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圆钢管混凝土轴压中长柱承载力研究1 丁发兴*，余志武 ( 中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙 410075) *E-mail: dinfaxin@ 摘 要：本文建立了圆钢管混凝土轴压中长柱承载力实用计算公式。首先应用模型柱法，对 钢管混凝土轴压中长柱荷载-变形曲线进行全过程分析，得到了钢管混凝土轴压中长柱承载 力的数值解法；其次，根据切线模量法推导了钢管混凝土轴压中长柱稳定承载力计算公式， 与模型柱法计算结果相比，模型柱法偏于安全；再次，基于模型柱法，探讨了构件长细比、 混凝土强度等级、含钢率和钢材屈服强度对钢管混凝土轴压中长柱承载力稳定系数的影响， 并在修正切线模量法推导的计算公式的基础上，建立了钢管混凝土轴压中长柱承载力实用计 算公式，得到了国内外 216 根钢管混凝土轴压中长柱承载力有效试验结果的验证。 关键词：钢管混凝土柱，长细比，稳定系数，承载力 1. 引 言 钢管混凝土轴压柱具有优越的力学性能和施工性能，在实际工程中的应用越来越广泛。 实际结构中钢管混凝土轴压构件长细比变化范围较大，其受力性能有所不同，需要对不同长 细比下钢管混凝土轴压中长柱的受力性能展开研究，建立钢管混凝土轴压中长柱承载力实用 计算公式。 钢管混凝土轴压中长柱的静力性能研究分为极限分析和全过程分析。已有极限分析包括 切线模量法[1~3]和经验系数法[3,4] 。切线模量法的关键在于确定钢管混凝土受压组合应力-应 变曲线和组合抗弯弹性模量，已有学者[2,3]将钢管混凝土的组合抗压弹性模量来代替其组合 抗弯弹性模量。实际上，由于钢管分布在混凝土外侧，其抗弯作用效果要大于抗压作用效果。 [3] [6] [7] 已有全过程分析包括模型柱法 、非线性梁单元法 和三维非线性有限元法 ，其中采用的 钢管混凝土统一理论的非线性材料本构模型[3]和钢管与混凝土纤维单元应力-应变关系模型 [6] [7] ，计算结果与试验结果吻合较好，而三维非线性有限元法 仅适用于弹性失稳的钢管混凝 土轴压长柱。目前，较少学者同时对极限分析和全过程分析的钢管混凝土柱承载力计算结果 进行比较。 本文采用文献[8]提出的钢管混凝土轴压受力分析理论模型，该模型计算简便，可计算 得到钢管纵向应力-纵向应变和混凝土纵向应力-纵向应变关系曲线，合理揭示钢管混凝土的 受力机理[9] ；并进一步采用受拉本构模型，从而建立一种新的钢管混凝土材料本构模型；利 用模型柱法对钢管混凝土轴压中长柱荷载-挠度曲线进行全过程分析，得到其承载力的数值 解；同时，基于切线模量法，采用钢管混凝土轴压组合应力-应变关系曲线[10]，得到稳定承 1 本课题得到国家自然科学基金项目资助。 - 1 - 载力计算式；在比较模型柱法和切线模量法的基础上，建立钢管混凝土轴压中长柱承载力实 用计算公式，得到了国内外大量试验结果的验证。 2. 理论分析 2.1 模型柱法 2.1.1 基本假设 对于钢管混凝土柱的截面采用分层法计算模型，如图 1 所示。为简化分析，做如下基本 假设： (1)钢管混凝土轴压中长柱是两端铰接的等直杆； (2)荷载为轴向作用，变形后截面保持平面； (3)忽略剪力对构件变形曲线的影响； (4)跨中截面采用分层法计算模型，材料本构关系如下： 假设钢管混凝土构件在轴力和弯矩作用下，截面受压、拉区对应的相同纵向应变的钢管 和核心混凝土的受力状态与钢管混凝土轴压、轴拉受力时相同纵向应变的钢管及混凝土的受 力状态相同。 钢管混凝土轴压本构关系采用文献[8]建议的弹塑性全过程分析理论及相应的材料本构 模型，计算得到钢管纵向应力-纵向应变和混凝土纵