钢管混凝土轴压短柱界限套箍系数

建筑科学与工程学报2014年文章编号：16732049(2014)01008307

收稿日期：20131011

基金项目：国家自然科学基金项目(41202191)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2011JM7002)；

教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20110205130001)

作者简介：吴鹏（1988），男，甘肃张掖人，工学硕士研究生

摘要：基于统一强度理论，借助钢管混凝土轴压短柱极限承载力计算公式的推导，得出了极限状态时钢管和混凝土之间的侧压力，提出了界限套箍系数的概念，并给出界限套箍系数的计算公式，同时分析了不同套箍系数时钢管的三向应力和钢管混凝土短柱的轴压应力应变曲线出现不同发展趋势的原因，且理论分析得出的结论与相关文献的试验结果一致，说明分析过程的合理性；最后对影响因素进行了分析，根据分析结果提出了实用建议，并发现相关参考文献的界限套箍系数为该研究结果的特例。

关键词：钢管混凝土；统一强度理论；轴压；套箍系数；应力应变曲线

中图分类号：TU398.9文献标志码：A

Boundary Casing Hoop Coefficient for Concretefilled Steel Tubular

Stub Columns Under Axial CompressionWU Peng, ZHAO Junhai, ZHANG Changguang, ZHU Qian, LI Yan

（School of Civil Engineering, Changan University, Xian 710061, Shaanxi, China）Abstract: Based on unified strength theory, a ultimate bearing capacity calculation formula for concretefilled steel tubular stub columns under axial compression was proposed. The lateral pressure between the steel tube and concrete was given in the ultimate state. The concept of limit casing hoop coefficient was presented, and the calculation formulae of limit casing hoop coefficient were given. Meanwhile, the limit value of casing hoop coefficient was defined to analyze the reasons for different development trends with different casing hoop coefficients appeared in axial compression stressstrain curve, and the theoretical analysis results were similar to the experiment results in relevant literature, and the rationality of analysis process was pointed out. Finally, parametric studies were carried out to analyze the influencing factors, and the practical suggestions were put forward due to the analysis results. It was also found that the limit casing hoop coefficient of relevant references was a special case for this study.

Key words: concretefilled steel tube; unified strength theory; axial compression; casing hoop coefficient; stressstrain curve

0引言

钢管混凝土是钢管内填充混凝土形成的构件，它具有承载力大、塑性和韧性好、施工方便等特点［1］，已被广泛应用于工程实际［2］。目前，确定钢管混凝土轴压短柱极限承载力时所遵循的基本概念是：钢管对核心混凝土提供了约束，使混凝土处于三向受压的应力状态，从而提高了承载力，并认为达到极限状态时钢管环向已经屈服［320］。但不少研究者发现，在构件达到极限状态时，钢管环向并未屈服［2］；此时钢管的应力为何值，也难以直接由试验获得［3］；随着套箍系数的不同，在达到极限状态后，钢管混凝土短柱的轴压应力应变曲线将出现上升、保持水平和下降3种不同的形式［1］，究其原因，至今尚未有理论方面的系统解释。

为此，本文中笔者基于统一强度理论［15］，借助钢管混凝土短柱轴压极限承载力计算公式的推导，运用函数极值的方法，得出钢管混凝土短柱在极限状态时的轴压承载力和此时钢管与混凝土之间的侧压力；然后，根据极限状态时钢管环向是否屈服，提出界限套箍系数的概念，分析了不同套箍系数时钢管的应力，并分析了钢管混凝土短柱在达到轴压极限状态后，应力应变曲线出现不同发展趋势的原因，最后，对影响因素进行了分析。

1统一强度理论

统一强度理论是俞茂宏对强度理论长期研究的成果，它考虑了所有应力分量对材料强度的不同影响，可以广泛而灵活地应用于各种不同的材料，其主应力形式的数学表达式为［15］

F=σ1-α1+b(bσ2+σ3)=σsσ2≤σ1+ασ31+α

F′=11+b(σ1+bσ2)-ασ3=σsσ2≥σ1+ασ31+α(1)

α=σsσc，b=(1+α)τs-σsσs-τs(2)

式中：F，F′均为主应力强度理论函数；σ1，σ2，σ3分别为第一、第二、第三主应力；α为材料的拉压比；σs，σc，τs分别为材料的拉伸屈服应力、压缩屈服应力、剪切屈服应力；b为反映中间主切应力及相应面上的正应力对材料破坏影响程度的系数，同时不同的b值对应不同的强度理论，其取值范围为0~1。2钢管混凝土轴压短柱界限套箍系数

2.1钢管混凝土轴压短柱极限承载力

2.1.1钢管受力分析

钢管混凝土短柱在轴压极限状态时，钢管处于轴向和径向受压、环向受拉的应力状态，其截面受力如图1所示，其中，D为钢管直径，t为钢管壁厚，p为钢管内壁受到的侧压力，σθ为钢管受到的环向拉力，由于tD，可认为σθ沿钢管壁厚均匀分布。

图1钢管受力

Fig.1Forces of Steel Tube由力的平衡条件可知

σθ=(D-2t)p2t(3)

钢管内壁受到的径向压力为p，外壁受到的径向压力为0，因为tD，可近似认为钢管受到的径向压力σr沿壁厚呈线性分布，为简化计算，取其平均值，则σr=p/2。

若规定：受拉为正，受压为负，且σ1＞σ2＞σ3，则钢管的三向应力满足