偏心荷载作用下承载力研究方形钢管约束钢筋混凝土柱

抽象

本文对偏心荷载作用下的方钢管约束钢筋混凝土柱进行了试验研究。试件的主要参数包括长细比、偏心距比和结构钢的配筋比。试验结果表明，离心率在0 ~ 0.55之间对结构承载力有显著影响。长细比为3 ~ 8，钢筋配筋比为0.3 ~ 0.41，对承载力影响不大。并编制了数值分析程序，计算结果与实验结果吻合较好。根据数值计算结果，提出了偏心受压柱的理论计算公式。

1.简介

钢-混凝土组合柱在高层和大跨度建筑中得到了广泛的应用。随着城市建设的蓬勃发展，由于建筑物的高度和跨度的增大，柱应能承受更高的荷载。应具有强度高、截面小、延性好、施工方便等特点。同时，它们必须经济实用，以适应建筑物的安全和使用。

现在有两种传统的组合柱，即钢管混凝土柱和钢筋混凝土柱。

对钢管混凝土进行了有效的侧向约束，提高了钢管混凝土的整体延性和强度。同时，钢管可以作为模板，从而加快施工过程。钢管周围的混凝土可以延缓钢管的局部屈曲。然而，钢管填充混凝土具有较低的耐火比混凝土包钢柱。另一方面，钢在钢筋混凝土中的存在可以提高柱的抗剪性能和抗震性能。混凝土的包装箱提高了钢材抗局部屈曲和整体屈曲的能力，提高了试件的刚度。此外，混凝土可以为钢提供保护，防止化学腐蚀和火灾。钢筋混凝土的主要缺点是需要设置钢筋笼和模板，施工过程复杂，施工速度慢。

基于钢管混凝土和钢筋混凝土的研究，近年来研究了一种新型钢管约束钢筋混凝土组合柱(STSRC) [1个–5个]。所述组合柱是通过将结构钢插入钢管中而形成的。随后，整个箱子被混凝土填满。它保持了钢管约束混凝土和钢筋混凝土的优点，即高承载力、高强度、良好的防火性、较小的截面、良好的抗剪性能和抗震性能。

根据钢管的截面形状，型钢混凝土可分为圆柱型、方形型和矩形型。根据钢筋的不同，将i形和十字形进行划分(图2)1个)。

方钢管的主要约束发生在转角处和核心部位。因此，其约束效应和承载力均低于圆钢管。但发现方钢管对核心混凝土的约束可以提高试件的延性。这样，方钢管混凝土在很大程度上体现了圆钢管混凝土几乎所有的优点。此外，方钢管混凝土具有抗弯刚度大、节点域简单、连接方便、便于室内布置等优点。实践证明，在实际工程中取得了良好的经济效益和社会效益。

Patel等。研究了一个同伴论文中描述多尺度数值模型的验证和高强度的性能的广泛参数研究薄壁双轴载荷下矩形钢管混凝土细长束列。与现有的实验结果计算机解决方案进行了比较研究开发的多尺度数值模型的准确性[6个]. Zhao等人。实验研究了轴向压缩载荷和偏心载荷的影响。结果表明，插入型钢可以延缓或避免核心混凝土裂缝的扩展，从而有效地提高组合柱的极限承载力和延性[1个,2个]. Jung和Mahmoud开发了一种新的圆柱试样直接拉伸试验装置，类似于压缩试验中使用的装置。裂缝位置的试验和数值计算结果表明，新拌混凝土在凝结时间内的重力效应可能影响混凝土开裂强度沿构件高度的分布[7个]。Zhao和王研究了压弯，轴向载荷，和方管局限于钢筋高强度混凝土的纯弯曲的计算。式用于压缩弯曲提出了基于测试结果[三–5个]。Han等人对填充混凝土SHS(方空心截面)短柱、柱和梁柱进行了一系列试验。本文介绍了一种统一的理论，引入约束因子来描述钢管与填充混凝土之间的复合作用。推导出复合材料截面不同阶段的截面承载力和模量的简化模型[八,9个]。Mossahebi等人进行了一项研究，试图理解由钢管约束钢筋混凝土组成的桥梁梁的行为。这项研究的结果显示了用钢管混凝土作为桥梁主梁的潜力[10]. 此外，对钢管混凝土偏心受压柱的受力性能进行了大量的研究，并开发了相应的数值模拟程序来研究钢管混凝土偏心受压柱的不同特性[11–19]。

尽管学者们对STSRC进行了一些研究，但赵、王[三]推导出用于使用叠加法计算偏心轴承容量式中，但它太复杂在实践中使用。赵等人。[1个]只研究了偏心荷载作用下圆柱的计算公式。这表明对STSRC的进一步研究还需要进行更多的实验来研究其性质和简化计算。本文对受偏心荷载作用的方钢管柱约束钢筋混凝土进行了试验研究。并编制了数值分析程序。分析了偏心受压柱的主要参数和数值计算结果，提出了偏心受压柱的理论计算公式。从而满足偏心距下工程结构的安全要求。

2.测试方法

2.1。测试调查

共9个试件在偏心荷载作用下进行了施工和试验。标本摘要见表1个。存根样本的宽度( )is 200 mm, and the thickness ( )is 5 mm, respectively. Tension tests were carried out to determine the material properties of the steel tubes and steel section. The cross sections of steel tube are cold-formed. The tensile coupons are from the sidewalls of the steel tubes. The yield strength ( )和极限拉伸强度（ )of the steel tube are 350 MPa and 425 MPa, respectively. The tensile coupons are from the flanges of the steel section. The yield strength ( )和极限拉伸强度（ )钢截面的在表中列出1个。压缩立方体强度（ )混凝土的抗压强度为48.4 MPa。型钢截面为i形。试件的主要参数包括长细比( ),3至8个，偏心率(是初始偏心 ),从0到0.55，钢材截面指数( ,哪里和为混凝土截面面积和钢筋截面面积，分别)，取值范围为0.3 ~ 0.41。监禁指数( ,哪里是钢管的面积）为0.87。

In this table, 10I, 12I, and 14I denote the height of steel sections which are 100 mm, 126 mm, and 140 mm, respectively. Detailed information is available in [20]。是测试的承载力；是数值承载力;是方程的计算承载能力（三）在第三。

在经历几个阶段标本的制作过程如下。

首先将钢管和型钢精确切割成尺寸，然后将型钢端部焊接到端板上(厚度为25mm)，重点保持型钢端部垂直于端板。随后，应变片被粘在估计的面积。采用环氧树脂进行防潮处理。钢管被小心地焊接到端板上，以确保被加固的钢筋可以位于钢管的中心。

其次，将混凝土逐渐倒入管中，用振动棒将混凝土压实。在固化过程中，试件顶部出现了极少量的纵向收缩。因此，在试验前，试件的顶面用水泥覆盖，以保证钢管、混凝土和钢筋能够同时承受荷载。

最后，肋板焊接至固化试样的端部（图2个)以避免其在其他部件之前断裂。

2.2。测试设置和步骤

所有试件均采用5000 kN万能试验机进行测试。通过槽铰和球铰对试件施加偏心荷载。

数字2个显示，应变仪分布在样品的midheight。八家纵向应变仪被放置在钢管的外表面，以及四个横向应变计被放置在所述钢管的轴向。另一个三个纵向应变仪被放置在法兰和钢型材的腹板。三个位移传感器被放置在midheight和沿弯曲方向上的试样的四分之一高度。甲位移传感器被用于监测轴向变形。所有数据均通过UCAM-70A自动收集。

阶梯负载方法在试验中使用。所计算的承载力的十分之一的施加载荷时将试样在弹性范围内;当负荷达到所计算的极限承载容量的60％计算出的承载力的二十分之一的负荷施加。最后，直到达到计算的承载力的负荷被连续地施加。当所施加的负荷为承载力的小于80％的测试完成。

2.3。结果和讨论

偏心荷载超过极限承载力的60%前，无明显变化。当钢管的轴向载荷超过极限承载力的60%时，钢管表面出现了许多斜向的细小褶皱。由于混凝土开裂，当荷载接近极限承载力时，会发生测深。沿试样长度方向的中高和四分之一高区域可观察到局部屈曲。铁屑从靠近局部屈曲区域的钢管表面掉落。数字三给出了试验后的试样的总图。

负载(N个）对极端纤维的压缩和拉伸应变（ )显示在图4个分别适用于钢管和型钢。当荷载较小时，中高处的应变与施加的荷载近似成正比。当荷载达到最大荷载的60-80%左右时，由于钢截面位于整个截面的中心附近，中高处的侧移应变开始显著增大。当荷载达到最大荷载的70-90%左右时，中高处的侧移应变开始显著增大。

据发现，在一般情况下，典型的检体（PY10I-40-3）符合平面的假设的所测量应变（图5个，测得的挠度曲线呈半正弦波形状(图1)6个)。

的泊松比曲线（ )与显示在图7个。在一般情况下，当 ,混凝土的泊松比小于钢管的泊松比（0.3）。在该荷载水平以上，横向应变计处的钢管壁开始限制混凝土( )。

曲线与中高变形( )根据测试数据绘制(图八)。它可以分层为弹性，弹塑性，和塑料相。修长的样本偏差是微不足道的负荷达到0.6-0.7前的线性关系和 。超过这个负荷水平，midheight的变形逐渐增多。偏转迅速增加，当负载接近 。这被认为是弹塑性相。增加的侧向位移造成二次力矩的影响由大变强。负荷开始下降，曲线与进入下降阶段。这被认为是塑性阶段。

上极限承载力主参数的（图的影响9个）表明，该承载能力下降时偏心增加。由于偏心率从0变化到55，承载能力下降到40％。作为长细比的变化为3〜图6所示，承载能力下降到只有7％。结果表明，一长细比对在测试参数承载力的影响可以忽略。这是因为STSRC具有较高的抗弯刚度。由于钢筋的变化从10I至14I中，钢筋比从0.3提高到0.41和承载能力提高到只有5％。它也表明，偏心率对轴向变形的影响显著 。长细比和钢截面比对轴向变形的影响不大。

3.理论分析

3.1条。基本假设与本构模型

（1）在midheight符合的应变分布，以平面的横截面的假设。（2）存在着钢筋和混凝土之间没有界面滑移。（3）剪切的在样品的变形的影响被忽略了。（4）内部和外部的力在平衡时仅midheight。（5）铰链连接在与偏转曲线符合半正弦曲线的样品的端部的存在。

钢铁和约束混凝土的本构关系是从赵和王[的研究引用三]。

3.2。计算原理和程序

钢管，混凝土和钢筋的截面进行分层与均匀分布应力的许多条带。假设在横截面的中心处的应变为 ,混凝土的应力 ,钢芯节 ,和钢管可以基于平面截面假设和应力 - 应变关系来计算。两个迭代方程分别给予分别力和力矩，： 哪里n个是混凝土和钢管的条的数目，米是钢筋的条的数目; , ,分别指混凝土条中心、钢筋中心和钢管中心到整个截面中心的距离； , ,和是混凝土带，型钢，钢管和管，分别的区域。

数字10给出了整个计算过程的算法。首先，阶梯式变形被施加到样品上，然后曲率获得基于5^日假设。内力和力矩由方程（1个)和方程式(2个)。打印结果时内力和外力之间的差值小于误差 。当承载力降至极限承载力的80%或钢管的拉伸应变达到 ,计算停止。

3.3。计算结果与试验结果的比较

偏心载荷计算程序PYZTF是按照上述理论的发展。与关系曲线通过数据输入到程序产生。的计算结果和测试数据之间的比较图绘制八，并证明它们是相互一致良好。

3.4条。极限承载力的简化计算方法

虽然承载力可以通过程序PYZTF准确地计算，它是不适合于由于相对复杂过程的实际应用。因此，需要简化的方法来计算极限承载力。

首先，参数包括初始偏心被输入到程序。接下来，最终力和相应的时刻可以获得。在坐标系中，被设定为垂直坐标轴和作为水平坐标轴。因此，坐标点 被找到。通过改变逐渐，曲线与可以用不同的参数来作图。例如，在图样本的参数11是 = 6,= 30 MPa, = 0.87, and = 0.32.

简化曲线与可以分成AB和BC两条线(图12)根据[三]。列在小偏心，下两个结果的大偏心安全的准确性进行了审议。图中的虚线12一个典型的代表与关系曲线。

为极限承载力的方程用在考虑缩小因子的效果的回归方法提出由于柱的长细（ )上极限承载力： 哪里 , 。

据赵和王说[三]，在轴向压缩的短柱的承载力由下式给出 。 作为 哪里为相对长细比， 。

据Mossahebiet人。[9个，则柱在纯弯曲作用下的极限弯矩为 ,哪里为塑性发展系数， 。

, , ,和表示整个区域，混凝土，钢管，和钢的横截面，分别的第二时刻，和 , ,和表示混凝土，钢管，和钢的弹性模量，分别。

当满足下列条件时，即可应用公式： = 3–30， = 20–60 MPa,= 235 - 450 MPa,= 235 - 450 MPa, = 0–3, and = 0-1。

将测试参数输入程序PYZTF和方程(三),分别。结果列于表中1个。当平均值是1.083，均方差高达0.020。当平均值是1.093，均方差达到0.019。实验数据显示为比相应的理论值高。据估计，摩擦是由槽的铰链，并且在高轴向压缩球形铰链产生的。因此，约束到标本两端被提供，并在试样的自由受到抑制。此外，增大的端柱的几何长度降低，引起在承载能力进一步增加。

标本资料(λ = 6,f型_ck公司= 30 MPa,θ = 0.87, andρ = 0.32) were input into the simplified model and program PYZTF. SimplifiedN个-米积分曲线通过光纤的理论模型（认证图13)。可以发现，通常，在纤维的理论模型和简化模型之间获得良好的一致性。简化模型是可以接受的预测STRSC的偏心负载下的承载能力。

4。结论

（一）偏心距对承载力有显著影响;实际工程中应避免大偏心。（二）长细比略微影响测试参数容量，即，长细的范围为3〜8。这是由于STSRC的高弯曲刚度。（三）精度足够的承载力可由式(三)，不需要重复计算。该方程可以表示柱在偏心距作用下的力学性能。

命名法

, ,和 :	混凝土截面面积，钢管截面面积，钢截面面积
, , ,和 :	分别混凝土的整个区域，钢管，钢和横截面的二次矩
, ,和 :	分别为混凝土、钢管、钢的弹性模量
:	柱的细长比，
:	轴向变形
:	试样长度
:	方形钢管的边长直径
;：	钢管的厚度
:	偏心
:	初始偏心
:	钢筋指数，
:	禁闭指数，
:	应变
:	钢截面的单轴屈服应力
:	钢管的单轴屈服应力
:	无侧限混凝土柱的抗压强度
:	应用负载
:	轴压短柱的极限承载力
:	柱的承载力
:	在纯弯曲柱的终极时刻
:	柱受弯极限弯矩
:	由于柱的长细折减系数。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从相应的作者处获得。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

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