基于中美欧规范的中空夹层钢管混凝土柱设计对比.docx

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1、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

2、用范围较广的相关规范主要有美国标准ANSI/A1SC 360-16 （以下简称“美标”）和欧洲标准ENI994-1-1 （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 509362014 （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

3、中关于材料强度设计值的规定类似，均由材料强度标准V 值除以材料分项系数/m得至IJ,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。表1 材料分项系数取值对比规范混凝土钢管/钢材钢筋Q235Q345普通钢筋预应力 钢筋欧标1.51.01.151.15国标1.41.0901.1251.11.2美标1.2 混凝土欧标和国标通过测定 150x300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 C

4、12/15 （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150x300或IOOX200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。表2混凝土强度指标取值对比MPa规范C20C25C30C45C50C55C60启16202

5、535404550欧标10.713.316.723.326.730.033.3Zv13.416.720.129.632.435.538.5国标Tc9.611.914.321.123.125.327.5美标16202436404448注：fck为圆柱体抗压强度标准值；fc为混凝土抗压强度设计值。 欧标规定混凝土弹性模量EC按式（1）取值：Ec=22（k+8）10310n国标规定混凝土弹性模量EC按式（2）取值：E=XlOY（2.2+347狐C 式中：feu,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）：Ec=4700/;172(3)表3混凝土弹性模量Ec取值对比GP

6、aC20C25C30C45C50C55C60欧标30313336373839国标25.528.030.033.534.535.536.0美标18.821.023.028.229.731.232.61.3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

7、 A500, ASTM A847 等。表4 钢材强度指标对比MPa规范钢牌号屈服强度人极限强度工S235235360欧标S275275430S355355510S450440550Q235235370Q345345470国标Q390390490Q420420520Q460460550A53240415美标A500 （圆形）290400A500 （矩形）315400A847345485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： 部分

8、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Nl, 另一部分是内部钢管的轴压承载力 M,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 ENl994-1-1 (2004) : EC4EC4建议的中空夹层钢管混凝土柱轴压承载力计算公式如下：N=NRNqfy A融 Kf、Al ()、式中： 。和yi分别为外部钢管和内部钢管的屈服强度；s。和AfSl分别为外部钢管和内部钢管的截面面积；Jc为混凝土抗压强度设A计值； C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

9、：N=M+M=愠AXl+% (td) (4k) +4-3s1(5)/a0-0.25 ( 3+2 ) 1.0 ac0=4.9-18.5+172 O (7)2.2 国标 GB 509362014GB 509362014钢管。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：N=N+N1=fsAc+f 4(8)Z=(1.212+C2)X “c=% WfC) = (AJAC) (oc) (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：5=0.13io213+0.723； C=-0.07l4.4+0.026外钢管为圆形截面时：5=0,176213

10、+0.974 ； C=0.10y/14.4+0.031 JO2.3 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： 2当 P时：N=M+乂?儿+0/XtZxI(U)当八P八、/7时：N=fyaAso+C1fcA-( C2-OJ ) (A-Ap)/(NP) 4c4s (12)当r2 W ,max 时：N=NNFAm7fA+fH (13)式(11) 式(13)中，宽厚比相关参数取值见表5。表5美标宽厚比限值规定构件类型4max矩形截如bit2.26 (ESGr2300(E4严5.00(W12圆形截面

11、DltQ5EJfy019E乩031EJfY外钢管为矩形截面时：02=0.85； Fc=9Es(bt)外钢管为圆形截面时：C2=0.95; Fc=0.729fy(DfytEf3、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。