ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲ Ｇ ＤＥＳＩＧＮ 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 局部屈曲控制的或者壁厚小于３ｍｍ的钢管。 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 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 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 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。 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 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 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 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 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 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 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 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 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。 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）厚比的确定 是薄壁钢管砼设计应考虑的关键问题。在钢管砼 中管壁的径厚比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）、ＡＩＳＣ— ＬＲＦＤ（１９９９）和英国规范ＢＳ５４００（１９７９）对于圆 钢管砼： ｔ≤再 对于方钢管砼： ｔ≤再 其中，对于ＡＣＩ３１８—０２和ＡＩＳＥ—ＬＲＦＤ，Ｅｓ ＝２０００００ＭＰａ；对于ＢＳ５４００，Ｅｓ＝２０６０００ＭＰａ。 （２）日本规程ＡＩＪ（１９９７）对于圆钢管砼： Ｄ／ｔ＜￣—３５ ２８０ 对于方钢管砼： Ｄ／ｔ＜￣ ，／Ｆ／９８ 其中，Ｆ＝ｍｉｎ（ ，０． ）。 （３）欧洲规范ＥＣ４（１９９４）对于圆钢管砼： Ｄ／ｔ￣＜９０ ｘ、ｌ 对于方钢管砼： ｓ２× 其中，Ｅｓ＝２０６０００ＭＰａ。 （４）国家军用标准《战时军港抢修早强型组 合结构技术规程》ＧＪＢ ４１４１—２０００，该规范只有对 于矩形钢管砼的规定： Ｄ／ｔ＜￣４０ ｘ 举 ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＤＥＳＩＧＮ （５）福建省工程建设地方标准《钢管砼结构 技术规程》ＤＢＪ １３—５１—２００３规定钢管的外径或 最大外边长与壁厚之比不得大于无混凝土时相应 的１．５倍，结合现行国家标准钢结构设计规范 ＧＢ ５００１７—２００３中的相关规定，对于圆钢管砼： ≤ 对于方钢管砼： × 在上述条件下，可暂不考虑钢管局部屈曲对 钢管与核心砼组合作用的影响，按普通钢管砼构 件的计算方法计算薄壁钢管砼的承载力。 文献［１１］采用有限元分析的方法，研究了 考虑初始几何缺陷的薄壁钢管混凝土的局部屈曲 性能，得出了考虑初始几何缺陷的薄壁钢管混凝 土管壁局部屈曲的临界宽厚比。研究表明，初始 几何缺陷使得薄壁钢管混凝土管壁的局部屈曲提 前发生，其临界宽厚比较不考虑缺陷时小；并且 随着钢管屈服强度的提高，这种不利影响越来明 显。分析国内外各主要规范（规程）中钢管混凝 土管壁临界宽厚比的计算公式，并将其与本文分 析结果进行对比，对比表明，规程ＤＢＪＩ３—５１— ２００３和ＣＥＣＳ １５９：２００４对方形和矩形钢管混凝土 管壁临界宽厚比的规定偏于安全和合理。 ２．２ 圆形薄壁钢管混凝土短柱轴压承载力计算 文献［１２］将试验结果和澳大利亚Ｍａｒｔｉｎ Ｄ．Ｏ，Ｓｈｅａ等人的试验结果进行回归分析，提出薄 壁圆钢管混凝土轴压短柱极限抗压承载力的实用 计算公式。虽然薄壁空钢管的屈曲后性能对管壁 缺陷的影响十分敏感，但是国内外对薄壁钢管混 凝土轴压短柱的试验均证明填充了混凝土的圆钢 管的局部屈曲性能得到很大的改善，且其屈曲后 性能对管壁缺陷的影响已不再敏感。因此，圆钢 管混凝土短柱的极限抗压承载力可由核心混凝土 与钢管的两部分强度组成，钢管达到屈服之后不 能再承受多余的荷载，其余荷载全部由核心混凝 土承受，钢管起到约束混凝土、提高混凝土强度 和围护的作用。极限抗压承载力可表示为： Ⅳ ：Ｋ Ａ ＋ｆｒＡ （１） 式中，Ｋ。．为薄壁圆钢管内部核心混凝土强度的提 高系数；ｆｏ 为混凝土的轴心抗压强度标准值， ＭＰａ；ｆｖ为钢管的屈服强度，ＭＰａ；Ａ。为核心混凝 土的面积，ｍｍ ；Ａ 为钢管的面积，ｍｍ 。 ２．３方形和矩形薄壁钢管混凝土轴压承载力计算 ２．３．１不带肋 《钢管砼结构技术规程》ＤＢＪ １３—５１—２００３认 为钢管砼是一种组合材料，采用统一理论计算其 承载力，其组合截面的轴压强度Ｎ。 可表示为： ＮｏＢＪ＝Ａ （２） 式中，Ａ 。为钢管和砼二者的截面面积之和，Ａ 。＝ Ａ“＋Ａ。；ｆｓｃｙ为方形或者矩形钢管砼的组合轴压强 度，按下式计算： ＝（１．１８＋０．８５ ）ｆｏＩ 孝＝ 式中，毛为约束效应系数。 实践证明，对于不发生局部屈曲的无肋钢管 砼，该式能够较为准确地预测构件的轴压承载力。 对于发生局部屈曲的无肋钢管砼轴压承载力， 文献［１３］探讨了薄壁方钢管混凝土短柱轴压承 载力实用计算方法。该文献采用有效宽度法计算 不带肋的薄壁方钢管混凝土柱的轴压承载力，得 出薄壁钢管混凝土短柱轴压承载力的验算公式为： ＝Ａ ＋Ａ ． ． ． （３） Ａ ＝［２（ｂ ＋ｈ ）一４ｔ］ｔ 式中，Ａ ． 为钢管的有效截面面积，ｍｍ ；ｂ ｈ 分别对应钢管Ｂ、Ｈ边有效宽度；Ａ 为核心混凝 土的面积，ｍｍ ；ｆｓ．ｆ为钢管的屈服强度，ＭＰａ；ｆｏ． 为混凝土轴心抗压强度，ＭＰａ；ｋ 为薄壁钢管内核 心混凝土轴压强度提高系数。 该文献回归出的套箍系数毛和核心混凝土强度 的提高系数ｋ 的表达式为： ｋ ＝１．１８７＋０．２４２ｓ￣ 所以，无肋薄壁方钢管的混凝土柱轴压承载 力的表达式为： ＝Ａ ． ．＋（１．１８７＋０．２４２（）Ａ３Ｃｃ （４） ２．３．２带肋 文献［１１］对所研究的带肋钢管混凝土短柱 提出以下构造假定： （１）当薄壁钢管的宽厚比大于其局部屈曲的 临界宽厚比时，薄壁钢管混凝土的管壁应设置纵 向加劲肋；并且被加劲肋分割的管壁子板件宽厚 比应小于其发生局部屈曲的临界宽厚比。此时钢 管不会发生局部屈曲，钢管全截面有效。 （２）当薄壁钢管设置加劲肋后，加劲肋的刚 度必须满足充分加劲的要求，充分加劲的刚度要 ２０１１，２１（５） 宋成冬薄壁钢管混凝土受压柱承载力计算研究进展 ４７ 求按下式计算： 以 （ （ 酏ｔ４ 在满足上述两条构造假定的前提下，提出带 肋薄壁钢管混凝土短柱轴压承载力的验算公式为： Ｎ ＝Ａ ＋Ａ ＋Ａ ． ． ， ， （５） 回归出的混凝土强度提高系数为： ｋ ＝１．０１９＋０．３２６ ２．４偏压承载力计算 ２．４．１ 圆形薄壁钢管混凝土 验算圆钢管混凝土压弯构件的承载力时Ｈ ， ＤＩＭＴ（１９９９）规程采用以下曲线形式的相关方程： 当Ｎ／Ａ ｉ＞０．２＋ｆｓ 时， ＋ ≤ ㈤ 当Ｎ／Ａ ＜０．２ｑｂｆｓ 时， ＋ ≤・ ㈩ Ｋｍ＝１／（１—０．４Ｎ／ＮＥ） 式中，Ｋ 考虑二阶效应对弯矩影响系数；Ｎ 为欧 拉临界力。 ２．４．２方形和矩形薄壁钢管混凝土 对于带肋薄壁钢管混凝土偏压柱，由于合理 的加劲肋设计可以保证试件在达到极限状态时不 发生管壁的局部屈曲，同时由于加劲肋能提供一 定的抗弯刚度，因而一定程度上能提高构件的承 载力。但由于加劲肋尺寸一般都不大，因而对构 件承载力的提高作用有限，文献［１５］建议可偏 于安全地按照ＤＢＪ１３—５１一（２００３）中建议的轴力 Ｎ与弯矩Ｍ相关方程计算偏压构件的承载力。 当Ｎ／Ｎ ≥２ －ｑｏ时， Ｎ＋（ ａ厩Ｍ＝１ （８） 当Ｎ／Ｎ ＜２ １１０时， 二 ｃＮ＋（寺） ＝ （９） 式中，Ｎ 为构件的轴压承载力。 ３ 薄壁钢管混凝土柱进一步的研究方向 钢管混凝土基本理论及计算方法需要继续研 究以下问题： （１）钢管壁和核心混凝土问的作用力的精确 计算公式。 （２）较为精确的核心混凝土的本构关系。 （３）完善强度计算的经验公式。 （４）研究和分析其他截面形式的薄壁钢管混 凝土柱。 （５）国内外学者对再生骨料混凝土在长期荷 载作用下的受力性能 埽 研究较少，需要通过试 验研究其长期荷载作用下的受力性能，从而提出 适合再生骨料钢管混凝土的收缩和徐变模型。 参考文献 １陶忠，于 清．新型组合结构柱一试验、理论与方法 ［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６． ２李世霞，赵静，刘坤．钢管混凝土柱承载力计算方法 探讨［Ｊ］．建筑与结构设计，２００８（０５）：３６～３８． ３ ＣＥＣＳ ２８：９０，钢管混凝土结构设计与施工规程［ｓ］． ４ ＤＩｒＴ ５０８５－－１９９９，钢一混凝土组合结构设计规程［Ｓ］． ５ ＤＢＪ １３—５１—２ｏｏ３，钢管混凝土结构技术规程［ｓ］． ６ ＡＣＩ ３１８—０５，Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｃｏｄｅ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｃｏｎ— ｃｒｅｔｅ ａｎｄ Ｃｏｍｍｅｎｔａｒｙ［ｓ］． ７ ＡＮＳＩ／ＡＩＳＣ ３６０—０５，Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｂｕｉｌｄ－ ｉｎｇｓ［ｓ］． ８ ＥＣ４—２００４．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｅｅｌ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｓｔｍｃ— ｔｕｒｅｓ：Ｐａｒｔ １：Ｇｅｎｅｒａｌ Ｒｕｌｅｓ ａｎｄ Ｒｕｌｅｓ ｆｏｒ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ［ｓ］． ９ ＡＩＪ一１９９７，Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｄｅｓｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｆｉｌｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｓｔｍｅ￣ｒｅｓ『Ｓ］． １０ ＤＢＪ１３—５１—２００３，福建省工程建设地方标准．钢管混凝 土结构技术规程［ｓ］． １１沈建波．带肋薄壁钢管混凝土短柱轴压力学性能研究 ［Ｄ］．泉州：华侨大学，２００７． １２王秋萍，邢君．薄壁圆钢管混凝土轴压短柱的极限承载 力［Ｊ］．农机化研究，２００５（０２）：７９—８１． １３金周．薄壁钢管混凝土短柱基本力学性能研究［Ｄ］． 泉州：华侨大学，２００８． １４韩林海，陶忠等．钢管混凝土基本构件承载力的设计计算 一各国规程比较（Ｉ）［Ｊ］．建筑钢结构进展，２００２，４ （３）：４７—５５． １５韩林海，陶忠等．钢管混凝土基本构件承载力的设计计算 一各国规程比较（Ⅱ）［Ｊ］．建筑钢结构进展，２００２，４ （４）：５３—６１． １６纵超，高轩能，张惠华．再生骨料薄壁钢管混凝土结构 的研究进展综述［Ｊ］．福建建筑，２０１０（６）：４４—４５． １７吴’波，刘伟等．薄壁钢管再生混合短柱轴压性能试验 研究［Ｊ］．建筑结构学报，２０１０，３１（８）：２３—２８ ｌ８吴波，刘伟，刘琼祥，许拮．钢管再生混合短柱的 轴压性能试验［Ｊ］．土木工程学报，２０１０，４３（２）：１ —７． （收稿日期２０１１～０８—２３）
