159×512×52030153795280113111763313G ZS J 29159×512×52030153795280113111763313G ZS J 210159×613×52030153604890115121119313G ZS J 211159×613×52030153604890115121119313G ZS 25×613×5315368151313 注D ,,L 分别代表钢管的外直径、厚度和长度;f 为混凝土强度标准值;f y 为钢管的屈服强度;f 为钢管极限强度1452内蒙古科技大学学报2007年9月 第26卷第3期J 12192000490112119:t ck u 钢管混凝土工作阶段及抗震阶段短柱的实测数据及计算值汇总于表2中1经计算,表2中工作阶段实测承载力超过理论承载力值,说明理论计算结果较为安全,符合规范的设计思想,因此工作阶段计算公式的提出是比较合理的1表2 钢管混凝土短柱的实测数据表T a b le2 The a ctu a l mea surement da te of concr ete filled s teel tube shor t columns构件编号工作阶段实测承载力/kN工作阶段理论承载力/k N钢管极限承载力/k N混凝土承载力/k N抗震阶段实测承载力/kN混凝土承载力提高系数试验值kG Z S J21 G Z S J22 G Z S J231240128012501239653174585166170017101700118G Z S J24 G Z S J25 G Z S J26138013501350135085016534141200020502020212G Z S J27 G Z S J28 G Z S J291500145014601450159511752817225021702310213G Z S J210 G Z S J211 G Z S J212156015801560154016108712513116249024302420215 从表2可以看出,随着含钢率的增加,钢管混凝土的承载力也在随着增大,k值也随着含钢率的增大而不断的增加,但不会无限制的增加,其限值可参考文献[5]1加载过程中在工作阶段核心混凝土基本与钢管各分担一半的承载力,在抗震阶段钢材已经屈服,承载力不再增加,主要依靠核心混凝土强度的提高部分来承担荷载13 钢管混凝土中长柱的承载力分析为了了解长细比较大的钢管混凝土轴心受压柱的力学性能和承载力,进行了5组共14个钢管混凝土中长柱试件的试验研究1本试验所用的试件,核心混凝土的强度不变,钢管的壁厚不变,只有试件的长度在变化1试件的基本参数列于表3中1表3 钢管混凝土试件参数T a ble3 Par ameter s of concr ete filled steel tubular columns试件编号D×t×L/mm f ck/MPa f y/MPa f u/MPa含钢率α长细比λS J123 S J426 S J729 S J10212 S J13214219×7×990219×7×1200219×7×1420219×7×1640219×7×19804115272451011241822263036 根据文献[6],长细比8～36范围内的长柱较短柱的塑性变形有所减小,纵向应变也有所减小,属于中长柱的范围1短柱的破坏是由于钢管在双向应力下屈服和核心凝土在三向受压下破坏所致1对于552闻洋等:钢管混凝土柱承载能力的全过程分析1长细比很大的长柱,其破坏是由发生侧向挠度和弯曲而破坏,破坏时的压应变尚处于弹性范围,而中长柱的破坏,它是介于材料破坏和失稳破坏之间1因此,中长柱的工作性能和前述短柱相类似,也可分为2个阶段受力1只是在抗震阶段,其塑性变形较短柱而言有所降低,从变形曲线上看塑性段较短1与短柱的分析结论相似,工作阶段的承载力公式是符合规范指导思想的1在抗震阶段,由于长细比的增大,核心混凝土的强度提高系数较短柱有所降低1因此,抗震阶段的承载力公式为:N u=Φ(N s+ηN c)=φ(A s f y+ ηA c f c)=φ(A s f y+2A c f c)1(6)根据试验数据分析(表4),λ在22～40的范围内,钢管混凝土中长柱的极限承载力或稳定承载力对长细比并不敏感,k的取值随含钢率不同而不同,稳定系数φ可取值为0185;但是由于含钢率不同,所以安全储备量不同1加载过程中在工作阶段核心混凝土基本与钢管各分担一半的承载力,在抗震阶段主要依靠混凝土强度的提高部分来承担荷载,中长柱的核心混凝土强度提高系数略小于短柱的混凝土强度提高系数1表4 钢管混凝土中长柱试件实测数据汇总表T a ble4 The a ctual mea sur ement da te o f concrete f i lle d steel tube modera te long columns试件编号工作阶段实测承载力/kN工作阶段理论承载力/k N钢管承载力/kN混凝土承载力/kN抗震阶段实测承载力/kN核心混凝土承载力提高系数试验值kS J21 S J22 S J23 S J24 S J25 S J26 S J27 S J28 S J29 S J210 S J211 S J212 S J213 S J2142660258026122620258325672568260425802550252026382518252226361512681369113300335034503350327033803230342032503200325033503160321011971194119111881184 结论将钢管混凝土柱的计算分为2个阶段,便于理解和应用,在正常的受力情况下,使用工作阶段的公式计算便可满足1当有地震力作用时,钢管和混凝土相互作用的发挥使其有足够的安全储备来抵御地震的能量1因此计算比较简洁,从试验数据与理论计算对比来看,也合乎规范的安全储备要求,可以在实际工程设计中推广应用1参考文献:[] G S—中国工程建设标准化协会标准,钢管混凝土的结构设计与施工规程[S]1[2] JC J—国家建筑材料工业局标准,钢管混凝土结构设计与施工规程[S]1[3] D L/T—中国电力行业标准,钢管混凝土组合结构设计规程[S]1[4] 钟善桐,苗若愚1钢管混凝土轴心受压构件承载力计算的研究[J]1建筑结构学报,1984,(6):172221[5] 闻 洋1钢管混凝土轴心受压构件推荐公式研究[D]1包头:包头钢铁学院,20031[6] 蔡绍怀,顾万黎1钢管混凝土长柱的性能和强度计算[]1建筑结构学报,85,()2331652内蒙古科技大学学报2007年9月 第26卷第3期1ECJ191:27。
关于钢管混凝土结构承载力的分析与探讨摘要：随着我国经济和建设事业的迅猛发展，近年来，钢管混凝土以其独特的优势在各项建设事业中得到了较为广泛的应用，并且也是发展前景极为广阔的一种结构形式。
为了更安全合理地推广应用钢管混凝土结构，本文主要对不同截面形式钢管混凝土结构的承载力进行了分析。
关键词：不同截面；钢管混凝土结构；承载力1.钢管混凝土结构概述钢管混凝土结构是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的组合结构，通常用于轴心受压或偏心受压的柱，且一般都不再配筋，只有在极少数的情况下，例如柱子承受很大的压力，或压力小而弯矩大时，则在管内配置纵向钢筋和箍筋。
钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构以及钢结构的基础上演变和发展起来的一种新型结构。
在性能方面，它利用钢管和混凝土材料在受力过程中的相互制约，不仅弥补了两种材料各自的缺点，而且能充分发挥二者的优点，使整个结构具有良好的受力性能。
由于钢管的存在，使核心混凝土处于三向受力的复杂应力状态，不仅使混凝土的强度提高，而且使原本脆性的混凝土由于受钢管的约束成为具有一定塑性性能的材料。
所以在钢管混凝土结构中，承载力是很重要的性质。
对于不同截面的钢管混凝土结构，其截面形式的受力特点及承载力是不同的，所以，下面就几种不同截面钢管混凝土结构的承载力进行分析。
2.不同截面形式钢管混凝土结构的承载力分析2.1常用截面形式2.1.1圆形截面圆形钢管混凝土是目前研究最为充分的截面形式且在工程中应用也最为广泛。
对于圆形钢管混凝土柱，混凝土受到钢管对其均匀约束作用。
圆形钢管混凝土承载力及变形能力均优于其他截面形式钢管混凝土构件。
由于圆形钢管对于混凝土约束效果比较好，所以圆形钢管混凝土构件主要用于轴压及小偏心受压构件。
对于大偏心受压构件来说，由于受拉侧钢管不能对混凝土约束，因此混凝土三向受压性能不能得到发挥。
2.1.2方形截面方形钢管混凝土构件在结构中应用也很广泛，但是方形钢管对于混凝土的约束不如圆形钢管的约束效果好，方形钢管混凝土的承载力明显低于圆形钢管混凝土。
钢管混凝土柱节点承载力有限元分析摘要：以某钢管桁架与钢管混凝土柱的连接节点为研究对象，采用有限元软件ABAQUS，分析节点在复杂受力状态下的承载能力，通过分析有限元计算结果，节点满足设计要求。
关键词：有限元分析，节点承载力，ABAQUS，塑性损伤模型引言作为构件连接与传力的重要部分，钢结构节点受力分析是结构安全的重要保障。
本文以一主展馆钢管桁架与钢管混凝土柱的连接节点为研究对象，采用有限元软件ABAQUS，分析节点的承载能力，并与试验结果比较，验证节点安全性。
1.有限元模型1.1.材料本构模型钢管桁架弦杆与钢管混凝土柱外壁为Q345钢材，采用四折线理想弹塑性本构模型，如图1[1]。
图1 钢管本构模型钢管混凝土柱核心混凝土标号为C40，采用塑性损伤本构模型。
此本构模型假定：在不大于4或5倍的极限单轴压应力的低围压条件下，混凝土为脆性材料，主要破坏机理表现为拉裂与压碎。
在模拟混凝土在单向、循环及动荷载作用下的不可逆损伤破坏行为等方面，塑性损伤本构模型具有较好收敛性能[1]。
混凝土単轴应力应变关系见式（1）、（2）[2]：受压时：（1）受拉时：（2）其中，、或为混凝土峰值单轴压、拉应力，为对应峰值应变，为单轴全应力应变关系曲线的参数值，取值见文献[2]。
参考文献：[1]、[3]，可得压缩损伤值、拉伸损伤值与非弹性应变、开裂应变的关系，其曲线如图2。
（a）压应力-非弹性应变关系（b）损伤值-非弹性应变关系（c）拉应力-开裂应变关系（d）损伤值-开裂应变关系图2 混凝土C401.2.模型建立本文研究的节点为桁架的各杆件通过节点板与钢管混凝土柱连接，其杆件布置图如图3，GGKZ为钢管混凝土柱，有限元模型如图4。
图3 桁架杆件布置图（a）整体模型及杆件编号（b）节点板模型图4 有限元模型假定钢管柱范围内节点板完全嵌固在核心混凝土中，不考虑它们之间的滑移，其接触采用embedded region命令。
假定核心混凝土与钢管相互作用分解为法向与切向两个方向作用：法线方向为硬接触（hard contact），切向作用采用库伦摩擦模型（coulomb friction）模拟：接触面可传递法向压力，并在切向产生摩擦力，其摩擦系数取0.6[4]，当切向力大于临界摩擦力时，接触面即发生相对滑移，结合工程实际，假定滑移为小滑移（small sliding）；当接触面法向压力为零或者负值时，两接触面分离，相应节点接触被解除。
