钢管混凝土基本构件承载力的设计计算——各国规程比较(Ⅰ)

简要介绍了美国LRFD(1994)、日本AIJ(1997)、欧洲EC4(1996)和中国CECS2829(1992)、DL/T5085-1999(1999)、GJB(2001)设计规程中有关圆形截面钢管混凝土(以下简称圆钢管混凝土)、方形截面钢管混凝土(以卞简称方铜管混凝土)和矩形截面钢管混凝土(以下简称矩形钢管混凝土)基本构件计算方法的特点,并将以上所述各类方法的计算结果和搜集到的试验结果(圆钢管混凝土包括256个轴压、12个纯弯及106个压弯构件,方钢管混凝土包括184个轴压、15个纯弯及147个压弯构件,矩形钢管混凝土包括75个轴压、8个纯弯及20个压弯构件)进行了对比和分析.结果表明,上述各设计规程均能较好地计算构件的承载力,且计算结果偏于安全.其中,DL/T5085-1999和GJB(2001)的计算结果与试验结果最为吻合,CECS2829(1992)、LRFD(1994)、AIJ(1997)和EC4(1996)的计算结果整体上偏于安全.分析结果还表明,当采用我国<钢-混凝土组合结构设计规程>(DL/T5085-1999)和国家军用标准<战时军港抢修早强型组合结构技术规程>(GJB)对钢管混凝土压弯构件进行承载力设计时,构件的可靠度指标.一般均大于3.2,基本上能满足对延性破坏构件规定的可靠度指标(即β=3.2±0.25)要求.本文的研究成果可供有关钢管混凝土工程设计时参考.本期刊登该文的第一部分.     

钢管约束钢筋混凝土压弯构件滞回性能试验研究与分析

进行了4个圆钢管约束钢筋混凝土(CTRC)和4个方钢管约束钢筋混凝土(STRC)压弯构件滞回性能的试验研究,并进行了两个钢筋混凝土(RC)对比试件的试验研究。试验中的主要参数为轴压比(0.34、0.65和0.80)和混凝土强度等级(C30和C60)。试验结果表明,由于钢管对核心混凝土的有效约束,核心高强混凝土柱的承载力、延性和耗能能力得到了显著提高。随轴压比和混凝土强度的提高,CTRC压弯构件的受弯承载力提高;但轴压比和混凝土强度对试件的延性无明显影响。随轴压比和混凝土强度的提高,STRC压弯构件的受弯承载力提高,但延性下降。相同轴压比条件下,CTRC压弯构件的受弯承载力和延性明显优于STRC构件。根据试验结果,建议了钢管约束钢筋混凝土柱截面受弯承载力的计算方法。建立了钢管约束钢筋混凝土压弯构件的纤维模型数值计算方法,计算中采用随荷载的增加而不断增大钢管对核心混凝土的约束效应的方法,数值计算结果与试验结果吻合良好。     

矩形钢管混凝土构件双向压弯剪受力性能研究

建立了有限元分析模型,采用收集到的方钢管混凝土压弯剪构件试验数据对模型的适用性进行了验证。基于验证过的有限元模型,对矩形钢管混凝土构件双向压弯剪受力性能进行了分析研究,给出了典型矩形钢管混凝土压弯剪构件的受力全过程关系曲线,分析了剪切荷载角度θ(0°～90°)、轴压比n(0～0.8)、剪跨比m(0.5～5.0)、钢材强度(Q235～Q420)、混凝土强度(C30～C90)、含钢率α(0.05～0.20)和截面高宽比β(1～2)等参数对其受力性能和承载力的影响规律。结果表明,对于矩形钢管混凝土双向压弯剪构件,随钢材强度的提高、混凝土强度的提高、含钢率的增大和剪跨比的减小,其最大横向剪力增大。对于矩形钢管混凝土压弯剪构件,其强轴方向(θ=90°)单向压弯剪横向剪力最大,弱轴方向(θ=0°)单向压弯剪横向剪力最小,随剪切荷载角度的增大,横向剪力增大。在轴压比较小(0≤n≤0.2)时,此类构件最大横向剪力随轴力增大而增大,在轴压比较大(0.2n≤0.8)时,则随轴力增大而减小。截面高宽比变化对强轴方向最大横向剪力影响较小,对弱轴方向的影响较大。     

双向弯矩和轴力联合作用下截面的极限承载力

分析方、矩形钢管混凝土柱子在轴压和双向弯矩作用下形成塑性铰时轴力-双向弯矩之间的相关关系。采用自编软件计算方钢管和矩形钢管混凝土截面,提出了简化计算式计算方、矩钢管混凝土截面的承载力。同时对圆钢管混凝土也进行了推导,发现矩形钢管混凝土单向压弯的计算式也适用于圆钢管混凝土柱子。     

《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ 13-51-2003)设计方法及可靠度分析

简要介绍了福建省工程建设地方标准《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ 13-51-2003)中钢管混凝土构件承载力计算公式,并将该规程的计算结果与收集到的试验结果进行了比较,结果表明,计算结果和试验结果总体吻合较好。基于《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068-2001),应用结构可靠度分析的一次二阶矩法,对福建省工程建设地方标准中有关圆钢管混凝土和方、矩形钢管混凝土轴压、纯弯及压弯构件的承载力设计公式进行了可靠度分析,分析结果表明,规程中设计公式基本满足统一标准对塑性材料可靠度指标的要求。     

钢管自密实高性能混凝土压弯构件力学性能研究

进行了38个钢管自密实高性能混凝土压弯构件的试验研究,考察的项目和基本参数有:(1)截面形式,包括22个圆试件和16个方试件;(2)管内混凝土不同浇筑方式,包括自密实、手工振捣和机械振捣;(3)截面径(宽)厚比,从33变化到67;(4)荷载偏心率,从0变化到0.3。研究目的在于:考察钢管自密实混凝土与采用振捣密实的钢管混凝土压弯构件力学性能的差异,并比较规程DL/T5085—1999、GJB4142—2000、AIJ(1997)、EC4(1994)、AISC—LRFD(1999)、BS5400(1979)和DBJ13—51—2003在计算钢管自密实高性能混凝土构件极限承载力时的差异,结果是圆钢管自密实混凝土压弯构件的极限承载能力值按规范计算比试验值低5%～20%,方钢管按规范计算比试验值低4%～15%,唯按EC4(1994)计算的方钢管值略高于试验值。     

双向压弯方钢管高强混凝土构件滞回性能试验与分析

进行了4个双向压弯方钢管高强混凝土构件在低周反复荷载作用下的试验研究。试验中的主要参数为轴压比(0.433～0.624)、宽厚比(30和50)和长细比(18.5和25.4)。试验结果表明,随轴压比的提高,构件的承载力和延性降低,随钢管宽厚比的增加,构件的承载力提高;试件的位移延性系数μ=3.63～5.18,抗震性能良好。利用纤维模型法计算了构件的荷载位移滞回曲线,计算结果与试验结果吻合较好。进行了压弯构件的截面参数分析,研究了轴压比、套箍系数、加载角度和荷载类型对构件滞回性能的影响。建立了方钢管混凝土压弯构件的弯矩曲率和荷载位移恢复力模型,基于恢复力模型的计算结果与试验结果吻合较好,可为结构的弹塑性动力分析提供参考。     

钢管混凝土压弯扭（剪）承载力相关关系及钢管混凝土统一设计理论构想

本文推导了钢管混凝土压弯扭（剪）承载力相关方程，从而将钢管混凝土轴压、纯弯和纯扭（剪）构件承载力计算公式相互衔接起来，概念明确。大量实例计算表明，相关方程计算结果与试验结果吻合令人满意。最后，本文提出钢管混凝土统一设计理论的构想。     

钢管再生混凝土构件受力机理研究

在确定钢管与核心再生混凝土本构关系模型的基础上,采用有限元法对钢管再生混凝土轴压短柱、纯弯构件和压弯构件的破坏模态和荷载-变形关系曲线进行全过程分析,揭示出受力过程中钢管与核心再生混凝土截面应力分布规律及钢管与核心再生混凝土之间的相互作用,较为深入地认识了静力荷载作用下钢管再生混凝土构件的工作机理。     

钢管约束型钢高强混凝土压弯构件的抗震性能研究

进行两个圆钢管约束型钢混凝土和两个方钢管约束型钢混凝土压弯构件的滞回性能试验研究,并进行两个普通型钢混凝土对比试件的试验研究。试件的混凝土为C70高强混凝土,试验中的主要参数为轴压比(n0=0.3和0.5)。试验结果表明,型钢混凝土和钢管约束型钢混凝土压弯构件易发生黏结破坏,因此工程实践中应在型钢翼缘设置抗剪连接件以防止黏结破坏的发生。相同用钢量条件下,圆钢管约束型钢高强混凝土柱的抗弯承载力、延性、极限层间变形能力和耗能性能明显高于型钢混凝土柱。随轴压比的提高,圆钢管约束型钢高强混凝土压弯构件的抗弯承载力提高,但轴压比对构件的层间变形能力无明显影响。相同用钢量条件下,方钢管约束型钢高强混凝土柱的抗弯承载力与型钢混凝土柱基本相同,但方钢管约束型钢高强混凝土柱的延性、极限层间变形能力和耗能性能明显高于型钢混凝土柱。随轴压比的提高,方钢管约束型钢高强混凝土压弯构件的抗弯承载力提高,但轴压比对构件的层间变形能力无明显影响。根据试验结果和理论分析结果建议了钢管约束型钢混凝土柱的截面抗弯承载力计算方法,提出设计建议,可为工程实践提供参考。     

不同截面形式钢管混凝土压弯柱受力性能试验研究

以轴压比为变化参数,进行了4根圆形和4根哑铃形钢管混凝土柱的压弯试验,对两种截面钢管混凝土柱在压弯荷载作用下的变形模式、荷载-变形曲线和压弯相关曲线进行了对比分析。结果表明:两种截面钢管混凝土构件随着轴压比的增大,构件的延性呈降低的趋势,由于哑铃形截面面内刚度较大,相同轴压比下哑铃形钢管混凝土抵抗弯矩和变形的能力要强于圆形钢管混凝土。通过对圆钢管混凝土和哑铃形钢管混凝土压弯曲线的分析,发现直接采用圆钢管混凝土的压弯相关曲线方程计算哑铃形钢管混凝土,结果偏于保守,还需进一步的有限元分析才能提出适用于哑铃形钢管混凝土的压弯相关曲线。     

Experimental research on CFST member with different sections under combined compression and bending

以轴压比为变化参数,进行了4根圆形和4根哑铃形钢管混凝土柱的压弯试验,对两种截面钢管混凝土柱在压弯荷载作用下的变形模式、荷载-变形曲线和压弯相关曲线进行了对比分析。结果表明：两种截面钢管混凝土构件随着轴压比的增大,构件的延性呈降低的趋势,由于哑铃形截面面内刚度较大,相同轴压比下哑铃形钢管混凝土抵抗弯矩和变形的能力要强于圆形钢管混凝土。通过对圆钢管混凝土和哑铃形钢管混凝土压弯曲线的分析,发现直接采用圆钢管混凝土的压弯相关曲线方程计算哑铃形钢管混凝土,结果偏于保守,还需进一步的有限元分析才能提出适用于哑铃形钢管混凝土的压弯相关曲线。     

方钢管混凝土压弯构件截面非线性分析

构件截面非线性分析是进行结构抗震性能分析的重要基础,针对方钢管混凝土构件中钢管的三向受力特点,提出了一种适于计算方钢管混凝土压弯构件弯矩-曲率骨架曲线的钢材本构模型,模型中考虑了钢材的环向拉力作用;并应用提出的钢材模型和已有的混凝土模型编制了纤维模型数值计算程序;分析了含钢率、轴压比、混凝土强度和钢材强度对方钢管混凝土压弯构件截面弯矩-曲率曲线的影响。通过对构件屈服弯矩、极限弯矩的分析,提出了一种方钢管混凝土压弯构件的三线性骨架曲线,该曲线可用于工程中方钢管混凝土框架结构的动力学分析。     

矩形钢管混凝土构件承载力的规程对比分析

以矩形钢管混凝土轴心受压、受弯和压弯构件为研究对象,对《矩形钢管混凝土结构技术规程》和《钢管混凝土结构技术规程》关于构件承载力计算值进行了详细比较。首先,详细阐述了各规范的详细规定原则和内容。接着,以截面含钢率和构件长细比为参数,自编Matlab程序对规范内容进行了详细比较。结果表明:轴压强度承载力前者较后者更安全、轴压稳定承载力和弯矩承载力会随参数而变化、压弯平面内稳定承载力存在着特定长细比,当小于该长细比时,且构件处于小偏心受压时,前者较后者更安全,其余后者较前者安全。     

矩形钢管混凝土偏心受力构件的设计方法

介绍了《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS1 5 9:2 0 0 4)中承重构件设计的部分内容 ,阐述了矩形钢管混凝土纯弯、压弯和拉弯构件承载力计算公式和实用设计方法 ,并与一些试验研究的结果进行了比较 ,表明该设计方法是合理有效、简便实用的     

高轴压比钢管混凝土剪力墙抗震性能试验研究

为研究约束边缘构件内配置圆钢管的钢管混凝土剪力墙的抗震性能、探讨钢管混凝土剪力墙的轴压比限值及其约束边缘构件的配箍要求,完成了6个剪跨比大于2.0的高轴压比钢管混凝土剪力墙试件和1个钢筋混凝土剪力墙试件的拟静力试验。试验结果表明：剪力墙的破坏形态为压弯破坏及底部混凝土压溃而丧失竖向承载能力;钢管混凝土剪力墙的开裂水平力、名义屈服水平力、正截面受弯承载力和变形能力均比相同参数的钢筋混凝土剪力墙大;配置双钢管剪力墙的变形能力大于配置单钢管的剪力墙,约束边缘构件为端柱的剪力墙的变形能力大于约束边缘构件为暗柱的剪力墙;正截面受弯承载力试验值大于计算值。根据试验结果,提出了钢管混凝土剪力墙的设计建议。图9表7参13     

双锥型变截面矩形钢管的试验研究及承载力分析

双锥型变截面矩形钢管是指两端为锥型变截面、中间为等截面的组合矩形钢管构件。首先推导双锥型变截面矩形钢管的强度最不利破坏截面位置的判断公式,阐述双锥型变截面矩形钢管在压弯和压弯扭试验中不同加载方式下试件的破坏模式、塑性区发展过程及承载力结果,并结合大量有限元模型分析,进行不同弯压比下构件承载能力的比较。研究表明,双锥型变截面矩形钢管与等截面构件相比,在弯矩作用下具有更高的承载力,且塑性铰位置避开构件端节点,使整体结构延性得到增强。     

《钢结构与钢-混凝土组合结构设计方法》的理解与应用——矩形钢管混凝土柱

截面高宽比h/b大于2.0的矩形钢管混凝土柱具有较好的外观优势，能避免室内出现凸柱现象，随着实际应用日渐增多，对其的研究也越发深入。根据《隐式钢管混凝土结构技术规程》(T/CECS 951—2021)和《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS 159:2004)两本规范给出的条文对构件的计算结果及构造要求进行了对比。计算对比包括截面塑性发展能力、单向压弯荷载作用下的截面强度及单向压弯荷载作用下的平面内稳定承载力等三个方面。计算结果将再与多组实际试验结果进行对比，根据两者计算偏差判断规范公式的合理性。构造方面主要对比截面尺寸、长细比、宽厚比、轴压比及强柱弱梁验算公式和免除强柱弱梁验算的条件。结果表明，相比于CECS 159:2004,T/CECS 951—2021更接近实际试验结果，计算公式更合理，构造要求规定更全面。     

钢管混凝土压扭,弯扭构件承载力相关方程

本文在对钢管混凝土压扭、变扭构件进行全过程分析结果的基础上，推导了钢管混凝土压扭和变扭构件承载力相关方程。采用相关方程计算钢管混凝土压扭和弯扭构件的承载力，方法简便，符合实用原则，并且和轴压、纯弯及纯扭构件承载力计算公式相衔接。最后，本文提供了压扭和弯扭构件设计公式。     

长期荷载作用下方钢管混凝土压弯构件承载力简化计算

利用数值方法计算长期荷载作用对方钢管混凝土压弯构件的荷载 -变形全过程关系的影响 ,系统分析轴压比、长细比、截面含钢率、钢材和混凝土强度及荷载偏心率等因素对承载力的影响规律 ,提出考虑长期荷载作用影响时 ,方钢管混凝土压弯构件承载力折减系数的简化计算公式 ,可为工程实践提供参考。