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1、第5期建筑结构199 7年5月钢骨混凝土柱的设计方法叶 列平(清华大学土木系北京100 084) 提要本文根据作者近年来对钢骨混凝土结构的研 究,介绍 了钢骨混凝土柱正截面承载力、偏心距增大系数和轴压比的设计计算方法,供工程设计人员参考。 关锐词钢骨混凝土正截面承载力偏心距增大系数轴压 比A cc ordin gtore se arehe so nstee lreinf oreedc o ner etestr ue山r ethe seybya utho r,thee aleulati o nmethe dso fI O adingc自卿Ingc apa bilityofnon力als eeti
2、o n,e过a饱ementPararn etero f e ceentr iedista neeandtheaxia lc o mPr已劝iver at i of o rstee lr einfbr cedeo neretec o lu mna r eintr cdu ee dinthi spa Per.The s emeth-记5c anb euse df o rde sig n.Key wo川s: stee lreinf o ree dc onerete;lo adinge ar r如ngeapa bility;n or mals eet10n;enlat gementpar ame-te
3、r;ee e entr iedista ne e;axialeo mPre s siv erati o一、概述钢骨混凝土结构是指配置钢骨 的混凝土结构。这种结构在日本称之为钢骨钢筋混凝土结构(趾e elReinf oreed c冶nc rete,简称sRc),在英、美等西方国家称之为混凝土包钢结构(s te e lE nca s edC on cr ete),在前苏联称之为劲性钢筋混凝土结构。钢骨可以直接采用型钢,也可以采用钢板和型钢,通过焊接、铆接或螺栓连接等拼制而成。. 钢骨分为实腹式和空腹式。配里空腹式钢骨的构件,其受力性能和计算方法与普通钢筋混凝土基本相似。常用实腹式钢骨混凝土构件截面
4、形式,如图1所示。困国 国园困图1实腹式钢骨配筋形式在钢骨混凝土结构中,钢骨部分与外包钢筋混凝土部分形成整体,共同承担外荷载的作用,可以充分利用两种材料的强度。这种结构形式具有许多独特的优点。与钢结构相比:(1)外包混凝土可以防止钢骨的局部屈曲,提高构件的整体刚度,使钢材的强度得以充分利用,节约钢材;(2)具有更大的刚度和阻尼,有利于控制结构的变形;(3 )外包混凝土提高了结构的耐久性和 耐火性。8与钢筋混凝土结构相比:(1 )配置钢骨使构件的承载力大为提高.尤其是配 里实腹式钢骨 柱的抗剪承载力有很大提高,有利于减小构件截面尺寸和结构抗震;(2 )具有较大的延性和 良好的抗展性能;( 3 )
5、可以利用钢骨承受施 工阶段的荷载,并可将模板悬挂在钢骨架上,省去支撑,加快施工速度。因此,采用钢骨混凝土结构可以减小构件断面尺寸,增加结构承载力,提高结构的抗展性能,在结构性能和结构造价上可取得最佳平衡。例如,多高层建筑的底层构件一般受力很大,采用钢筋混凝土构件往往容易形成肥梁胖柱,占去过多的使用 面积和空间,且抗展性能较差;而钢结构耗钢t 大、造价高。采用钢骨混凝土结构或底部几层采用钢骨混凝土结构.可以较好地克服上述困难。钢骨混凝土结构已成为现代工程结构的一种重要的结构形式。目前,钢骨混凝土结构的设计有三种思路:(1 )考虑外包混凝土的折算刚度,按钢结构设计方法计算,这种方法主要是欧美国家采
6、用川,适用于用钢t 较大的情况;(2 )考虑钢骨应力分布的影响后,按钢筋混凝土结构设计方法计算,前苏联采用这种方法3铸( 3)亚加方法,即将钢骨部分和钢筋混凝土部分的承载力简单亚加,日本规范 主要采用这种方法。由于各国情况不 同,国外规范方法对我国不完全适用。近年来,我国有关单位结合国 内情况,对钢骨混凝土结构进行了一系列的研究,本文主要介绍实腹式钢骨的钢骨混凝土柱的设计方法。二、正截面承载力计算1.理论计算方法在工程应用中,SR C柱的钢骨大都 采用对 称配置形式,如图2所示。对工字形钢骨,分为绕强轴弯曲和绕弱轴弯 曲两种情况。国 曰图 ( a)绕强轴弯曲(b )绕弱轴弯曲 工字形钢骨工字形
7、 钥 骨( c )十字形钢骨有限元法 可计算S RC构件的正截面承载力。表1给出了国 内外SRC构件承载 力的试验 结果与理论计算结果的统计情况。上述理论计算需借助计算机进行,不便于工 程设计应用。下面介绍适合于工程应用的计算方法。2.基本公式如图4所示,SR C柱截面在 轴 力N和弯矩M的作用 下,可 表示为钢筋混凝 土截面部 分 的轴力N。和弯矩M二与钢骨截面部 分 的轴力Ns和弯矩M,之和,因此截面的平衡方程可写成:sR C截面R C截面S截面 图2SR C柱 的截面形式试验研究表明,在配置一定 构造要求柔性钢筋的情况下,钢骨与外包混凝土 可以共同工作,直至达到极限承载力。钢骨受外 包混
8、 凝土的约束,不会 产生局部屈曲。图3为S RC偏 心受压柱在各级荷载下的实测截面 应变分 布 6 ,基 本符合平截面假定。因此,S RC柱正截面承载力 的计算可采用以下基本假定:(1 )截面应变分布符合平截面假定;(2 ) 混凝土受压应力一应变关系按文1 1采用,考虑到受压区钢骨所占一部分混凝土面积,取峰值应力口 。=f c;(3 )钢骨和钢筋采用理 想弹 塑性应 力一应变 关系;(4 ) 不考虑混凝土的抗拉强度;(5 )钢骨不发生局部屈曲。工一锣国壮从国铸N图4截面应力分布N=N二+NsM=M二+Ms(1).2特J少7户峥沐力 士二3 2Omm灼= 1 1 0m mommeo1sm m图3
9、截面应变分布理论值/试验值统计结果裹1l数数数量量平均值值均方差差离散率率偏偏压试验闲闲14 4 40.96 1 1 10.029 9 90.0 30 0 0偏偏压试验 l6 6 60.990 0 00.075 5 50.0 76 6 6压压弯试验 s j j j21 1 11 022 2 20.071 1 10.069 9 9受受弯试验叫叫10 0 01.030 0 00.052 2 21.050 0 0合合计计61 1 11,001 1 10.062 2 20.062 2 2上述计算假定与我国混凝土规范川中钢筋混凝土柱正截面承载力的计算假定是基本一致的。根据以上基本假定和截面内力平衡条件,
10、采用截面条带在上述计算中,对于给定的设计 轴力N和设计弯矩M,如 能确定N,和M:,则由式(1 )N二=N一NsM二=M一M,不难按钢筋混凝土截面进行计算。3.N,和M。的计算为确定钢骨截面部分所分担 的轴力N,和弯矩M,我们首先来分析s Rc截面的受力特 点。图5为根据上述理论计算的典型的SRC柱正截面承 载 力N -M相关曲线,图中也 同时绘出 了钢骨截面部分和钢筋混凝土截面部分各 自所分担的N:一M。和N。-M二相关曲线。图中横坐标为m二M/Mb,纵坐标为,=N/NO。由图5可知,S RC截面 的凡M 相关 曲线有三个特征点,它们分别是:A点:对应轴心受压承载力,混凝土、钢骨和钢筋均达到
11、各自的抗压强度,其计算公式为N 0二f cA。十少扒。十了仍r(3 )式中:A。、A。、Ar分别为混凝土、钢骨和钢筋的面积;f c、几f r 分别为混凝土、钢骨和钢筋的抗压强度。B点:对应最大弯矩承载力,此时中和轴通 过截面形心,钢骨轴力为零,等效矩形应力图受压区高度x0.4h,对 应的轴力和弯矩为9一02斑斑斑1 .0 .0 .仪0 .(a)绕强轴弯曲工字形钢骨(b )绕弱轴弯曲工字形钢骨图5N -M、N:一M:、N二一M二相关 曲线(。)十字形钢骨二O。O.一0.6N .一坑(。)绕强轴弯曲工字形钢骨Nb=0.4f c b hM、=0.12人从2+少芬气认九。一a)+M。( b)绕弱轴弯曲
12、工字形钢骨图6N,一M,相关曲线(4)(5)俐骨形1字二) +沪l 产. ( c兰屿.矛.1.、十丛屿刹口丈辛叔女式中:h。为受拉钢筋的有效高度;M。为钢骨截面的受纯弯承载力。C点:对应受弯承载 力,此 时钢骨截面为偏心受拉,混凝土截面为偏心受压。N. -M.相关曲线形状系数k表2式中,k为N:一M。相关曲线形状 系数,根据回归分析结果,可偏安 全地按表2取用;N。、M分 别为钢骨截面的轴压和纯弯承载力,按下式确定:N刃=f sA。M刃=y sf sw(6)钢钢骨形式式绕强轴弯曲曲绕弱轴弯曲曲十字形钢骨骨 工工工字形钢骨骨工字形炯骨骨骨N N NN、1.0 0 01.5 5 51.3 3 3N
13、 N NM二承载力满足要求。三、偏心距增大系数对于中长柱,纵 向弯曲变形对柱的承载力有较大影响,在计算中应给予考虑。通常采 用偏心距增大系数,来进行计算,即甲=(e 。+f)/eo(8)对两端铰接柱,跨中挠 度f与跨 中截面曲率价之间有下面的近似关系1,.,1,.,J二-万卿6铭芍不哪石冗-工U(9)气二瓦=N一NbNo一Nb101N)Nb,故k=1.3M。=(1一口里3)M。=23oZkNmN二=N一N。=8977.5k NM二=M一M。=2698 kNm因为对称配筋,故有x=Nr c/f cb=460.4mm0.4 一0.5时,钢骨N一从 No一NN一NN一从0 0 0.8 8 8 才才0
14、 0 0.6 6 6 6 60 0 0.4 4 4 4 40 0 0.2 2 2 2 2一一0 .4 4 4 4 4 少少少O沱O河0 石心名名一一一昭昭0 0 0.8 8 8 才才0 0 0.6 6 6 6 60 0 0。4 4 4 4 40 0 0.2 2 2 2 2 尸尸0 .6一刁. 2 2 2 2 2 芦芦芦0.20.6 6 6丝 N叻0 0 0.8 8 8 厂厂0 0 0.6 6 6 6 60 0 0.4 4 4 4 40 0 0.2 2 2 2 2一一0. 2 2 2 2 2 一一。臻臻0.20多多。序;N丰巴生一= =到斗( a)绕强轴夸曲工字形钢骨(b )绕弱轴弯曲工字形钥骨
15、(c)十字形钥骨注:一子。“3 10MPa,了:=21 0MPa图7图8混凝土柱的抗 震性 能显著降低。因此,为保证抗 震性能,必须 限制柱子的轴压力。日本sRc结构规范 4 规定钢骨混凝土柱的轴压力应满足:N二(人A+Zf sAs)/3(14)上式中系数1/ 3反映了钢筋混凝土截面部分的轴压比限值,与日本钢筋混凝土结构规范规定的轴压比限值是一致的。钢骨项前的系数2/ 3大于混凝土项前的系数1/ 3,是考虑混凝土的塑性、徐变及施工等影响使钢骨应力超前的重分布系数。由于日本钢筋混凝土规 范的体系与我 国不同,式(14 )中荷载和材料强度的取值指标大约相当于我国取标准值的情况。相应取标准值时我国混
16、凝土结构规范川规定的轴压比限值在0.3 6一0.5 4之间,高于日本规范1/ 3,因此式(14 ) 不符合我国的情况。根据文12对钢骨混凝土柱混凝土徐变影 响的计算分析,建议钢骨混凝土柱轴压力应满足当采用16Mn钢时:N二,(f cA+几A,)(15)当采用A 3钢时:N蕊n f cA十f sA。(16 )式 中,N为轴压力设计值;n为混凝土截面部分 的轴压比限值,可根据我 国混凝土结构规范的抗 震要求取值。由于我国对s RC结构抗震性能的研 究尚较少,工程实际应用经验也 不多,故在具体设计中轴压比限值的取值可适当降低。此外,根据文 【12的分析,在S RC柱中应尽量采用高强钢材,否则 由于混凝土 塑性和徐变产生的应力重分布影响,将会导致钢骨 过早屈服.对柱子 的抗震性能可能产生不利影响。五、配筋构造钢骨混凝土柱的配筋应满足以下构造要求:柱受压侧纵向钢筋的配筋率不应小于0.2 %,且至少应在四角配置 一根直径1 2mm的纵向钢筋。纵筋间净间距不小于粗 骨料的最大粒 径的1.2 5倍,且不小于2
