基于极限平衡理论的复式钢管混凝土轴心受压承载力计算方法

摘要: 根据极限平衡理论，将其研究成果运用到复式钢管混凝土柱轴心受压承载力的计算中，同时分析复式钢管混凝土柱轴心受压的破坏机理。通过分析复式钢管混凝土各部分的应力状态和屈服条件，建立截面的力学平衡方程，提出计算复式钢管混凝土柱轴心受压承载力的简化模型。模型中采用内钢管对其管内混凝土提供约束，外钢管对混凝土不提供约束，只承担轴心受压承载力的假定，将计算结果与文献中外方内圆钢管截面试件轴心受压承载力试验值进行对比分析，吻合较好，验证该方法的合理性和有效性，为复式钢管混凝土柱轴心受压承载力的计算和优化设计提供理论依据。
　　关键词: 复式钢管混凝土; 极限平衡理论; 轴压承载力
1 复式钢管混凝土柱的破坏机理依据钱稼茹等所做的复式钢管混凝土短柱轴压试验现象，现对外方内圆复式钢管混凝土柱承受轴心受压荷载时的破坏机理进行如下探讨。其中外方内圆的复式钢管混凝土柱截面。由于钢和混凝土的泊松比相差悬殊，在加载初期，钢管和混凝土几乎没有受到约束，都近似处在单向受压状态，并且由于荷载较小，试件各部分都具有弹性性质，此时竖向承载力和纵向应变关系曲线近似为直线。当荷载加大，混凝土的横向应变将超过复式钢管的横向应变，就会在混凝土和钢管之间产生相互约束力，即混凝土产生环向受压、钢管内部产生环向受拉和径向受压的作用，该段过程是一个复杂的非线性受力过程，接近竖向力峰值点时，竖向力和纵向应变的关系图呈曲线。
　　承载力和应变关系曲线的峰值点以前试件没有明显形状变化，过峰值点后，随着纵向应变的增大，外钢管和内钢管( 试验后敲开发现) 出现鼓曲，而且不只是一圈鼓曲，内外钢管鼓曲的位置大致相同，当承载力下降到峰值的 65% ～75% 时，大部分试件开始出现竖向承载力增强的现象，类似于结构连续倒塌试验中的悬链效应，出现该想象的原因可能是内圆钢管在加载初期受到内外混凝土的约束，受压性能没有充分发挥，随着外方钢管的屈服，其性能得到释放，使得竖向力增大，另外可能是钢管连续的鼓曲，材料不断出现较大变形，竖向力呈现出峰值与峰值的不稳定过渡。
　　从试验完成后的破坏特征中注意到，大部分试件的外方钢管角部出现撕裂，外方钢管和内圆钢管之间的混凝土仍然保持整体，但是已经酥松或局部压碎，基于该现象，在本文的计算方法中假定内圆钢管对其管内混凝土提供约束，外方钢管对混凝土不提供约束，只承担轴心受压承载力，基于该假定在文献提出的承载力计算公式对应计算值和试验值最接近。
　　2 复式钢管混凝土柱极限承载力分析2． 1 极限平衡理论极限平衡理论是将结构看做是由一系列构件组成的体系，已知构件的变形方式和屈服条件，忽略一些复杂因素，对理论模型进行简化，对极限条件列出静力平方程，解出结构的极限承载力，该方法不关心加载历史和变形过程，不需要材料的本构关系，可以直接根据结构处于极限状态的平衡条件求出极限状态的承载力数值。
　　2． 2 基本假定( 1) 内圆钢管对其管内混凝土提供约束，外方钢管对混凝土不提供约束，只承担轴心受压承载力。
　　( 2) 外方钢管和内圆钢管、内外混凝土的极限条件是稳定的，钢管采用 Von Mises 屈服条件，内混凝土屈服强度 σnc采用式( 1) 如下:σnc= fnc( 1 + 1． 5pf槡nc+ 2pfnc) ( 1)式中: fnc是混凝土轴心抗压强度; p 是内混凝土和内圆钢管之间的侧压力。
　　( 3) 复式钢管混凝土柱截面是由外方钢管、内圆钢管、内外混凝土组成，内混凝土处在三向受压状态.
2． 3 计算公式推导根据的受力简图可知，试件的极限状态存在5 个未知数，即: 外荷载 Nu、内混凝土的纵向应力σnc、内圆钢管的纵向应力 σnt1和环向应力 σnt2，内混凝土和内圆钢管之间的侧压力 p 。需要建立 5 个独立方程才能求解。由静力平衡条件，建立如下方程:Nu= Awcσwc+ Awsσws+ Ancσnc+ Ansσnt1( 2)2σnt2t2= dnp ( 3)σnc= fnc( 1 + 1． 5 p/f槡nc+ 2p / fnc) ( 4)式中: Awc和 Anc为外、内核心混凝土的截面积; Aws和Ans为外方钢管、内圆钢管的截面积; σwc和 σnc为外、内核心混凝土的纵向应力; σws为外方钢管的纵向应力; t2为内圆钢管壁厚; dn为内圆钢管的内径; d 为内圆钢管的外径(; fnc为内混凝土轴心抗压强度。
　　
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