基于中美欧规范的中空夹层钢管混凝土柱设计对比

钢管混凝土是指在钢管内部灌注混凝土形成的结构，在受力过程中钢管和混凝土相互作用共同承受荷载，内部混凝土受钢管约束处于复杂应力状态，其强度和变形性能均得到改善，混凝土能有效延缓钢管的局部屈曲，使2种材料的性能得到充分发挥，受力性能较好。 由于没有绑扎钢筋、安拆模板等工序，其构造简单、施工方便，已广泛用于各类工程。 移除核心位置的部分混凝土、利用内外两层钢管约束中间混凝土，形成一种中空夹层结构，可较大幅度减轻结构自重，且由于截面开展可保持较大的抗弯刚度。

随着我国建筑企业在海外开展的项目越来越多，了解发达国家和地区的设计规范对我国建筑企业意义重大。在钢管混凝土结构设计方面，目前国际上应用范围较广的相关规范主要有美国标准ANSI/AISC 360-16（以下简称“美标”）和欧洲标准EN 1994-1-1（2004）：EC4（以下简称“欧标”），我国现阶段采用的钢管混凝土结构设计方面的规范为GB 50936—2014（以下简称“国标”）。材料特性和参数取值不同，对计算结果有不同程度的影响；计算理论和设计方法不同，确定的承载力大小也有所区别，为更好地开展中空夹层钢管混凝土柱的设计工作，本文从材料特性和设计公式两方面着手，对比欧标、国标和美标的相关规定，并利用试验数据验证各规范计算结果的预测精度，为类似工程实践提供参考。

1??材料特性对比

1.1??材料分项系数

国标和欧标中关于材料强度设计值的规定类似，均由材料强度标准值除以材料分项系数 得到， 取值与材料种类、荷载类型和受力特性有关，美标直接采用圆柱体强度作为设计的强度指标，类似直接采用国标中的标准值进行设计，故美标没有材料分项系数的说法。 为便于工程应用，本文将各规范关于材料分项系数的取值列于表1。

1.2 ??混凝土

欧标和国标通过测定 ?150×300圆柱体或边长150?mm的立方体抗压强度作为混凝土强度标准值，对普通混凝土，欧标涵盖了C12/15（C12/15表示圆柱体强度标准值为12?MPa，立方体强度标准值为15?MPa）到C90/105范围内强度指标的取值方 法；国标涵盖了C15（C15表示立方体强度标准值为15?MPa）到C80范围内强度指标的取值方法，并利用分项系数将强度标准值换算为设计值作为混凝土的设计指标；美标通过测定 150×300或?100× 200圆柱体抗压强度作为混凝土的设计指标，各规范关于普通混凝土强度指标的取值对比见表2。对于轻骨料混凝土，其强度设计值取值方法有所不同，应根据各标准的相应要求重新选取。

欧标规定混凝土弹性模量Ec按式（1）取值：

（1）

国标规定混凝土弹性模量Ec按式（2）取值：

      （2）    

式中：fcu,k为立方体抗压强度标准值。

美标规定混凝土弹性模量Ec按式（3）取值 （表3）：

      （3）    

1.3??钢管/钢材

欧标将钢材划分为S235, S275, S355, S450等类型，并给出了各钢材的名义屈服强度和极限强度值，利用分项系数将名义强度换算为设计指标。国标中常见的建筑钢结构牌号主要有Q235, Q345, Q390, Q420, Q460等，根据厚度不同给出了钢材的屈服强度和极限强度，并给出了不同受力情况下的强度设计值（表4）。美标常见的钢管牌号主要有ASTM A53, ASTM A500, ASTM A847等。

注：厚度对钢材强度指标有一定的影响，为方便比较，表4所列强度适合于厚度不大于16?mm的钢材；美标所列指标为B级钢材对应的强度。

2??轴压承载力公式对比

计算中空夹层钢管混凝土柱的轴压承载力时，建议分为2部分：一部分是由外钢管与混凝土组合而成的钢管混凝土柱的轴压承载力 ，另一部分是内部钢管的轴压承载力 ，将2部分承载力相叠加进而得到中空夹层钢管混凝土柱的承载力 N 。

2.1??欧标EN 1994-1-1（2004）: EC4

EC4建议的中空夹层钢管混凝土柱轴压承载力计算公式如下：

        （4）    

式中： 和 分别为外部钢管和内部钢管的屈服强度； 和 分别为外部钢管和内部钢管的截面面积； 为混凝土抗压强度设计值； 为混凝土截面面积。

对于外钢管为圆钢管的中空夹层钢管混凝土柱，考虑到圆钢管的约束效果对构件承载力有较大的提升作用，亦可采取式（5）~式（7）进行计算：

        （5）    

 （6）

 （7）

2.2??国标GB 50936—2014

GB 50936—2014《钢管0混凝土结构技术规范》建议的中空夹层钢管混凝土柱轴压承载力计算公 式为：

      （8）    

      （9）    

      （10）    

式中：Asc为外部钢管和混凝土截面面积之和，其他参数含义同上。

外钢管为矩形截面时：

      。    

外钢管为圆形截面时：

      。    

2.3?? 美标ANSI/AISC 360-16

美国钢结构规范ANSI/AISC 360-16建议的中空夹层钢管混凝土柱轴压承载力计算公式分为如下2种情况：

当 时：

      （11）    

当 时：

      （12）    

当 时：

       （13）    

式（11）~式（13）中，宽厚比相关参数取值见 表5。

外钢管为矩形截面时：

      。    

外钢管为圆形截面时：

      。    

3 ??数据验证

本文共收集了9个中空夹层钢管混凝土柱的试验数据，利用该数据库对各规范计算结果的预测精度进行验证。

通过对比发现对同一个中空夹层钢管混凝土构件，各规范的计算结果均较保守，其中采用美标算得的轴压承载力最高，按欧标算得的轴压承载力次之，按国标算得的轴压承载力最低。

4??结束语

对于国标C20~C60范围内相同等级的混凝土：国标规定的设计强度fc最低、欧标规定的设计强度次之，美标规定的设计强度最高。欧标规定的混凝土弹性模量Ec最高、国标的混凝土弹性模量次之，美标的混凝土弹性模量最低。

中空夹层钢管混凝土承载力可理解为由外部钢管混凝土和内部钢管2部分组成，通过对比欧标、国标和美标相关规范的计算公式，并利用试验数据对其预测精度进行验证，发现欧标EC4、国标GB 50936和美标ANSI/AISC 360对中空夹层钢管混凝土柱的轴压承载力的计算均偏保守；相比较而言，美标的预测精度最高、欧标预测精度次之，国标的预测精度 最低。