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薄壁钢管混凝土短柱的轴压极限承载力研究

作者:曹宝珠张耀春?来源:csce?类别:结构设计、论文?日期:2002.11.29?今日/总浏览:2/23

薄壁钢管混凝土短柱的轴压极限承载力研究

曹宝珠张耀春

（哈尔滨工业大学土木工程学院哈尔滨150090）

摘要：通过对15个圆形薄壁钢管混凝土短柱试验值的对比分析，运用有侧限的薄壁圆柱壳屈曲理论，得出了其轴压极限承载力的计算公式，并证明了理论计算值与试验结果吻合良好。

关键词：薄壁钢管混凝土短柱；圆柱壳；屈曲；极限承载力。

ResearchonAxialloadedUltimateCapacityofThinwalled

ConcreteFilledSteelTubularShortColumns

Caobaozhu,Zhangyaochun

(HarbinInstituteofTechnology,CollegeofCivilEngineering,harbin150090)

Abstract:parativeanalysishasbeencarriedouton15specimensofcircularthinwalledconcretefilledsteeltubes.TheformulasofcalculatingCFT’sultimatecapacityinaxialloadinghasbeendeveloped,basedonthethinwalledcylindershelllocalbucklingtheoriesundersiderestainedconditions.Thecalculatedvaluesoftheoriesisprovedwellinaccordancewithexperimentresults.

Keywords:thinwalledconcretefilledsteeltubes;cylindershell;buckling;ultimatecapacity.

一引言

目前钢管混凝土结构由于承载力高以及具有优良的防火和抗震性能已广泛应用于建筑工程中，并且各国规范对该种结构均有相应的规定。但对于钢管壁厚较小，径厚比较大的圆形钢管混凝土柱而言，受压时有可能是组合构件的局部屈曲对构件的极限承载力起控制作用。我国规范规定钢管外径不宜小于100mm，壁厚不宜小于4mm，其径厚比宜控制在20～85之间，以防止发生局部失稳，同时对混凝土提供足够的约束作用。由于对薄壁钢管混凝土构件的钢管屈曲时的临界荷载尚没有一种很好的计算方法来进行求解，以确定其局部屈曲荷载作为构件极限受压承载力时的临界径厚比，因此，可将圆形薄壁钢管及混凝土达到材料极限强度时的承载力与钢管发生局部屈曲时的承载力进行对比分析，较小者即为实际受压极限承载力。未填混凝土的圆形钢管截面构件的外径与壁厚之比[2]，对于Q235钢不应大于100，对于Q345钢不应大于68，否则应考虑其局部屈曲的影响。

二钢管及混凝土均达极限强度时的承载力

钢材采用VenMise屈服条件，即

(1)

钢材在单轴应力下的屈服下限

混凝土采用下列屈服条件

(2)

fck混凝土轴心抗压强度标准值；

p钢管对混凝土的约束应力；

σc受约束混凝土的轴向压应力。

由静力平衡及环向力平衡，可解得钢管与混凝土均达到材料极限强度时承载力

(3)

式中为套箍系数，，

满足?由此可得到薄壁钢管混凝土构件的非失稳极限承载力。

三薄壁钢管屈曲时的极限承载力

薄壁钢管混凝土短柱在轴压力作用下，除材料屈服达到极限承载力外，还有可能发生局部屈曲失稳而丧失承载力，因此需对其屈曲临界状态的应力应变情况进行分析。

当受轴向压力作用时，薄壁钢管内的混凝土在发生纵向压缩变形的同时，还发生横向变形，对钢管产生膨胀压力，使钢管壁环向受拉，从而增加了钢管的局部稳定承载力。构件发生局部屈曲前的应力分布如图1所示

图1.轴向和环向膨胀力作用的薄壁钢管

首先假定混凝土处于弹性阶段，其应力应变符合虎克定律。

在单位长度的轴向荷载px和径向膨胀力p的共同作用下截面的轴向应力σx=px/t，环向应力σθ=pr/t，圆柱壳的稳定平衡方程[4]可写为

(4)

对于两端简支的薄