圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究

第37卷第10期 2004年10月 土木工程学报 C卸吖ACIVILENGDⅢERDiGJOURNAL V01．37 Oct． No．10 2004 圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究 陶 忠韩林海黄宏 (福州大学) 摘要：分别进行了十四个轴心受压构件和十二个偏心受压构件的试验研究，二种构件的试验参数分别为钢管径 厚比和空心率，构件长细比和偏心率。在确定组成圆中空夹层钢管混凝土的钢材和核心混凝土应力一应变关系 模型的基础上，利用数值解法对圆中空夹层钢管混凝土轴压和压弯构件的荷载一变形关系进行了全过程分析， 分析结果与试验结果吻合良好。最后在参数分析的基础上，提供了圆中空夹层钢管混凝土轴压和压弯构件承载 力实用验算。 关键词：中空夹层；钢管混凝土；轴压；偏压；荷载一变形关系；承载力 中图分类号：TU398．9 文献标识码：A 文章编号：1000-13IX(2004)10-0041．11 ⅧCHANICAI．BEHAⅦOI瓜OFCONCRETEF玎J皿DoUBIESK]ENSI卫：ELTUBI】I。ARC!C匝^皿压NS W删a吸C【】I。ARCI】I。AR团Ⅸ1卫州S TaoZhor酱HanLinhaiHuang胁昭 (FuzhouUniversity) Abstract：Aseriesoftestsareconductedonconcrete—filleddoubleskinsteeltubularstubcolumns(fourteen)andbeam-col— umns(twelve)．111eexperimentalparametersforstubcolumntestsaretheoutertubediameter-to—thicknessratioandthehollow sectionratio，whilethoseforbeatln-colunlllSareslendernessratioandloadeccentricity．Amechaniccalmodelisdevelopedfor concrete-filleddoubleskinsteeltubularcolumnswithcircularsections．西epredictedloadversusdeformationrelationshipsare ingoodagreementwiththecolumntestmsults．Simplifiedmodelsarederivedforthebearingcapacitiesofthecompositecol— umns． Keywords：doubleskin；concretefilledsteeltubes；axialcompression；eccentriccompression；load··deformationrelation·- ship；bearingcapacity 1 前 言 近年来，一种新型的钢管混凝土结构形式——中 空夹层钢管混凝土(Concrete．FilledDoubleSkinSteel Tubes)开始逐渐受到有关研究人员和工程技术人员 的重视。它是将两层钢管同心放置，并在钢管夹层之 间填充混凝土而形成的中空构件，按照截面形式的不 同通常可分为圆形、方形和矩形中空夹层钢管混凝土 等。本文主要研究圆中空夹层钢管混凝土，其截面形 式如图l所示。和实心钢管混凝土u’41相比，中空夹 层钢管混凝土构件具有截面开展、抗弯刚度大、自重 轻和防火性能好等特点，适于用作海洋平台支架柱、 桥墩以及高层建筑中的大直径柱。有关该类新型构件 收稿Ft期：2002．12—26 福建省科技重大项目(200"2HaY／)和福建省建设厅联合资助项目 的具体优点及研究历史参见文献[5]。 外钢管 图1圆中空夹层钢管混凝土 构件截面示意图 Fig．1Typic日lsectionofconcrete-filled doubleskinsteeltLlbeswithcircularsections 针对图1所示截面形式的圆中空夹层钢管混凝土 构件力学性能，近年来国外部分学者对其开展了一些 万方数据万方数据 土木工程学报 2004正 研究工作，例如文献[6]一[9]研究了其轴压短试 件的力学性能；文献[10，11]进行了其压弯构件滞 回性能的试验研究。我国学者曾研究过圆形截面的复 式钢管混凝土[121和空心钢管混凝土柱bo的力学性能。 以往对圆中空夹层钢管混凝土轴压力学性能的研 究尚不够系统，而对偏压构件则未见报道【6。1。。本文 拟通过试验和理论研究，探讨圆中空夹层钢管混凝土 轴压和偏压构件的力学性能，以及承载力实用验算方 法，以期为有关工程实践提供参考。 2试验研究 2．1试验概况 共进行了十四个轴心受压构件和十二个偏心受压 构件的试验研究。对于轴心受压构件，其构件长度 (L)与截面外直径(D。)的比值均取为3，试验的主 要变化参数为钢管径厚比和空心率[z=Di，(D。一 2t。)]，见1。偏心受压构件的试验参数为长细比 (A)和偏心率(e／r，e为荷载偏心距，r为截面外半 径，r=D。／2)，所有偏压试件均采用了相同的截面形 式，其外层圆钢管的截面尺寸D。xt。为114x3rran， 内层圆钢管截面尺寸Dixti为58×3mm，这样所设计 试件的空心率z为o．54。试件的基本参数见表2。 对于轴压构件，其内、外钢管所测钢材屈服强度 见表1；对于偏压构件，最终测得的外管钢材屈服强 度(．氏)为294．5MPa，内管钢材屈服强度(．^)为 374．5MPa。 表1轴压试件一览表 Table1 Testl瑚trameters0fthestubeoltmms 万方数据万方数据 第37卷第10期 陶忠等·圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究 ·43· 混凝土立方试块强度由同条件下成型养护的 150mm立方试块测得。对于轴压构件，试验时混凝土 的强度值(厂a，)为47．4MPa；对于偏压构件，试验时 的厶为46．3MPa。 试件的加工方法与文献[13]中加工方中空夹层 钢管混凝土试件的方法基本类似。 试验在福州大学力学一结构试验中心的500t压 力机上进行。对于轴压构件，试验时将试件直接放在 压力机上，试件两端采用平板铰，进行一次压缩试 验。为准确测量试件的变形，在每个试件中截面按间 隔90。各贴四片纵向及环向电阻应变片，同时在试件 的纵向还设置了两个电测位移计以测定试件的纵向总 变形。 对于偏压构件，试件两端采用刀铰加载，以期模 拟两端为铰接的边界条件。试验加载和量测装置示意 图如图2所示。 2 4 Ⅳ (a) 3 5 图2偏压试验加载和量测装置示意图 1一刀口铰2一试件3一百分表 4一应变片5一加荷板6一凸榫 Fig．2Test眈tupandinstrmnentationlayoutof thebeam-columns 6 2 为了准确测量偏压试件的变形，在每个试件中截 面处外钢管按间隔900的四个表面处贴纵向及横向各 一、共八片电阻应变片，同时在试件弯曲平面内沿柱 高设置若干电测百分表以测定试件在加载过程中的侧 向挠度变化情况。对于长细比为28的构件，共设置 了三个电测百分表并沿柱高四分点布置；对于长细比 为56的构件，除沿柱高四分点位置处布置电测百分 表外，还在试件中截面位置附近的八分点处增加两个 电测百分表以期能准确反映试件的侧向挠度变化。所 有试件端部均设置了电测百分表以监测试件的纵向总 变形(如图2所示)。试验过程中的所有变形试验数 据均通过IMP数据采集系统自动采集。 试件采用分级加载制，弹性范围内每级荷载为预 计极限荷载的1／10；当钢管压区纤维达到屈服点后， 每级荷载约为预计极限荷载的1／15。每级荷载的持荷 时间约为2min，接近破坏时慢速连续加载，直至试验 结束。 2．2试验现象与分析 1．轴压试验 通过对本次轴压构件试验全过程的观测，发现除 径厚比较小的cc5a和cc5b试件在加载后期承载力基 本保持恒定外，其余试件在达到极限承载力后，荷载 一变形关系曲线都出现了下降段，但所有试件均表现 出较好的延性和后期承载能力。试件破坏过程中，外 钢管表面一般出现3～5处局部凸曲。可能由于端部 效应的影响，最早出现的局部凸曲大部分位于试件靠 近上或下端板处，但该处局部凸曲的发展一般较慢。 随后，在试件中部附近形成局部凸曲，该处局部凸曲 的发展一般较快，且沿径向的凸曲程度基本相同，通 常对试件的破坏起决定作用。图3(a)给出典型试 件的破坏形态，图3(b)为该试件中部局部凸曲处 混凝土的破坏情况。对于内钢管其破坏形态随内管径 厚比的不同而有所差别：对于Di／ti较大的试件(如 cc4a)，其内管在受力的过程中，由于混凝土的挤压 作用而迫使其出现局部的凹曲，如图3(C)所示； 而对于Di／t；较小的试件(如cc2a)，在试验结束后切 开混凝土未发现其有任何局部屈曲发生。 (8)试验结束时 (b)移除部分外钢管 (C)内管破坏形态 图3轴压试件典型破坏形态 Fig．3Typicalfailuremodeofthestubcolumns 万方数据万方数据 ·44· 土木工程学报 2004拒 试验结果还表明，随着试件径厚比的增大，其局 部凸曲出现得越早。如试件cc7a和cc7b在达到其极 限承载力75％左右时试件表面就开始出现可见的局 部凸曲，而对于其余试件，其局部凸曲一般都在试件 达到其极限承载力以后才开始出现，尤其对于径厚比 较小的cc5a和cc5b，其在达到极限承载力相当长一 段时间以后才在外钢管表面观察到局部凸曲。因而对 于径厚比较大的试件如何避免其在达到极限承载力以 前发生局部凸曲值得研究。图4所示为本次试验轴压 构件的荷载(J7、r)一纵向应变(e)关系曲线，图中 e在应变未达到0．01且钢管未发生局部屈曲时采用 纵向应变片所测值，否则由于应变片开始退出工作， 此时的￡值由位移计所测得的位移△加以换算，即￡ =A／L。图4中还用三角形标出了每个试件外钢管发 生肉眼可见外凸屈曲时的荷载点。 2000 1500 堇1000 乏 500 0 O 3500 2800 ，、2100 蚤 乏1400 700 0 10000 20000 30000 占(¨￡) (a) 0 10000 2000030000 占(岬) 图4轴压构件N-e关系曲线 Fig．4N-erelationsofthestubcolumns 图4(a)所示为具有不同空心率的轴压构件N-e 关系曲线。由于不同试件的钢材和混凝土其截面面积 不尽相同，因而构件的极限承载力也有所差别。但不 同试件除空心率为0．80的cc4a和cc4b试件，在达到 其极限承载力以后不久即出现局部凸曲，因而延性稍 差外，其余试件的延性均未见有明显差别。 图4(b)所示为不同径厚比的轴压构件N-e关 系曲线。从中可见，随着径厚比的增大，试件的荷载 一变形关系曲线由基本不出现下降段到下降段变得越 来越显著，因而构件延性随着径厚比的增大而减小。 2．偏压试验 通过对本次偏压构件试验的观察，发现所有构件 在加载过程中均表现为侧向挠度不断增加、最终丧失 稳定而破坏。图5所示为试件在试验结束时典型的挠 曲破坏情况。 图5偏压试件典型的破坏形态 Fig．5Typicalfailuremodeofthet)eIun-colunms 在构件初始加载阶段，其跨中挠曲变形较小，挠 度的增长基本上和荷载的增加成正比。当荷载达到极 限荷载的60％～70％左右时，跨中挠度开始明显增 加。由于二阶效应的影响，当跨中挠度达到某一临界 值时，二阶弯矩的增长速度开始大于截面抵抗弯矩增 长速度，此时作用在构件上的荷载达到其极限值。此 后，构件为维持其平衡状态，作用在构件上的荷载不 断下降，而变形则迅速发展。 经观测和验算，本次试件在变形过程中，其挠曲 线基本上符合正弦半波曲线。图6绘出了试件pccl一 2a和pcc2—2a在不同荷载作用阶段其挠曲变形的发 展情况。图中横坐标为加载过程中构件不同位置处的 挠度(厂)；纵坐标为构件挠度各测点距柱底的高度 (H)；n为作用在构件上的荷载(Ⅳ)与其极限荷载 (Ⅳ{。。)的比值。图7所示为各偏压构件的荷载(Ⅳ) 与跨中挠度(u。)关系曲线。从中可以看出，随着 构件长细比和偏心率的增大，构件的刚度减小，极限 荷载也随之降低，达到极限荷载时其跨中挠度相应增 加。同时还可以看出，对于偏心率较大的构件，试件 万方数据万方数据 第37卷第10期 陶忠等·圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究 ·45· 1．2 0．9 g 蚤0·6 0．3 0 2．5 2 莒1．5 毫 1 O．5 O O 4 8 12 16 20 f(nun) (a)试件pccI-2a O lO 20 30 40 f(mm) (b)试件pcc2-2a 图6试件在各级荷载作用下的侧向挠度图 Fig．6Lateraldeflectionsof"specimensunder di&rentloadintervals 750 雪500 之250 0 600 450 堇300 乏 150 0 0 5 lO 15 20 Um(mm) (a) O 5 10 15 20 “m(mm) (b) 400 300 蚕200 之 100 0 750 雪500 乏250 O O 5 10 15 2025 30 ’“。(mm) 500 400 雪300 之200 100 O 300 240 氢180 之120 60 0 (c) 0 10 20 30 40 材。(mm) (e) O 15 30 45 60 “m(mm) (f) 图7 N-u。关系曲线 F遮．7 Load(Ⅳ)verBusmid-heiSt lateraldeflection(Ⅱ。)curves 的荷载一位移曲线在达到极限荷载时呈现出比较平缓 的下降趋势。 在不同的荷载阶段，试件中部截面的纵向应变分 布基本上保持为平面，中截面的平均应变发展速度随 长细比增加而减小。在极限状态以前，构件中截面的 04 博叫 心味㈣ 60 万方数据万方数据 土木工程学报 2004笠 中和轴位置略有上升，但并不显著；在极限状态以 后，截面中和轴位置变化较为显著，且随着长细比和 偏心率的增大，这种趋势更为明显。由于所有试件在 偏心压力作用下，其跨中截面都受到轴力和弯矩的联 合作用，在到达极限状态时，其外钢管在弯矩受压区 边缘纤维均已达到屈服，并进入弹塑性或塑性阶段； 在弯矩受拉区边缘纤维则随长细比或偏心率的不同即 可处于受压状态也可处于受拉状态，且材料既可能处 于弹性阶段也可能处于弹塑性阶段。图8所示为所有 试件在弯矩作用下的受拉区和受压区边缘纤维处应变 随荷载的变化关系曲线。图中每个试件均给出两条曲 线，左边为受拉区边缘纤维应变变化情况，右边则为 受压区边缘纤维应变变化情况，其中应变以受压为 正，受拉为负。可以看出，在整个加载过程中，除个 别试件外，受压区的边缘纤维应变基本随荷载的增加 而增大。和轴心受压短试件有所不同，所有偏压构件 直至加载结束，也未在试件表面发现有明显的局部凸 曲现象产生。 图8受拉区和受压区边缘纤维应变随荷载变化关系曲线 Fig．8Axialloadvelfsu8extremefiberstrainsat mid-heightofthetestedspecimem 图9所示为全部偏压试件的荷载与相对压缩率 (z3／L)的关系曲线。其中，相对压缩率本文定义为 柱端百分表测得的试件整体压缩变形值(△)除以试 件长度(￡)。从中可以看出，随着构件长细比的增 大，其相对压缩率有减小的趋势；同时随着构件偏心 率的增大，其相对压缩率有增大的趋势。同时还可以 看出，随着构件长细比和偏心率的增大，其刚度和极 限承载力都有下降的趋势，且偏心率较大的构件在达 到极限荷载后较偏心率较小的试件表现出更平缓的下 降段。 720 540 蚕360 乏 180 0 720 540 堇360 乏 180 0 O 5000 1000015000 4化(×lo’ (b) 图9相对压缩率和荷载关系曲线 Fig．9Axialloadvel暑u8nominalcompression ratiorelationships 根据以上试验现象和分析结果可以看出，在本次 试验参数范围内，圆中空夹层钢管混凝土偏压构件在 试验时表现出的工作行为与实心的圆钢管混凝土基本 类似[4]。 3荷载一变形关系分析 要对中空夹层钢管混凝土轴压和偏心受压构件进 行荷载一变形全过程关系的分析，首先必须确定其钢 材和混凝土的应力一应变关系模型。 文献[4]在确定组成圆钢管混凝土的钢材和核 筲∞砒 ∽ 万方数据万方数据 第37卷第10期 陶忠等·圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究 ·47· 心混凝土应力一应变关系模型的基础上，利用数值解 法成功地计算出圆钢管混凝土轴心受压时的荷载一变 形全过程关系曲线，计算结果和试验结果二者吻合良 好，较为深入地认识了其力学性能。本文暂采用文献 [4]提供的钢材和核心混凝土的应力一应变关系模型 来分析圆中空夹层钢管混凝土轴压和偏压构件的荷载 一变形关系。 钢材的应力(仃)一应变(￡)关系采用二次塑 流模型，参见文献[4]。 核心混凝土受压时采用如下纵向应力(仃)一应 变(e)关系表达式： Y=石一菇2 (菇≤1) (1a) r1+g·(茗仉坨一1)(}≥1．12) y2{雨缶(◇1．12)h州)(¨)l口．(戈一1)2+戈、b，1‘ 式中，菇=e／eo，Y=a／ao，￡o和口。分别为混凝土峰 值点的应变及其对应的应力[41；参数9和卢的确定方 法参见文献[4]；}为约束效应系数HJ，对于圆中空 夹层钢管混凝土，；=a。fro魄=A。^／A。Lk，A。和 ．厂忡分别为外钢管的截面面积及其屈服强度，a。为名 义含钢率，口。=A。／A。，A。为外钢管截面内部所包 含的空隙面积，．几为混凝土抗压强度，对于普通强度 混凝土，Lk=O．67fo,。 在确定了钢材及核心混凝土应力一应变关系模型 的基础上，即可利用数值方法方便地进行圆中空夹层 钢管混凝土轴压和偏压构件的荷载一变形关系全过程 分析。 3．1轴压构件 在对圆中空夹层钢管混凝土轴压构件的N-e关系 进行全过程分析时，采用了如下假设： (1)钢和混凝土之间无相对滑移； (2)由于内钢管对混凝土的支撑作用，中空夹层 钢管混凝土与具有相同外钢管的实心钢管混凝土其二 者的核心混凝土所受到的约束作用相同。 (3)内、外钢管钢材的应力一应变关系按文献 [4]提供的模型来进行计算；受压混凝土的纵向应力 一应变关系按式(1)确定。 计算轴压构件的N-e关系时，考虑构件在受力过 程中的内外力平衡条件和变形协调条件，给定一个纵 向应变增量den’可求得本步应变值eLf+l=eli+deli (￡。i为前一步应变)，由钢材和混凝土的应力一应变关 系可分别求得对应的纵向应力玎“+。和仃州+，，根据 钢材和混凝土的应力计算内力Ⅳ。和Ⅳ。，由此得Ⅳ 值。这样就可得Ⅳ和￡的一组值，依此类推，可得 到圆中空夹层钢管混凝土轴心受压时的荷载一变形关 系曲线。具体计算过程参见文献[4]。 图10给出了利用上述方法预测的轴压构件N-e 关系曲线和试验结果的对比情况。可见，除钢管径厚 比较大或空心率较大的试件，由于其钢管的局部凸曲 发生较早，因而计算曲线的下降段和试验曲线稍有差 别外，二者吻合整体较好。 (b) (d) 图10轴压构件N-s关系曲线理论计算 与试验结果对比 Fig．10Comparisonsbetweenpredictedand experimentalCUYVe$ofN-etUlleS 图11对理论计算的轴压构件极限承载力(Nd) 和试验结果(Ⅳ。。)进行了对比，Ⅳ。。为试验实测荷载 万方数据万方数据 土木工程学报 2004芷 一变形关系曲线上的峰值荷载。同时，表1列出了不 同构件二者的比值(Ⅳ。。／Ⅳ。。)，Ⅳ。。／Ⅳ。的平均值为 0．933，方差为0．031，可见理论计算结果和试验结果 二者基本吻合。 至 ≮ 乏 趔 琳 盘 强 剐 0ij影i≯㈡一 0 7001400210028003500 试验值N。(kN) 图11轴压构件承载力理论计算结果与试验结果比较 Fig．11 Comparisonofcalculateds讹nsthbetween IYlecllanicsmodelandtestsforstubcolumns 3．2偏压构件 对于偏压构件，计算其荷载一变形关系曲线时采 用了如下假设： (1)圆中空夹层钢管混凝土内、外钢管钢材的应 力一应变关系按文献[4]提供的模型来进行计算； 受压区混凝土的应力一应变关系按式(1)确定；忽 略混凝土对抗拉的贡献； (2)钢和混凝土之间无相对滑移，构件截面在变 形过程中始终保持为平截面； (3)忽略剪力对构件变形的影响； (4)构件挠曲线为正弦半波曲线，且考虑构件存 在千分之一杆长的初挠度。 在进行构件荷载一变形关系计算时，首先将构件 跨中截面分为n个单元，包括内、外钢管截面单元 和混凝土单元。图12所示为截面的单元划分简图和 截面应变分布图。 ‘ 钢单元／『—一 移 瓢 ． 8II 镧 yi b?x一坩7／I ’ ＼混凝土单元 图12截面单元划分简图和截面应变分布示意图 Fig．12Sectiondiscrefizafionanddistributionofstrains 给定构件跨中初始挠度值配。，根据假设(4)， 构件的挠曲线方程可以表示为 Y=Ⅱ。sin争 (2) 由此可确定构件跨中截面曲率为 声=鲁配。 (3) 根据假设(2)，跨中截面上每个单元形心处的应 变值可表示为 ei=￡o+{5yi (4) 式中，e。为跨中截面形心处的应变；Yi为计算单元 形心处的坐标值。 确定了每个单元形心处的应变值后，根据假设 (1)确定的钢材和混凝土的应力一应变关系，即可分 别计算出内、外钢管单元形心处的应力盯州、盯“和 混凝土单元形心处的应力盯“。 由此可得内弯矩M蛔为 MiII=∑(‰‰YfdA州+O'si,iY州dA¨+ a。,sY“dA“) (5) 内轴力Ⅳ缸为 虬=∑(d舳'fdA州+O'si,idA州+O'c,idA州)(6) 通过调整e。，使得构件满足以下内外力平衡条 件： 篾N N№。ⅧJ) (7)in= J 由此可得^LM。的一组值。 按照上述方法，在计算过程中不断增大u。值， 即可计算出圆中空夹层钢管混凝土偏压构件的荷载一 变形关系曲线。 图13所示为偏压构件典型的肚“。关系曲线，一 般可分为三个阶段： O 图13偏压构件典型N-u。关系曲线 Fig．13TypicalN-u。curv鹤 (1)弹性阶段(OA)。A点处外钢管最大纤维压 应力达比例极限。 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ O " 嬲 烈 H ， 万方数据万方数据 第37卷第10期 陶忠等·圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究 ·49· (2)弹塑性阶段(AB)。随长细比和偏心率的不 同，B点对应的外钢管最大纤维压应力可达屈服点或 进入弹塑性段，截面稍有塑性发展区。 (3)下降段(Bc)。由于二阶效应的影响，构件 进入下降段，此时跨中截面外钢管屈服区不断向内发 展，截面部分发展塑性。 图7中以粗实线的形式绘出了全部偏压构件的 N-u。关系计算曲线，可见和试验结果基本吻合。 图14所示为理论计算的偏压构件极限承载力 (Ⅳd)和试验结果(Ⅳ。)的对比，同时，表2列出 了不同构件二者的比值(Ⅳ。。，Ⅳ。)，Ⅳd，Ⅳ。的平均值 为1．043，方差为O．038，可见理论计算结果和试验结 果二者吻合良好。 雪 ≮ 童 撤 ：b 愆 剐 0 200 400 600 800 试验值Jv。(kN) 图14偏压构件承载力理论计算结果 与试验结果比较 Fig．14Comparisonofcalculateds眦rlgtllbetween mechanicsmodelandteatsforbeam-columm 4承载力实用验算方法 荷载一变形关系全过程分析虽然能从理论上较为 准确地描述圆中空夹层钢管混凝土轴压和偏压构件的 工作性能，但计算显得较为复杂，计算方法也不便于 实际应用，有必要提供轴压和偏压构件承载力的简化 计算方法。 对实心圆钢管混凝土，文献[4]利用数值方法 对其压弯构件的极限承载力进行了大规模的参数分 析，提出了实用计算公式，计算结果得到大量实验结 果的验证。 文献[4]提出的圆钢管混凝土轴压构件强度承 载力计算公式如下： N。=A。·厶 (8) d．， 式中，厶=(1．14+1．02})‘兀，f=寻等，A。为 ‘‘c J雌 构件的横截面面积；A。和A。分别为钢管和核心混凝 土横截面面积；兀为混凝土抗压强度指标，对于普通 强度混凝土，兀=0．67氏。 对于圆钢管混凝土抗弯强度承载力，文献[4] 给出的计算公式如下： M。=7。·形。·厶 (9) 式中，y。=1．1+O．481n(；+0．1)；形。为截面抗弯 模量，形一=7cD3／32，D为钢管外直径。 对于圆钢管混凝土压弯构件承载力，文献[4] 给出的计算公式如下： 当N／N。≥293·'7。时 19·甓+E(若)_1(10Nd M a)·一‘一‘I—J=_ 月J9 u’ 、u7—1 ⋯ 当N／N。<2P3·'7。时 _6．(甓)2_c．(甓)+吉·(甏)-1(10b) 热川嘞2Ⅶm筠一鼍掣； d=1一o．4·(芋)； NE=7c2·E。·，一／￡2为欧拉临界力H1；}。=1+ 0．18；。115； f0．5—0．245·善 (善≤0．4) 叩。210．1+o．14．r阱(◇o．4) 式(10)中，够为圆钢管混凝土轴压稳定系数， 可按下式计算： 9= (A冬A。) (A。Ap) 式中，系数口：卫L塑共兰鼍≮≯』立；6：e一2．口 ＼^P一^o／ ‘Ap；c=1一。‘A：一b·；to；e2i菏；d2 [13000+蜘·In(2，v35)j‘(番)03·(南)005㈡ 和A。分别为构件弹性失稳和弹塑性失稳的界限长细 比‘4|。 文献[14]分析了不同参数对圆中空夹层钢管混 凝土构件力学性能的影响，发现不同截面空心率情况 下钢材强度(工)、混凝土强度(^=0．6讥)、名义 含钢率(口)、偏心距(e)和构件长细比(A)是其 中的主要影响参数，其影响规律与实心圆钢管混凝土 类似。在文献[4]提出的圆钢管混凝土构件承载力 计算公式的基础上，本文给出了适用于圆中空夹层钢 管混凝土构件的承载力验算公式。其适用范围为：混 O O 0 O O 鲫 ∞ ∞ 加 、^ 一2 ● 一-) 1 6 d一． + 一．。≥ ．r ～0 万方数据万方数据 ．50· 土木工程学报 2004年 凝土强度等级C30一C60、钢材强度等级Q235一Q390、 名义含钢率0．05—0．20、空心率。一0．75以及长细比 为IO一150。 图15绘出了在不同偏心距和长细比情况下的圆 中空夹层钢管混凝土构件典型的N／N。一M／M。相关 曲线，可以看出，其和实心圆钢管混凝土的曲线非常 类似H’1引。 图15中，Ⅳ。和M。分别为圆中空夹层钢管混凝 土构件的轴压承载力和抗弯承载力，Ⅳu可按下式计 算㈨： N。=A—0+A。i^ (12) 式中，A。=A。+A。，A¨A。分别为外管和混凝土 的横截面面积；厶为外钢管及其核心混凝土的组合 轴压强度，厶=C，Z2‘f,o+c2(1．14+1，02f)’^， 善=口。厶饥=A。厶／A。^，a。为名义含钢率，口。= A。M。，A。为外钢管截面内部所包含的空隙面积， c1、C2为计算系数，Cl=a／(1+口)，C2=(1+ 12。)，(1+a。)，12为截面实际含钢率，a=A。／A。； A。为内钢管截面面积。 1．2 1．O 0．8 毫0．6 乏 O．4 0．2 O．0 O．O0．2 0．4 0．6 0．芍1．01．2 1．4 M／M。 图15Ⅳ，肌一肼，眠相关关系 Fig．15NI札一MIM。interactionCUl'Ve8 M。可按下式计算[14|： M。=y。职√■+形d^ (13) 式中，k为抗弯承载力计算系数，y。=1．1+0．481n (车+0．1)；吧为外钢管及其核心混凝土的组合抗弯 模量，形一=兀(D。4一Di4)／(32D。)；W。为内钢管 截面抗弯模量，矾=7c[Di4一(Di一2ti)4]／(320i)。 利用前述荷载一变形数值分析方法，文献[14] 对圆中空夹层钢管混凝土轴压和偏压构件进行了大量 的参数分析，根据分析结果，发现利用式(12)和式 (10)可以验算圆中空夹层钢管混凝土轴压和压弯构 件的承载力n4|，其中式(10)的Ⅳ。和M。可分别按 照式(12)和式(13)进行计算。 利用式(12)和式(10)所示的简化计算方法对 本次轴压和偏压试验构件分别进行了验算，计算出的 简化承载力(Ⅳ＆)和试验结果(Ⅳ。。)二者的对比情 况如图16所示，在表1和表2中列出了Ⅳ以的具体计 算值。对于轴压构件，其与Ⅳ。二者比值的平均值为 0．944，均方差为0．034；对于偏压构件，其与Ⅳ。。二 者比值的平均值为0．959，均方差为O．069。可见简化 计算结果和试验结果二者基本吻合。 试验值Ⅳ。(kN) (a)轴压构件(Stubcolumns) 0 200 400 ．600 800 试验值N—kN) (b)偏压构件(Beam·columns) 图16承载力简化计算结果与试验结果比较 Fig．16ComparisonofcalculatedstreIlgt,hbetween simplifiedmodelandtests 5结 语 在本文研究结果的基础上可得到如下结论： (1)在本次试验参数范围内，圆中空夹层钢管混 凝土轴压构件的延性随钢管径厚比的增大而减小，当 钢管径厚比达到100时，其在到达极限承载力以前钢 管就发生了局部凸曲，因而有必要开展进一步深入的 研究，以避免这种现象的发生。 (2)当截面空心率小于0．5时，轴压构件的力学 性能与实心圆钢管混凝土类似，当空心率进一步增大 ∞ ∞ ∞ ∞ O 8 6 4 2 雪v≈之帮琳基错剐 ^，邑≈之犟琳基智嘟 万方数据万方数据 第37卷第10期 陶忠等·圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究 ·51· 时，构件延性的降低较为明显。 (3)长细比和荷载偏心率对圆中空夹层钢管混凝 土偏压试件的承载力和刚度都有较大的影响，整体而 L7J 言，其影响规律及该类构件的力学行为与实心圆钢管 混凝土偏压构件类似。 (4)在确定了组成圆中空夹层钢管混凝土的钢材 M 及核心混凝土应力一应变关系模型的基础上，利用数 值解法计算了圆中空夹层钢管混凝土轴压和偏压构件 的荷载一变形关系全过程曲线。理论计算结果与试验 结果基本吻合。 [9] (5)提供的圆中空夹层钢管混凝土轴压和压弯构 件承载力的实用验算公式与试验结果二者基本吻合， 可为有关工程实践提供参考。 L1Uj 参考文献 蔡绍怀．现代钢管混凝土结构[M]．北京：人民交通 出版社．2003 蒋家奋，汤关祚．三向应力混凝土[M]，北京：中国铁 道出版社．1988 钟善桐．钢管混凝土结构(第三版)[M]．北京：清华 大学出版社．2003 韩林海．钢管混凝土结构一理论与实践[M]．北京： 科学出版社．2004 陶忠，韩林海．中空夹层钢管混凝土的研究进展[J]． 哈尔滨工业大学学报(增刊)．2003，35：144～146 S．Wei，S．T．Mau，C．Vipulanandan，S．K．Mantrala． PerformanceofNewSandwichTubeunderAxialLoading：Ex- [12] [13] [14] periment[J]．JoumalofStructuralBlgilleE洒119．1995，121 (12)：1806～1814 S．W西，S．T．Mau，C．Vipulanandan，S．K．Nantmla． PerformanceofNewSandwichTubeunderAxialLoading： Analysis[J]．JoumalofStructuralEngineering．1995，121 (12)：1815～1821 X．L．Zhao。R．Grzebieta，M．Elchalslami．TestsofCon． crete-FilledDoubleSkinCircularHollowSectiom[P]．First Inter．Confer．OilSteel&CompositeStructures．Pusan．Ko- tea，June，2001：283～290 H．W,ight，T．Oayemi，H．R．Evans．TheExperimental BehaviorofDoubleSkinCompositeElements[J]．Journalof ComtruetionalSteelResearch．1991，19：91～110 Ya西shita，H．Kitoh，M．Sugimoto，T．Tanihira，K． Sonoda．DoubleSkinCompositeTubularColumnsSubjectedto CyclicHorizontalForceandConstantAxialForce[PJ．Proc． of6thInter．Confer．onSteelandConcreteCompositeStrue- tures．USA，Apr．，2000-"497～503 蔡克铨，林育详，林敏郎．中空双钢管混凝土柱与基础 结合之试验行为[P]．第二届海峡两岸及香港钢结构 技术交流会．中国，台北，2001：77～88 蔡绍怀，焦占拴．复式钢管混凝土柱的基本性能和承 载力计算[J]．建筑结构学报．1997，18(6)：20～25 陶忠，韩林海，黄宏．方中空夹层钢管混凝土偏心受压 柱力学性能的研究[J]．土木工程学报．2003，36(2)： 27，、，34 韩林海，陶忠，黄宏．中空夹层钢管混凝土构件力学性 能的研究[R]．福州大学科研

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．2002 陶忠博士，副研究员，硕士生导师。主要从事组合结构方面的研究工作。发表

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30余篇，曾获国家军队科技进步三 等奖一次。通讯地址：3501102福建省福州市工业路523号福州大学土木建筑工程学院 韩林海教授，博士生导师。从事组合结构和建筑结构防火等方面的研究工作。在国内外学术刊物上发表论文100余篇，曾 获国家教育委员会科技进步一等奖等科技奖励数次。 黄宏博士研究生，从事组合结构方面的研究工作。 篁望篁篁望望塑望墼望塑篁鲨望望箜望鳖墼望篁望望氅望望望望篁望望竖篁篁望竖篁篁篁篁篁篁篁篁篁望竖望篁 (上接第18页) 参考文献 Hillerl)orgA．Analysisofcrackformationandcrackgrowthin concl呛tebyn砣目nsoffmeturemechanicsandfiniteelements． Cement删ConcreteResearch，1976，6：773—782 JenqYS．andShahSP．Two弘啦mle嘧fracturemodelfor concl℃te．J．ofEng．Meeh．，ASCE，1985，111(10)：1227 ，、一1241 KaIihalooBLandNal】atll锄bjP．F强eeiivecreekmodelforthe determinationof确ctu弛toughness醚ofconcrete．Engineering FractureMechanics，1990，35(4／5)：637～645 BI涨ZP．Determinationoffracturepropertiesfromsizeeffect tests．J．ofStruet．Eng，ASCE，1986，112(2)：289～307 XuSandReinl恤rdtHW．Detemmmtionofdouble-Kcriterion forcrackpropagationinquasi—brittlefracture，PartI：刚一 mentalinvesti鲥onofcrackpml删on，1999，98：1ll。 149 Nallatl枷僦PandKa汕a】00BLarMiHe毗onBS．础№tof specimenandcmeksizes，water／cementratioandCOal皓eag— gregatetextureuponfractureto啦炳ofconcrete．M哪廊of ConcreteResearch，1984，36(129)：227—236 Bltj．1mtZP．Analysisofwork-of-fracturemethodformeasuring fr扯tureenergyofconcrete．JournalofErlgir脱抽gMeellanies， 1996，122(2)：138～144 (下转第91页) ]J 1，J 1J 1j]J 1J n 眨 b ■ $ 陆 万方数据万方数据 圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究 作者： 陶忠， 韩林海， 黄宏 作者单位： 福州大学 刊名： 土木工程学报 英文刊名： CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL 年，卷(期)： 2004,37(10) 被引用次数： 16次 参考文献(14条) 1.蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 2003 2.蒋家奋;汤关祚 三向应力混凝土 1988 3.钟善桐 钢管混凝土结构 2003 4.韩林海 钢管混凝土结构-理论与实践 2004 5.陶忠;韩林海 中空夹层钢管混凝土的研究进展[期刊论文]-哈尔滨工业大学学报 2003(Z1) 6.S Wei;S T Mau;C Vipulanandan;S K Mantrala Performance of New Sandwich Tube under Axial Loading:Experiment 1995(12) 7.S Wei;S T Mau;C Vipulanandan;S K Mantrala Performance of New Sandwich Tube under Axial Loading:Analysis 1995(12) 8.X L Zhao;R Grzebieta;M Elchalakani Tests of Concrete-Filled Double Skin Circular Hollow Sections 2001 9.H Wright;T Odyemi;H R Evans The Experimental Behavior of Double Skin Composite Elements 1991 10.Yagishita H;Kitoh M;Sugimoto T;Tanihira, K Double Skin Composite Tubular Columns Subjected to Cyclic Horizontal Force and Constant Axial Force 2000 11.蔡克铨;林育详;林敏郎 中空双钢管混凝土柱与基础结合之试验行为 2001 12.蔡绍怀;焦占拴 复式钢管混凝土柱的基本性能和承载力计算 1997(06) 13.陶忠;韩林海;黄宏 方中空夹层钢管混凝土偏心受压柱力学性能的研究[期刊论文]-土木工程学报 2003(02) 14.韩林海;陶忠;黄宏 中空夹层钢管混凝土构件力学性能的研究 2002 本文读者也读过(10条) 1. 陶忠.韩林海.黄宏 方中空夹层钢管混凝土偏心受压柱力学性能的研究[期刊论文]-土木工程学报2003,36(2) 2. 陶忠.韩林海 中空夹层钢管混凝土的研究进展[期刊论文]-哈尔滨工业大学学报2003,35(z1) 3. 黄宏.陶忠.韩林海.Huang Hong.Tao Zhong.Han Linhai 圆中空夹层钢管混凝土纯弯力学性能研究[期刊论文]- 工业建筑2006,36(11) 4. 黄宏.韩林海.陶忠.HUANG Hong.HAN Linhai.TAO Zhong 方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能研究[期刊论文]-建 筑结构学报2006,27(2) 5. 李恋恋.赵均海 圆中空夹层钢管混凝土柱的承载力分析[会议论文]-2007 6. 赵均海.郭红香.魏雪英.ZHAO Jun-Hai.GUO Hong-xiang.WEI Xue-ying 圆中空夹层钢管混凝土柱承载力研究[期 刊论文]-建筑科学与工程学报2005,22(1) 7. 陶忠.韩林海 中空夹层钢管混凝土的研究进展[会议论文]-2003 8. 杨俊杰.徐汉勇.彭国军.Yang Junjie.Xu Hanyong.Peng Guojun 八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能 的研究[期刊论文]-土木工程学报2007,40(2) 9. 黄宏.韩林海 方中空夹层钢管混凝土轴压强度承载力计算[期刊论文]-哈尔滨工业大学学报2003,35(z1) 10. 尧国皇.黄用军.宋宝东.Yao Guohuang.Huang Yongjun.Song Baodong 钢管初应力对中空夹层钢管混凝土轴压 与抗弯力学性能影响的研究[期刊论文]-钢结构2008,23(6) 引证文献(18条) 1.聂建国.廖彦波 双圆夹层钢管混凝土柱轴压承载力计算[期刊论文]-清华大学学报（自然科学版） 2008(3) 2.徐汉勇.杨俊杰 圆中空夹层钢管混凝土柱的受箍作用分析[期刊论文]-浙江工业大学学报 2006(1) 3.黄宏.陶忠.韩林海 圆中空夹层钢管混凝土柱轴压工作机理研究[期刊论文]-工业建筑 2006(11) 4.许法生.张品元.陈永其 圆中空夹层钢管混凝土轴压短柱几何尺寸效应的研究[期刊论文]-浙江建筑 2006(6) 5.何怡群.杨俊杰 PVC-U内管的八边形中空夹层钢管混凝土柱极限承载力的试验研究[期刊论文]-浙江工业大学学报 2011(5) 6.廖彦波.聂建国.杨进 双圆夹层钢管混凝土在钻井隔水导管中的应用[期刊论文]-钢结构 2008(12) 7.杨俊杰.高子瑶.吴祖成 八边形中空夹层钢管混凝土偏心受压柱的试验研究[期刊论文]-工业建筑 2009(3) 8.尧国皇.黄用军.宋宝东 钢管初应力对中空夹层钢管混凝土轴压与抗弯力学性能影响的研究[期刊论文]-钢结构 2008(6) 9.夏玲涛.徐汉勇 八边形中空双钢管混凝土短柱力学性能的非线性分析[期刊论文]-四川建筑科学研究 2012(4) 10.黄宏.黄诚.陈梦成 圆中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能的有限元分析[期刊论文]-钢结构 2010(12) 11.Junjie YANG.Hanyong XU.Guojun PENG Behavior of concrete-filled double skin steel tubular columns with octagon section under axial compression[期刊论文]-中国高等学校学术文摘·建筑与土木工程 2008(3) 12.杨俊杰.徐汉勇.彭国军 八边形中空夹层钢管混凝土轴压短柱力学性能的研究[期刊论文]-土木工程学报 2007(2) 13.陶忠.王志滨.韩林海 矩形冷弯型钢钢管混凝土柱的力学性能研究[期刊论文]-工程力学 2006(3) 14.毛波.扶名福.谢帮华.冷浩然 圆套圆夹层钢管纳米混凝土受力与强度分析[期刊论文]-南昌大学学报（工科版） 2009(3) 15.卢方伟.陈建斌.李四平.李大望 非等壁厚矩形钢管混凝土构件抗弯力学性能的试验研究[期刊论文]-工业建筑 2008(3) 16.卢方伟.刘晓.李四平.孙国钧 中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究[期刊论文]-公路交通科技 2007(5) 17.张玉芬.赵均海.李小伟 基于统一理论的复式钢管混凝土轴压承载力计算[期刊论文]-西安建筑科技大学学报(自 然科学版) 2009(1) 18.朱美春 钢骨-方钢管自密实高强混凝土柱力学性能研究[学位论文]博士 2005 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tmgcxb200410006.aspx