薄壁钢管混凝土受压柱承载力计算研究进展

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发布时间：2021-09-06

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薄壁钢管、7昆凝土受压柱承载力计算研究进展
宋成冬中国寰球工程公司北京100029
摘要介绍现有的钢管混凝土构件承载力计算方法，分析各计算方法的特点和适用性。给出国内外各主
要规范中钢管混凝土管壁临界径厚比或宽厚比的计算公式，归纳基于统一强度理论的薄壁钢管混凝土受压柱的
承载力计算方法，并简要介绍薄壁钢管再生混凝土柱的研究进展，最后提出薄壁钢管混凝土柱进一步的研究
方向。
关键词薄壁钢管混凝土承载力径厚比研究进展
薄壁钢管混凝土柱是指在薄壁钢管中填充混
凝土，其横截面径厚比和宽厚比超过钢结构对其
局部屈曲控制的限制或者壁厚小于3mm的钢管。
在钢管混凝土工程中采用薄壁钢管可以大大减少
钢材的用量和焊接的工作量，从而达到降低工程
造价的目的⋯ ，在小高层及多层建筑中有推广的
前景。
不同于厚壁钢管混凝土，薄壁钢管}昆凝土管
壁较易产生局部的屈曲，当构件截面为方形或矩
形时尤为如此。关于薄壁钢管混凝土的力学性能
目前国内外尚未形成共识，也还没有相对成熟的
承载力设计方法和构造措施。
1 钢管混凝土构件受压承载力的计算方法
钢管混凝土构件既不同于混凝土构件，又不
同于材质均匀的纯钢构件，而是一种具有组合受
力特性的复合材料，因此其承载能力的计算应建
立在钢和混凝土这两种基本组成材料的作用分担
之上的新计算方法。数值分析法是一种精确的计
算方法，能从理论上准确地描述钢管混凝土压弯
构件的工作机理和性能，但单元选取较难，计算
较为复杂，难以用来解决工程中钢管混凝土的计
算问题。综合国内外规范关于钢管混凝土承载力
的计算方法主要有四种理论：统一理论、拟混凝
土理论、一拟钢理论以及叠加理论。
1．1 统一理论
统一理论主要基于哈尔滨工业大学和福州大
学等的研究成果。具体做法是不再区分钢管和混
凝土，而把钢管混凝土视为一种组合材料，通过
试验回归得到组合材料的性能指标。用构件的整
体几何特性(全截面面积和抵抗矩等)和钢管混
凝土的组合性能指标来计算构件的各项承载力。
通过钢材和混凝土在多轴应力状态下的本构关系
的全过程数学式表达，采用有限元法计算，作出
各种受力状态下的钢管混凝土构件平均应力一应
变的全过程曲线的组合性能指标。由此再根据弹
塑性稳定理论，结合大量的试验数据，给出钢管
混凝土构件承受压、弯和剪共同作用时的构件强
度和稳定承载力公式。采用这种方法验算偏心受
压构件的承载力存在一定的误差，但在这种方法
中轴心受压构件的承载力计算值和偏心受压构件
的计算值能够相互衔接。其成果被国家军用标准
GJB 4142—2000和福建省工程建设标准DBJ 13—
51—2003以及电力部标准DL／T 5085—1999等规
程采用。
统一理论将钢管混凝土当为一种组合材料，
在回归分析的基础上建立了计算公式，其理论计
算结果与试验值比较接近，但在工程应用中有两
个具体问题：① 由于钢管混凝土中的影响因素较
多，拟合的公式一般比较复杂，设计人员需要对
每个符号的含义理解清楚后才能使用；② 对于缺
乏试验样本的部分，单纯依靠数值分析结果还值
得探讨。
1．2 拟混凝土理论
拟混凝土理论即为中国建筑科学院提出的约
束混凝土理论。拟混凝土理论认为钢管混凝土本
质上就是由钢管对混凝土实行套箍强化的一种套
箍混凝土，即约束混凝土。由于钢管对核心混凝
宋成冬：工程师。2001年毕业于哈尔滨工业大学建萌丁程4 -．业。现在从事结构设计工作。联系电话
songchengdong@ hqcec．toni。
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宋成冬薄壁钢管混凝土受压柱承载力计算研究进展 45
土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，
从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和变形能
力，而将钢管壁视为分布在核心混凝土周围的等
效纵向钢筋，钢筋的面积根据钢管的截面积和形
状而定。据此，采用极限平衡理论的方法推导出
钢管混凝土轴压短柱的极限承载力公式。而对长
柱和偏压柱则通过大量的试验数据，按照选定的
参数进行回归，得到长细比和偏心率影响的承载
力折减系数。这种方法虽然考虑了长细比和偏心
距影响，计算比较方便，但是未能明确地反映两
者间的关系，会产生一定的误差。中国工程建设
标准化协会的标准CECS 28：90、欧洲的EC4和
美国混凝土协会的规范AICI采用此理论。
拟混凝土理论从概念上比较适合于圆钢管混
凝土，对于方形和矩形钢管混凝土，因钢管对混
凝土的约束能力较小，其约束混凝土的概念不再
适用。
1．3 拟钢理论
拟钢理论是同济大学基于钢结构分析方法提
出的等效钢柱计算理论。拟钢理论将混凝土折算
成钢，把钢管}昆凝土看作受力钢构件，再按照钢
结构规范的模式进行分析计算。此方法在不改变
钢管横截面积的条件下，将填充混凝土作为对钢
管混凝土的屈服强度和弹性模量的提高，以此求
得等效钢管的性质，并以等效钢管构件的承载力
作为原型钢管混凝土构件的承载力。美国的LRFD
规范和中国工程建设标准化协会的标准CECS 159：
2004都采用了拟钢理论。
拟钢理论采用换算模量，将混凝土折算为钢
进行计算。结构概念上有两个问题：① 不易明确
混凝土材料的结构行为和分担作用的概念；② 采
用换算模量对高层和超高层建筑进行内力分析忽
略了剪切模量。据此，对高层和超高层建筑进行
结构设计的内力分析和构件设计会有不准确的
情况。
1．4 叠加理论
叠加理论不考虑钢管和混凝土之间的粘结作
用，将填充混凝土和钢管两部分的承载力进行叠
加，作为钢管混凝土构件的整体承载力。对于受
压弯荷载共同作用的钢管混凝土柱，通常将容许
弯矩一轴力曲线叠加起来，作为容许承载力曲线。
目前采用叠加理论的主要是日本的AIJ规范和《天
津市钢结构住宅设计规程》DBJ 29—57—2003，计
算公式中忽略钢管对混凝土的环箍作用，且仅考
虑混凝土承担的压力，不考虑其承担的压力和
弯矩。
根据试验结果，叠加理论在轴压和小偏心时，
其理论结果与试验值基本相同；而在大偏心时，
理论结果与试验值偏于保守约为6％，所得的计算
值比较理想。而且该方法物理概念明确、计算公
式简单明了，且安全可靠，但偏于保守。
2 薄壁钢管混凝土受压柱承载力的计算
2．1 径(宽)厚比
薄壁钢管砼的合理径(宽)厚比限制的确定
是薄壁钢管砼设计应考虑的关键问题。在钢管砼
中限制管壁的径厚比D／t(圆形)或宽厚比B／t主
要是为了防止管壁发生局部屈曲。各国不同规程
中对砼截面的D／t或B／t限值的规定如下加：
(1)美国规程ACI318—02(2002)