中空夹层钢管混凝土柱极限承载力研究

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1、第2卷第9期688中国科技论文在线SCIENCEPAPERONLINE2007年9月中空夹层钢管混凝土柱极限承载力研究赵均海，魏锦（长安大学建筑工程学院，西安710061）摘要：基于双剪统一强度理论，充分考虑了中间主应力，推导出圆中空夹层钢管混凝土轴心受压构件的承载力的计算式，并推广到内圆外方中空夹层钢管混凝土，得到了统一的承载力计算式，将计算结果与文献资料的试验数据进行对比，结果吻合良好，验证了统一强度理论对中空夹层钢管混凝土柱的理论计算的适用性，为其优化设计提供了可靠的理论依据。关键词：结构工程；紧箍力；极限解

2、；统一强度理论；中空夹层钢管混凝土中图分类号：TU398.9文献标识码：A文章编号：1673－7180(2007)09－0688－50引言1统一强度理论中空夹层钢管混凝土是一种在普通钢管混凝土1991年俞茂宏在双剪强度理论的基础上，建立的基础上发展起来的新型复式钢管混凝土，它是将了一种全新的考虑σ影响的适用于各种不同材料2两个钢管同心放置，并在钢管的夹层之间灌注混凝的双剪统一强度理论，它具有统一的数学模型，简土而形成的构件，其主要的截面形式如图1所示。单统一的数学表达式，能十分灵活地适用于各种不[6,7]由于中空夹

3、层钢管混凝土不仅具有普通钢管混凝土同特性的材料，其数学表达式为的优点，还具有截面开展、抗弯刚度大和防火性能ασ+ασFb=－σ()σσσ+=，13(1a)123sσ2≤好等特点，在沿海建筑、高速公路和高桥桥墩等方1+b1+α[1,2]面有很大的发展前景。近十年来，美国、日本、1σ+ασFb′=()σ+−=σασσ，13123sσ2≥澳大利亚和我国的学者对其已经进行了一系列的研1+b1+α[3~5]究工作。本文将依据统一强度理论来研究它的轴(1b)心受力问题，充分考虑了紧箍力（即中间主应力）σ(1+α)τσ−(1+−

4、α)Bσssssα=，b==，B=对钢管和核心混凝土的双向影响，推导出圆中空夹σστ−−B1τcsss层钢管混凝土轴心受压构件的承载力计算公式，并式中：α为材料的拉压比，b为一个在统一强进一步推广到内圆外方中空夹层钢管混凝土柱。度理论中反映中间主切应力以及相应面上正应力对材料破坏影响程度的系数，B为切应力系数，σs为材料的拉伸屈服极限，τs为材料的剪切屈服极限，σc为材料的压缩屈服极限。2圆中空夹层钢管混凝土柱的承载力(a)内圆外圆中空夹层(b)内圆外方中空夹层2.1圆中空夹层钢管混凝土柱的钢管和混凝土之间图1中空

5、夹层钢管混凝土构件的截面形式的相互作用基金项目：教育部博士点基金(20040710001)；陕西省自然科学基金资助项目(2005E204)作者简介：赵均海（1960－），男，博士，教授。E-mail：zhaojh@chd.edu.cn第2卷第9期2007年9月中国科技论文在线SCIENCEPAPERONLINE689核心混凝土受到外钢管和内钢管的双重约束，2.2.1钢管的承载力由于它们之间的相互作用，使核心混凝土处于三向圆中空夹层钢管混凝土的外钢管与普通钢管混受压状态，从而使其工作性能进一步复杂化。由于凝土的钢管的

6、工作机理和受力情况基本相同，可将钢材和混凝土的泊松比不同，核心混凝土和内、外其视为承受压缩－内压的薄壁长圆筒来分析：钢管之间的约束有不同的特点。钢材在弹性工作阶RP1σθ=，σr=−P1(2)段时的泊松比很小，取其平均值0.283，达到塑性阶t1段时为0.5。而混凝土的泊松比在低应力水平时为0.167，随着应力的增大而增大，当泊松比超过0.5σr,σθ分别为径向和环向应力。对于长圆筒，时，核心混凝土向外扩张的变形将大于外钢管的直可以认为筒处于平面应变状态，即轴向应变ε=0，z径扩张变形，由于变形协调而产生外钢管与核

7、心混基于文献[7]对平面应变问题的研究，有凝土之间的相互作用力P1，即紧箍力。而混凝土和Tm内钢管在加荷初期即产生相互作用力P2，延缓了内σ=−+()σσ+，其中21ν≤≤m，因为zrθ[8]22πRt1钢管的屈曲。钢管与混凝土之间的紧箍力P1、P2钢材在塑性阶段的泊松比ν=05.，故取m=1。有：不仅对核心混凝土有约束作用，使得核心混凝土的RPP承载力得到大幅度的提高，而且对钢管有环向张拉σσ=−+−11(3)zs22t作用，使钢管从初期的主要为纵向受压发展为后期1的主要为环向受拉，从而使钢材抗压强度有所降低。若

8、σ12≥≥σσ3，则：2.2圆中空夹层钢管混凝土柱的承载力计算式的推导RP1σσ==0设外钢管的内径为R，壁厚为t，内钢管的内σ1=σθ=，2r，1t1径为r，壁厚为t。对于绝大多数工程实际以及试2验研究中的圆中空夹层钢管混凝土柱，其尺寸均满RP11Pσσσ==−+−(4)3zs足径厚比Dt/2≥0，可将其视为薄壁圆筒进行分析22t1计算，材料为理想塑性不可