第21卷第2期 西南科技大学学报 Vo1.21 No.2 2006年6月 Journal of Southwest University fo Science and Technology June 20o6 钢管高强混凝土承载能力计算公式适用性分析 谭克锋 (西南科技大学材料科学与工程学院 ̄llJ,l绵阳621010) 摘要:通过实测的钢管高强混凝土短柱的承载能力与目前常用的钢管混凝土承载能力计算公式的计算结果进行对 比,从而找出适用的计算公式。结果表明,欧洲规范和Good C.D.提出的公式低估了钢管高强}昆凝土的承载能力; JcJ01—89提出的公式有局限性,在含钢率超过13.6%后将低估其承载能力;用我国规程CECS28—90中提出的计 算公式来计算钢管高强混凝土的承载能力最为准确。 关键词:钢管高强混凝土承载能力 中图分类号:TU528 文献标识码:A 文章编号:1671—8755(2006)02—0007—04 Analysis of Formulae for Calculating Loading Bearing Capacity of Steel Tubular HiglI Strength Concrete TAN Ke.feng (School ofMaterial Science and Engineeirng,Southwest University foScience and Technology, Mianyang 621010,Sichuan,China) Abstract:An experiment was undertaken to investigate which formula is suitable for calculating the load bearing capacity of steel tubular high strength concrete based on the comparison between tested and calcu— lated results.The test results show that formulae provided by Eurocode 4 and Good C.D.underestimate the load bearing capacity.The formula offered by JCJ01—89 also undervalue the load bearing capacity when the steel content exceeds a critical value of 13.6%.Comparatively.the formula provided by CECS28—-90 is the most accurate one to calculate the load bearing capacity of steel tubular high strength concrete. Key words:steel tube;very srtength concrete;loading bearing capacity 随着人口的增加和经济的发展,建筑将向巨型化、大跨化和高耸化方向发展,高强混凝土的推广和应用 将是大势所趋…。 然而,}昆凝土强度越高,脆性越大,只有在克服脆性的前提下,结构中的混凝土才能得以安全使用。现有 的研究业已证明 J:高强混凝土经钢管约束后,强度得以大幅度提高,延性得以大幅度改善,是一种十分理 想的结构材料,有着广阔的应用前景。 但是,钢管混凝土承载能力计算公式目前有数十个之多。为了使钢管高强混凝土得以顺利地推广和应 用,应该首先寻出其最准确的承载能力计算公式。目前,有代表性的或已被列入规范的计算公式有如下几 种: 收稿日期:2006—05—17 基金项目:国家自然科学基金资助项目(项目编号:59338120)。 作者简介:谭克锋(1957一),男,教授,博士,主要从事新型建筑材料研究。E—mail:tif@swust.edu.cn。 维普资讯 http://www.cqvip.com
8 西南科技大学学报 我国规程CECS28—90中提出的计算公式为 】: N =AZ(1+1.1 + ) (1) = A )/ A )一套箍指标 其简化公式为: t N =AZ(1+2 ) (2) 我国规程JCJ一89提出的计算公式为 J: N =LA + A (3) 式中:k =1+( 一1)p 为钢管混凝土轴心受压杆件核心混凝土轴心抗压强度提高系数; =0・25+3・2p为钢管纵向应力系数;p 南为含钢率;t,D一分别为钢管的厚度和外径,mm; 一钢 管钢材抗压强度,MPa; 一钢管内核心混凝土轴心抗压标准强度,MPa。 欧州规范给出的公式 】: Nu:(1+古 )A +A (4) Goode C.D.公式 j 警 (5) 1 试件的准备与测试 试件采用了4种不同规格的钢管制做,内填106和116 MPa的高强混凝土,1、2 mm厚的钢管是由钢板 卷制而成,其余为无缝钢管,有关试件的详细资料见表1。 表1钢管高强混凝土试件一览表 Table 1 Schedule of steel tubular high strength concrete specimens 注:表中符号,D L一分别为钢管的外径、壁厚和长度; = ,套箍指标 一分别为钢管的横截面积和屈服强度; 一分别 为核心混凝土横截面积和轴心抗压强度 =0.7 -p= ,/(A +A ),含钢率。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2期 谭克锋:钢管高强混凝土承载能力计算公式适用性分析 9 钢管高强混凝土试件是在500 t压力机上进行实验的。试件的中部对称位置粘贴了4对应变片,每对应 变片纵、环向各一片,另外,沿试件的纵向还设置了两个电测位移计。所有的实验数据通过数据采集器以每 秒4次的频率自动显示与采集。钢管高强混凝土试件的承载能力取极限荷载时的承载能力。 2 测试结果与分析 钢管高强混凝土试件的实测值和按5种钢管混凝土承载能力计算公式的计算值列于表2。由表2可 见,欧洲规范提出的计算公式(公式4)远远低估了钢管高强混凝土的承载能力,C.D.Goode公式(公式4)也 低估了承载能力。我国规程JCJ01—89提出的公式(公式3)在含钢率P等于13.6%(GH4试件)以内时,实 测值与计算值吻合良好。含钢率超过此值后,计算值开始低于实i贝4值,在含钢率P达到20.8%(GH5试件) 时,计算值不足实测值的一半,远远低估了钢管高强混凝土的承载能力,其原因可从公式(3), = A + 1 A。本身加以分析。 表2钢管高强混凝土试件实测值与计算值的比较 Table 2 Comparison of tested and calculated load bearing capacities of specimen 一“试件实测极限荷载;Nc一试件计算极限荷载。 公式(3)中的K。=1+[(4—3 ) 一1]pf, /fc为核心混凝土轴心受压强度提高系数,Ol=0.25+3.2p 为钢管纵向应力系数,将O/的表达式代人 。的表达式中,设钢管钢材的屈服强度为352 MPa,混凝土圆柱体 强度为84.7 MPa,得 。与P的关系如图1所示。由图1可见, 。与P的关系呈准抛物线关系,总体趋势是 值的增加速度随着P值的增加变得缓慢。 但相对而言,含钢率P在10%以前 。值增加速度较快,之后变得缓慢。在P等于14%时, 达到最大值 (1.344),之后 。值随着P值的增加而降低。在P等于24%时, 。值已低于1(0.944),意味着核心混凝土非 但未因钢管的套箍作用而提高,反而下降。在P等于29%时, 。值已等于零,意味着核心混凝土的强度变为 零。 从理论上讲,含钢率P越高,套箍指标F值越大,钢管的套箍增强作用越强,核心混凝土强度提高幅度越 大。而在公式(3)中,当含钢率P增大到一定程度后,核心混凝土轴心受压强度提高系数 值反而下降,甚至 为零,显然这与理论推理和实践相违背的。因此用公式(3)来计算钢管高强混凝土的承载能力有其局限之 维普资讯 http://www.cqvip.com
10 西南科技大学学报 处,P值不能过大,过大后会出现与实际相左的结果。 0.0 0.5 1.0 1.5 p 图1.KI与p之间的关系 图2实测值与公式(6)计算值的比较 iFg.2 Comparison between values of tested and Fig.1 Relationship between Kl and p calculated based equation 6 5 4 3 2 、 相对而言,对CECS28—90中提出的钢管混凝土轴压短柱承载能力的简化计算公式(2)稍加修正后(公 O 式6)来计算钢管高强混凝土的承载能力, =AZ(1+1.8 ) (6) 计算值与实钡4值吻合最好(见表2)。全部试件的实测值与按公式(6)相比的平均值为1.060,离散系数 为0.075.。图2清楚地表明这一点。 但是,CECS28—90针对普通钢管混凝土提出的完整公式 (公式1)与其简化公式(公式2)相比,随套箍指标 的不同计 算的钢管混凝土承载能力有较大的差异。从精确公式和简化公 式的 A。= )曲线(见图3)可以看出,在 <1.234时, 精确公式的计算值高于简化公式;当 >1.234时,前者低于后 者。如当 =0.1时,前者的 A。=1.43,后者的 A。=1. 2,增强效果相差1倍;当 =0.2时,前者的 A。=1.67,后 O.0 0.5 1.0 1.5 2.O 2.5 者的 A =1.4,增强效果相差67%。钢管高强混凝土的套箍 指标一般情况下小于1。由本研究可知,利用经过稍加修正的简 图3精确公式与简化公式的比较 化公式(6)来计算钢管高强?昆凝土的承载能力是最为合理的。 Fig.3 Comparison between values based on equation 1 and 2. 而不能用CECS28—90提出的完整公式(公式1),否则将高估钢 管高强混凝土的承载能力。 3 结语 通过对钢管高强混凝土承载能力的实测值和有代表性的5 种钢管混凝土承载能力计算公式的计算值比较看,欧洲规范和Good C.D.提出的公式低估了钢管高强?昆凝 土的承载能力;JCJO1—89提出的公式有局限性,在含钢率过大时将大大低估承载能力;对CECS 28—90提 出的简化公式进行适当的修正后(得公式6),可以最为准确的预测钢管高强混凝土的承载能力。 (下转第25页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2期 姚勇,等:盾构隧道施工对管片环和地表沉隆变位的影响研究 YANG Tian—hong,HANG Zheng—zhao,et a1.Numerical simulation on the progressive processes of he eartth surface subsid— ence caused by the excavation of subway[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002(11):1620—1626. (in Chinese) [6] 杨晓杰,楮立孔等.城市隧道施工引起地表沉降数值模拟研究[J].矿山压力与顶板管理,2005(8):98—100. YANG Xiao—jie,CHU Li—kong,et a1.Numerla simulatedanticipation on deformation ofground dueto subway excavated[J]. Mine Pressure and Statra Control,2005(8):98—100.(in Chinese) 2005. [7] 曾东洋.盾构隧道衬砌结构力学行为及施工对环境的影响研究[D].西南交通大学,ZENG Dong—yang.Research on the mechnical behaviour of shield lining structure and influences on the environment in con— stuction[D].Southwest Jiaotong University.2005.(in Chinese). [8] 潘昌实.隧道力学数值方法[M].中国铁道出版社,1995. PAN Chang—shi.Numerical method oftunnel mechanics[M].China Railway Publishing House,1995.(in Chinese) [9] 松井春辐.都市卜 丰, 实际(合理的 设计O施工法老幻芒L )[M].鹿岛出版社,1998. '''','''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''','''',''''''''''',''''''''''''''',' (上接第10页) 参考文献 [1] 蒲心诚.新型结构材料碱矿渣(JK)高级水泥的研究[J].硅酸盐建筑制品,1988,(1):22 ̄25. PU Xin—cheng.Study on structurla materilas—alkali activated cement[J].Silicate Structurla Products.1988,(1):22—25. (in Clifnese) [2] 谭克锋,蒲心诚,蔡绍怀,钢管高强混凝土的性能及极限承载能力的研究[J].建筑结构学报,1999(1):18 ̄23. TAN Ke—feng,PU Xin—cheng,CAI Shao—huai.Study on properties and loading bearing capacity of steel tubular high strength concrete[J].Journal of Building Sturctures,1999(1):18—23.(in Chinese) [3] 中国工程建设标准协会标准CECS 28—90[S].钢管混凝土结构设计与施工规程. Design and consturction regulation of CFST sturctures[S].Stnadard of China Consturction Association,CECS 28:90.(in Chi— nese) [4] 钢管混凝土结构设计与施工规程[s].国家建筑材料工业局标准,JCJ01—89. Design and consturction regulation of CFST structures[S].Standard of National Building Materials Ministry,JCJ01—89.(in Chinese) [5] British Standards Institution.Design of composite steel and concrete structures,Part1.1:General rules and rules for buildings [S].ENV 1994—1—1:1992 Eumcode 4,London,1992. [6] Goode,C.D.钢管混凝土组合柱的研究进展[J].工业建筑,1996,(3):7—9. Goode,C.D.State ofthe art report ofthe CFST assembled columns[J].Industiral Construction,1996,(3):7—9.(in Chi— nese)
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