第十八届全国离层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年方钢管混凝土柱轴压比限值分析张建辉王铁成杜喜凯( 天津大学建筑工程学院，天津3 0 0 0 7 2 )提要本文在方钢管混凝土柱压弯试验的基础上，探讨了轴压比影响柱延性的原因，并推导了试验轴压比与设计轴压比的换算关系公式最后根据换算关系公式和试验数据，以层闾弹塑性位移角作为延性拄制指标，提出了方钢管混凝土框架柱的轴压比限值，以供设计参考关键词钢管混凝土，轴压比，轴压比限值钢管混凝土是在钢骨混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构及钢管结构的基础上演变和发 展起来的一种新型结构近年来，钢管混凝土结构以其在结构性能和施工工艺上的众多优点而在国内外高层建筑中悄然兴起，成为高层建筑结构体系中的重要形式在结构抗震设计中，轴压比是影响结构延性的主要因素，现有规范对钢筋混凝土柱和劲性混凝土柱均提出了轴压比限值由于钢管混凝土柱在抗压强度、变形能力方面均强于钢筋混凝土柱，因而提出钢管混凝土柱无需限制轴压比【l l ’【2 J 但此论断均是针对圆钢管混凝±柱作出的由于方钢管混凝士结构中钢管对核心混凝土的约束效应要明显弱于圆钢混凝±结构，方钢管混凝土柱在抗匝强度、变形能力方面都不如圆钢管混凝土柱。
因而有必要探讨方钢管混凝土柱的轴压比限值问题为了研究方钢管混凝士柱的抗震性能，在天津大学结构试验室进行了方钢管混凝士柱在反复荷载作用下的基本性能研究，试验结果列于表l 中在本试验数据基础上，参考了有关试验数据1 3 1 ，讨论了轴压比对方钢管混凝土柱延性的影响和方钢管混凝土柱轴压比限值的问题表1试验参数及试验结果注- 表中一为轴压比，五为混凝土抗压强度，石为钢材的屈服强度，岛为约束效应系数商= 筹A为极限位移心为极限位移角张建辉．男，1 9 8 11 0 如生，硕士研究牛·8 0 2 ·第f ‘八届全国高层建筑结构学术会议论义2 0 0 4 年本文采用结构极限位移角作为衡量结构延性的指标，参照我国《高强混凝1 - 结构设计与施：1 i 指南》( H S C C - - 9 9 ) 中规定的混凝土框架结构层间弹塑性位移角限值为1 ／6 0 1 4 1 极限位移角计算公式为：△R 2 _( 1 ) L h式中，A 为层间极限位移，乙为层高实际中A 、L 分别为柱中点侧向位移和柱中点至辊轴中心的距离根据《天津市钢结构住宅设计规程》( D B 2 9 - - 5 7 - - 2 0 0 3 ) ，钢管混凝土柱的轴压比采用F 面计算公式【5 】：Ⅳ． 行= ——( 2 ) N §式中，Ⅳ为轴向荷载，N o 为钢管混凝土的极限承载力。
N o = f f y A 其中五为混凝十抗压强度，石为钢材的屈服强度A ，、么分别为钢管和管内混凝土的面积1 轴压比对钢管混凝土柱延性的影响1 ．1 预压应变的影响钢管混凝士压弯柱在受到轴向荷载Ⅳ后，将产生一个压应变占在水平荷载作用下，受压一侧的压应变将继续增大，如果材料的极限压应变为占一则占的差值大小决定 了截面极限转角所以极限转角随s 的增大而减小，相应地，钢管混凝±压弯柱地延性也 就越差因此轴压比影响钢管混凝土柱地延性，实质就是轴向荷载所产生的预压应变对截面延性的影响，轴压力越大，预压应变越大，截面的极限转角变小，从而降低组合柱的延性1 ．2 附加弯矩的影响钢管混凝±柱受到水平荷载作用时，轴向力将产生附加弯矩，而降低柱的延性当轴力为定值时，随着试件水平位移的不断增大，附加弯矩的影响越来越大，若截面抵抗弯矩一定，则水平承载力将会不断降低，而且随着位移的增大，由于受压混凝土的破坏程度不断加大和钢材的屈服，截面承受弯矩的能力也会不断降低，这些将导致水平承载力不断下降当轴压比较小时，附加弯矩的影响也小，反映在滞回曲线骨架曲线上，表现为卜．降段较缓，反之高轴压比会使骨架曲线下降段变陡2 试验轴压比与设计轴压比的换算关系试验轴压比为：·8 0 3 ·第1 + 八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年设计轴压比为：N 一2 瓦( 3 )Ⅳ。
r ／J = —号( 4 )u N ：式中，N 为试验轴压力，Ⅳ0 为柱轴心受压极限承载力，％为设计轴力，Ⅳ? 为设计轴心受 压极限承载力 若设计时取N a = N , 则根据( 3 ) 可得：( 5 )鱼：垒五±兰! 五( 6 )以，A f c ，d + 么．厂j ，d式中，石、五c ，分别为钢管屈服强度的试验值和设计值：石、工．d 分别为混凝土强度的试验值和设计值根据《混凝土结构设计规范》( G B5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ) ，混凝土的轴心抗压强度设计值的计算公式为f 6 】：厂：竺：塑型垒鱼(7)cJ , d1 ．4、’7式中，厶女为混凝土强度等级值，即具有规定保证率的混凝七立方体抗压强度标准值；口，， 为混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值；口．，为对C 4 0 以上混凝土考虑脆性折减的系数本文综合考虑口，．和口，，，取口一口一= 0 ．7 7 混凝土的强度标准值应具有9 5 ％的保证率，混凝土强度标准值与立方体强度平均值尼的关系为：厶“= 厶( 1 —1 ．6 4 5 万)( 8 )式中，6 为变异系数，统一取万= O ．1 由此可得：Z 生：—0 ．8 8 ( 1 - —1 ．6 4 5 8 ) ：o ．5 2 5一= 一= I ，1 ／1{ c1 ．4类似地，对于钢管，设计值与试验值的关系为：·8 0 4 ·( 9 )“一耐=％一啊第} ‘八属全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年亟：! 二! ：唑鱼：o ．7 ／6 0一= 一= tJn IJ ‘1 ．1 0将公式( 9 ) 和( 1 0 ) 代入公式( 6 ) ，即可得：告。
一AA- o ．7 6 0 _ 0 ．2 3 5 赢一=：一=II，f、l，一I，／’1，一n dc { c 七s { p、k A s { p ／取钢管混凝土的约束效应系数彘= A 彳, f 五y ，代入上式可得：生一o ．7 6 0 一o ．2 3 5 —L 以d1 + 彘表1 试验轴压比与设计轴压比( 1 0 )( 1 2 )3 方钢管混凝土柱轴压比限值的讨论表l 针对本试验和文献【3 】中方钢管混凝士压弯试验结果进行了试验轴压比与设计轴压比对应值的对比从表l 中关于方钢管混凝土柱压弯试验的结果，可以看出轴压比越火，极限位移角R·8 0 5 ·第l 八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年越小，也即方钢管混凝十柱的延性越差可知轴压比是影响钢管混凝土柱延性的堕耍指标，因此为了满足抗震设计要求，确定一个合适的轴压比限值就显得尤为重要合适的辅压比应该既满足结构延性的要求，又能充分发挥钢管混凝士柱提高承载力的优势，做到既安全又经济根据表l 的对比可知，当试验轴压比为O ．5 时，极限位移角均能满足1 ／6 0 的结构设计有限延性的要求而当试验轴压比为0 ．5 时，其对应的设计轴压比约为0 ．8 ，取二级抗震等级时轴压比限值为0 ．8 。
再根据抗震等级不同浮动0 ．1 0 1 7J ，即可得方钢管混凝士柱的轴压比限值可按表2 取值表2 方钢管混凝土柱轴压比限值系数职4 结语轴压比是影响钢管混凝土柱延性的重要因素，轴压比越大则延性越差轴压比主要通过预压应变和附加弯矩影响柱的延性以层间弹塑性位移角为延性控制指标，通过本文和文献【3 】方钢管混凝土柱压弯试验的数据以及本文推导的试验轴压比与设计轴压比的关系 式可以导出轴压比限值，为方钢管混凝土柱抗震设计提供参考参考文献【l 】钟善桐，钢管混凝土结构( 第3 版) ，北京：清华人学出版社，2 0 0 3【2 】蔡绍怀，现代钢管混凝土结构，北京：人民交通出版社，2 0 0 31 3 】吕西林，陆伟东，反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究，建筑结构学报．2 0 0 0 ：2 1 ．：1 4 】离强混凝土结构设计与施工指南，H S C C - - 9 9 ，中国建筑工业出版社，1 9 9 4【5 】天津市钢结构住宅设计规程，D B 2 9 - - 5 7 - - 2 0 0 3 ，天津市建设管理委员会．2 0 0 3【6 1 混凝±结构设计规范，G B5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ，中国建筑工业出版社，2 0 0 2[ 7 】陈周熠，赵国藩，钢管混凝土增强高强混凝土的轴压比限值分析研究，工业建筑，2 0 0 2 ；3 2 - - 4。