戴 彬, 唐興榮*, 楊靜明, 陸國琦

(1. 蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215011; 2. 中衡蘇州華造建筑設(shè)計有限公司, 江蘇 蘇州 215021)

由于空間鋼構(gòu)架有一定的承載力和剛度, 使其對核心混凝土具有約束作用, 提高了核心混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力[1-3]; 空間鋼構(gòu)架混凝土柱具有較高的承載力和較好的變形性[4],但在軸向載荷作用下,空間鋼構(gòu)架的弦桿(角鋼)易發(fā)生壓曲,使其軸壓承載力下降．為了改善空間鋼構(gòu)架混凝土柱的軸壓性能,可在空間鋼構(gòu)架混凝土柱內(nèi)埋圓形鋼管,形成內(nèi)埋圓形鋼管空間鋼構(gòu)架混凝土柱, 能有效延緩和抑制混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生,從而使空間鋼構(gòu)架對核心混凝土的約束作用得到充分發(fā)揮[5]．目前國內(nèi)外學(xué)者開展鋼骨-鋼管混凝土組合柱受壓性能試驗研究較多[6-7], 如鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱、鋼管混凝土核心柱以及空間鋼構(gòu)架混凝土柱等,而對內(nèi)埋圓形鋼管空間鋼構(gòu)架混凝土柱的試驗研究和理論分析較少[8]．本文擬對內(nèi)埋圓鋼管空間鋼構(gòu)架混凝土軸壓短柱進(jìn)行試驗和理論研究, 以探求軸壓承載力與內(nèi)部鋼管混凝土套箍指標(biāo)ξ1和外部空間鋼構(gòu)架混凝土約束系數(shù)ξ2之間的關(guān)系．

1 約束機(jī)理

圓形鋼管對核心混凝土的約束作用可用套箍指標(biāo)ξ1表示[9], 空間鋼構(gòu)架對鋼管外混凝土的約束作用可用約束系數(shù)ξ2表示[4-5]; 因此, 在內(nèi)埋圓形鋼管空間鋼構(gòu)架混凝土柱中,存在鋼管對核心混凝土約束和空間鋼構(gòu)架對鋼管外混凝土約束的雙重作用．圖1為內(nèi)埋圓鋼管空間鋼構(gòu)架混凝土軸壓短柱各部分相互作用的截面受力分析．圖中鋼管外徑為D,鋼管厚度為t,綴條截面積為Ass1; 核心混凝土對鋼管均向壓應(yīng)力為σr1, 鋼管外側(cè)混凝土對鋼管擠壓應(yīng)力為σr2, 對空間鋼構(gòu)架壓應(yīng)力為σr3; 鋼管縱向應(yīng)力為σ1, 環(huán)向應(yīng)力為σ2．為簡化計算, 假設(shè)σr3均勻分布, 忽略混凝土的抗拉作用,由空間鋼構(gòu)架受力平衡可得綴板的橫向拉應(yīng)力σz=σr3bcs/(2Ass1), 由鋼管外側(cè)混凝土受力平衡可得σr2D=σr3bc,由圓形鋼管受力平衡可得σr1-σr2=2tσ2/D．

圖1 柱截面內(nèi)力計算簡圖Fig.1 Cross section internal force computing model

2 承載力計算

2.1 基本假設(shè)

假設(shè): i) 空間鋼構(gòu)架弦桿、圓形鋼管與鋼管內(nèi)外混凝土之間沒有相對滑移; ii) 考慮圓形鋼管對核心混凝土以及圓形鋼管和空間鋼構(gòu)架對圓形鋼管外混凝土雙重約束作用的影響; iii) 不考慮混凝土收縮與徐變的影響; iv) 不考慮鋼管和空間鋼構(gòu)架弦桿的局部屈曲．

2.2 鋼管混凝土柱的軸壓承載力

2.3 空間鋼構(gòu)架混凝土柱軸壓承載力

由基本假設(shè)iv)知, 不考慮空間鋼構(gòu)架弦桿的局部壓屈,可得到鋼管外側(cè)空間鋼構(gòu)架混凝土柱的軸壓承載力Nu,ssfc=fcc2Ac2+fy2As2, 其中空間鋼構(gòu)架約束混凝土的抗壓強(qiáng)度fcc2=fc+keσr3, 式中ke為混凝土的有效約束系數(shù),Ac2為鋼管外側(cè)混凝土截面積,fy2為角鋼的屈服強(qiáng)度,As2為角鋼的截面積．

2.4 內(nèi)埋圓形鋼管空間鋼構(gòu)架混凝土短柱的軸壓承載力

表1 各試件承載力試驗值 與計算值