第32卷第5期
2004年10月福州大学学报(自然科学版)JournalofFuzhouUniversity(NaturalScience)Vol.32No.5Oct.2004
文章编号:1000-2243(2004)05-0608-06
钢管混凝土结构设计规程比较
杨有福
(福州大学土木建筑工程学院,福建福州 350002)
摘要:对我国颁布的钢管混凝土结构设计规程中的某些条款进行了比较,包括:CECS28:90(1992),DL T
5085-1999(1999),GJB4142-2000(2001)和DBJ13-51-2003(2003).重点比较了各规程在计算钢管混凝土
压弯构件轴力—弯矩相关曲线及承载力时的差异.本文的结果可供有关工程实践参考.
关键词:钢管混凝土;结构;设计规程;承载力;刚度
中图分类号:TU398.9文献标识码:A
Comparisonofdesigncodesforconcrete-filledsteeltubularstructures
YANGYou-fu
(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China)
Abstract:Thedesigncodes,orrecommendations,forconcrete-filledsteeltubularstructures,which
arepublishedinChina,includingCECS28:90(1992),DL T5085-1999(1999),GJB4142-2000
(2001)andDBJ13-51-2003(2003)arecomparedinsomeitems.Theaxialload-momentinterac-
tioncurvesareplottedonthebeam-columnsbynumericalcalculationsbasedonthosecodes,thebear-
ingcapacitiesgivenbytheinteractioncurvesarealsocompared.Theresultsmaybereferencedforprac-
ticalengineering.
Keywords:concrete-filledsteeltube;structure;designcodes;bearingcapacities;stiffness
自上个世纪五六十年代以来,我国学者进行了大量钢管混凝土力学性能和设计方法方面的研究工作.特别是近十几年来取得了令人瞩目的成就
[2][3][1],已先后由中国工程建设标准化协会、国家经济贸易委[4][5]员会、中国人民解放军总后勤部和福建省建设厅颁布发行了有关设计规程,分别为CECS28:90(1992)、DL T5085-1999(1999)、GJB4142-2000(2001)和DBJ13-51-2003(2003).其中,前两部是关于圆形截面钢管混凝土的设计规程,第三部是关于方形截面钢管混凝土的设计规程,最后一部则同时包括了圆形截面钢管混凝土和方、矩形截面钢管混凝土.近年来,钢管混凝土的研究与应用出现了如下趋势:①钢管薄壁化;②钢材和混凝土高强化.规程DBJ13-51-2003(2003)根据钢管混凝土结构发展的需要,提出了更加全面和完整的钢管混凝土结构设计公式.此外,国内目前由中国标准化协会组织编制《矩形钢管混凝土结构技术规程》,国家规范也正在编制之中.
对规程CECS28:90(1992)、DL T5085-1999(1999)、GJB4142-2000(2001)和DBJ13-51-2003(2003)中的某些条款进行了比较,并比较了各规程在计算钢管混凝土压弯构件轴力(N)—弯矩(M)相关曲线及承载力时的差异,期望能够给工程设计人员提供一些有益的参考.[5][2][3][4][5]
1 规程比较
1.1 材料强度范围
各规程规定的材料强度范围如表1和表2所示.
收稿日期:2003-11-18-),男,博士,.
第5期杨有福:钢管混凝土结构设计规程比较
表1 钢材屈服强度范围
Tab.1 Rangeofyieldingstrengthofsteel·609·
规 程
屈服强度fy/N·mm-2CECS28:90235～390DL T5085-1999235～390GJB4142-2000235～390DBJ13-51-2003235～420 注:表中均为第一组钢材时的取值,当采用第二、三组钢材时,应乘以相应的换算系数[5]
表2 混凝土强度范围
Tab.2 Rangeofstrengthofconcrete
规 程
混凝土强度fcu N·mm-2CECS28:9030～60DL T5085-199930～80GJB4142-200030～60DBJ13-51-200330～90
1.2 含钢率范围
为了保证混凝土浇灌质量和钢管的焊接质量,各规程规定了最小含钢率,或最小截面尺寸,或最小钢管壁厚;限制含钢率的最大值主要是从经济性的角度来考虑的,各规程中有关参数的范围为:
1)CECS28:90(1992):截面外直径D≥100mm,钢管壁厚t≥4mm,套箍指标0.3≤θ≤3;
[3]2)DL T5085-1999(1999):截面外直径D≥100mm,钢管壁厚t≥4mm,含钢率α04～0.2;s为0.
3)GJB4142-2000(2001):截面外边长B≥200mm,钢管壁厚t≥4mm,含钢率α04～0.2;s为0.
4)DBJ13-51-2003(2003):圆钢管最小外直径或矩形钢管最小外边长D(B)≥100mm,钢管壁厚t≥4mm,含钢率αs为0.04～0.2,约束效应系数ξ为0.3～4.
上述各关系中,套箍指标θ=fyAs fckAc,含钢率αAc,约束效应系数ξ=αfck,fy为钢s=As sfy
材屈服强度,fck为混凝土抗压强度标准值,As和Ac分别为钢管和核心混凝土的横截面面积.
1.3 D t或B t限值
对钢管的D t或B t值进行限制,主要是防止钢管过早发生局部屈曲.已有研究结果证明,对于钢管混凝土构件,由于核心混凝土的存在,钢管壁的局部屈曲问题不象钢结构那样突出.日本设计规程AIJ(1997)规定,钢管混凝土构件中钢管的径厚比D t(对于圆钢管混凝土)和截面宽厚比B t(对于方钢管混凝土)最大取值大致是相应空钢管限值的1.5倍.Tsuda和Matsui(1998)进行了34个钢管混凝土轴心受压短试件的实验研究.构件截面有圆形和方形两种,变化的参数是D t(=37,52,72,103和138)和B t(=25,33,47,65和94).研究结果表明,AIJ(1997)的有关规定基本合理.对于我国的设计规程,目前只有福建省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》DBJ13-51-2003(2003)建议“钢管的外直径或最大外边长与壁厚之比不得大于无混凝土时相应限值的1.5倍”.各规程对D t或B t的限值如表3所示.
表3 D t或B t限值
Tab.3 UpperlimitofD torB tratio
规程
限值CECS28:9020～85yDL T5085-199920～100GJB4142-2000B t≤40yDBJ13-51-2003圆形:D t≤150·(235 fy)
方、矩形:B t≤60y[7][6][5][4][2]
注:fy为钢材屈服强度
1.4 抗弯刚度
由于钢管混凝土是由钢和混凝土两种材料组成,钢管混凝土在弯矩的作用下,混凝土会因为受拉而退出工作.因此,在计算刚度时应合理考虑混凝土对刚度的贡献,国外设计规程一般都是将部分混凝,即EIsIs+acIcEs和,
·610·福州大学学报(自然科学版)第32卷Is和Ic分别为钢材和混凝土的截面惯性矩,a为一小于1的系数.我国各规程对抗弯刚度的规定为:
1)规程CECS28:90(1992):EI=Es·Is+Ec·Ic.
2)规程DL T5085-1999(1999):组合抗弯弹性模量Escm=k2·Esc.Esc为组合轴压弹性模量,Esc=fscp εscp,fscp=[0.192·(fy 235)+0.488]·fscy,εscp=0.67fy Es,k2为与混凝土强度和含钢率有关的系数,fscy为轴压强度承载力指标.
3)规程GJB4142-2000(2001):组合抗弯弹性模量Escm=k2·Esc.Esc为组合轴压弹性模量,Esc=fscp ε263·(fy 235)+0.365·(20 fck)+0.104)·fscy,ε62fy Es,k2为与混凝土强scp,fscp=[0.scp=0.
度和含钢率有关的系数,fscy为轴压强度承载力指标.
4)规程DBJ13-51-2003(2003):EI=EsIs+a·EcIc.系数a的确定方法是:对于圆钢管混凝土,a=0.8;对于方、矩形钢管混凝土,a=0.6.
1.5 强度承载力计算方法
1)规程CECS28:90(1992):基于套箍混凝土理论,认为钢管对核心混凝土的约束作用与螺旋箍筋的作用类似.通过对实验结果的分析整理,强度承载力No和抗弯承载力Mo采用表达式:No=fc·Ac·(1+θ,θ fc·Ac为套箍指标设计值,0.3≤θMo=0.4·Nu·rc,rc为o+θo)o=f·Aso≤3;
核心混凝土的半径,Nu为考虑长度影响的构件轴压承载力.
2)规程DL T5085-1999(1999):通过套箍系数设计值(ξ考虑钢管和混凝土之间的相互作用,o)
强度承载力No和抗弯承载力Mo的表达式是基于大规模的参数分析结果确定的.No=fsc·Asc=(1.212+ηsξo+ηcξo)·fc·Asc,ηs=0.1759f 215+0.974,ηc=-0.1038fc 15+0.0309,ξo=αsf fc,αs=As Ac;Mo=γm·Wsc·fsc,γm为构件截面抗弯塑性发展系数,当ξ≥0.85时,γm=1.4,当ξ
3)规程GJB4142-2000(2001):通过约束效应系数(ξ考虑钢管和混凝土之间的相互作用,强度o)
承载力No和抗弯承载力Mo的表达式是基于大规模的参数分析结果确定的.No=fsc·Asc=(1.212+αξ·fc·Asc,α=0.1381f 215+0.7646,β=-0.0727fc 15+0.0216,ξfc,αAc;o+βξo)o=αsf s=As Mo=γ-0.2428·ξ+1.4103,ξ为约束效应m·Wsc·fsc,γm为构件截面抗弯塑性发展系数,γm=
系数标准值,Wsc为构件截面抗弯模量,Wsc=B 6,fsc为组合轴压强度设计值.
4)规程DBJ13-51-2003(2003):通过约束效应系数(ξo)考虑钢管和混凝土之间的相互作用,强度承载力No和抗弯承载力Mo的表达式是基于大规模的参数分析结果确定的.No=fsc·Asc,对于圆钢管混凝土:fsc=(1.14+1.02ξo)·fc,对于方、矩形钢管混凝土:fsc=(1.18+0.85ξo)·fc,ξo=αsf fc,α Ac;Mo=γγ1+s=Asm·Wsc·fsc,γm为构件截面抗弯塑性发展系数,对于圆钢管混凝土:m=1.0.48·ln(ξ+0.1),对于方、矩形钢管混凝土:γ04+0.48·ln(ξ+0.1).m=1.
以上各方法中,f为钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值,fc为混凝土抗压强度设计值.
1.6 长柱的定义
B;当钢管混凝土柱的长细比(λ,对于圆钢管混凝土,λ=4L D;对于方钢管混凝土,λ=23L
对于矩形钢管混凝土绕强轴弯曲,λ=23L D,绕弱轴弯曲,λ=23L B)满足表4中规定的条件时,要考虑二阶效应的影响.
[5]此外,与其它三部设计规程相比,规程DBJ13-51-2003(2003)还增加了一些内容:①规定了长
期荷载作用下承载力的验算方法;②给出了由于施工引起的钢管初应力对钢管混凝土承载力影响的计算方法;③提供了钢管混凝土柱耐火极限、火灾后承载力和防火保护层设计方法;④给出钢管混凝土工[5]32[4]32[3][2][5][4][3][2]
第5期杨有福:钢管混凝土结构设计规程比较
表4 长柱的定义
Tab.4 Definitionofaslendercolumn
规程
定义CECS28:90le D>4DL T5085-1999λ>λo1GJB4142-2000λ>λo2·611·DBJ13-51-2003λ>λo3
注:1)le为构件的有效计算长度
2)λo1,λo2和λo3为钢管混凝土构件弹塑性失稳的界限长细比
λo1=πλo2=π(420·ξ+550) [(1.212+B1·ξ+C1·ξ)·fck],B1=0.1759·(fy 235)+0.974,C1=-0.1038·(fck 20)+0.0309220·ξ+450) [(1.212+B2·ξ+C2·ξ)·fck],B2=0.1381·(fy 235)+0.7646,C2=-0.0727·(fck 20)+0.0216对于圆钢管混凝土:λo3=πckck对于方、矩形钢管混凝土:λo3=π
2 N-M相关曲线比较
采用4部规程对日本研究者所做的部分钢管混凝土偏压构件的实验结果进行了计算,计算时钢材和混凝土的材料分项系数均取为1,基本计算条件为:
22圆钢管混凝土:D×t=165.2×4.08mm,fy=352.8N mm,fcu=50.7N mm;
方钢管混凝土:D×t=149.8×4.27mm,fy=411.6N mm,fcu=39.44N mm.
各规程计算的N-M相关曲线与实验结果的比较如图1和图2所示.可见,对于圆钢管混凝土,CECS28:90和DL T5085-1999的计算结果总体上都比实验结果高,而DBJ13-51-2003的计算结果与实验结果吻合较好.对于方钢管混凝土,GJB4142-2000和DBJ13-51-2003的计算结果与实验结果均吻合较好.
各规程计算结果(Nc)与实验结果(Ne)比值的平均值和均方差如表5所示.可见,各规程均可以较准确预测钢管混凝土构件的承载力,与实验结果符合最好,且离散性最小的是福建省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》DBJ13-51-2003(2003)的计算结果.
表5 Nc Ne值的平均值和均方差
Tab.5 AveragevalueandcoefficientofvariationofNc Ne
截面形式规程
平均值
均方差CECS28:901.0850
.078圆钢管混凝土DL T5085-19991.1030.179DBJ13-51-20030.9810.073方钢管混凝土GJB4142-20001.0310.206DBJ13-51-20031.0170.069[5][4][5][2][3][5]22[8] 图3所示为各规程计算结果(Nc)与实验结果(Ne)的比较情况.
·612·福州大学学报(自然科学版)第32卷
图1 圆钢管混凝土N-M相关曲线
Fig.1 N-Mrelationshipofconcrete-filledcircularsteel
tube
第5期杨有福:钢管混凝土结构设计规程比较·613·
图2 方钢管混凝土N-M相关曲线
Fig.2 N-Mrelationshipofconcrete-filledsquaresteel
tube
图3 承载及计算值与实验值比较
Fig.3 Comparisonofbearingcapacitybetweencalculatingresultsandtestedones
3 结语
对我国颁布的4部钢管混凝土结构设计规程的部分条款进行了比较,说明了各规程的特点.N-M相关曲线与实验结果的比较表明,各规程均可以较准确预测钢管混凝土构件的承载力,与实验结果符合最好的是福建省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》DBJ13-51-2003(2003)的计算结果.参考文献:
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