加劲型矩形钢管混凝土的轴压承载力对比分析

格桑泽仁

(西藏自治区交通工程质量安全监督局，西藏 拉萨 850000)

0 引 言

钢管混凝土结构凭借其套箍效应显著、延性好等优点在工程中的应用非常广泛。但在使用中发现钢管混凝土结构普遍会受收缩徐变、日照温差等因素的影响，钢管混凝土界面黏结力容易被克服而脱黏，即钢-混凝土界面脱黏或界面发生剪切滑移。此外，钢管混凝土轴压构件核心混凝土截面脱空率大于2%时，构件的承载力降低达20%以上，钢管对核心混凝土的套箍作用会削弱甚至失效[1]。本文主要研究钢管混凝土钢管内壁设加劲构造措施，以解决套箍效应不显著及脱黏问题，且仅限于矩形截面。

1 加劲肋的构造形式

矩形钢管截面由4个直边组成，同一截面处钢管对核心混凝土的约束作用不均匀，角部约束最强，直边中部约束最弱[2-3]，故矩形钢管混凝土的承载力、延性比同等截面尺寸的圆钢管混凝土略低，且管壁易发生局部屈曲，使得钢材和混凝土的强度不能充分发挥。

基于此，国内外学者针对矩形钢管混凝土套箍效应不显著、钢-混界面黏结应力容易被克服而脱空等问题，已经尝试过多种防止钢板发生局部屈曲和提高钢管对核心混凝土约束作用的措施，如在钢管内设置隅撑、钢筋笼、钢筯加劲肋、栓钉、直肋、斜肋、约束拉杆、锯齿形加劲肋，以及在钢管外侧设置钢筋加劲肋、加劲直肋等[4-13]，具体如图1所示。

图1 延缓钢管混凝土局部屈曲的构造形式

2 轴压承载力分析

混凝土轴压短柱承载力提高系数β是反映轴压短柱构件承载力的有效指标，主要受宽厚比、含钢率、套箍系数、加载方式等因素影响，这为评价矩形钢管混凝土各类加劲形式的极限承载力提供了重要依据，其计算公式为

(1)

式中：Nu为实测极限承载力；No为名义承载力，No=fy×As+fy,t×As,t+fc×Ac，fy、fy,t、fc分别为钢管、加劲肋板的屈服强度和混凝土的轴心抗压强度，As、As,t、Ac分别为钢管、加劲肋板、混凝土的净截面面积，其中As,t=n×ts×(bs-d)，n为加劲肋肋数，其他字母含义与表1备注相同。

根据国内外各类加劲肋和无肋矩形钢管混凝土轴压短柱试验，在钢管和混凝土共同受力加载模式下，共收集了74根无肋矩形钢管混凝土短柱、31根设直肋矩形钢管混凝土短柱、17根设约束拉杆矩形钢管混凝土短柱、13根设钢筋笼和钢筋加劲肋矩形钢管混凝土短柱、4根设斜肋拼接矩形钢管混凝土短柱、4根设锯齿形直肋的拼接矩形钢管混凝土短柱和9根设PBL加劲肋矩形钢管混凝土短柱试件，并依据式(1)得到各类试件的承载力提高系数β。为便于对比，给出了其最大值βmax、均值βmean和变异系数βvar，具体如表1所示。

由表1可得到各类矩形钢管混凝土短柱承载力提高系数β的最大值、均值，对比关系如图2所示。由图2可看出，设直肋和普通矩形钢管混凝土承载力提高系数β基本一致，均值稍大于1，这说明设直肋和普通矩形钢管混凝土承载力等于其名义承载力；由拼接形成的设直肋钢管混凝土构件承载力较小，在直肋上制造锯齿可以显著提高构件承载力，但均小于其名义承载力；采用斜肋可以极大地提高拼接矩形钢管混凝土承载力，甚至能够超越其名义承载力；设钢筋加劲肋矩形钢管混凝土提高构件承载力接近20%。PBL加劲肋和约束拉杆2种加劲措施的承载力提高系数β最大，能够提高矩形钢管混凝土构件极限承载力20%以上。由此说明，与其他加劲措施相比，PBL加劲肋能够显著提高矩形钢管混凝土的轴压承载力，是对新的矩形钢管混凝土加劲形式的有益尝试。

表1 加劲型矩形钢管混凝土轴压短柱试验统计

图2 承载力提高系数β对比

3 结 语

(1)与现有的加劲措施相比，设PBL加劲肋和约束拉杆矩形钢管混凝土承载力大于其名义承载力，能够提高构件极限承载力20%以上。

(2)由拼接形成的设直肋矩形钢管混凝土构件承载力较小，在直肋上制造锯齿可以显著提高构件承载力，但均小于其名义承载力；采用斜肋可以极大地提高拼接矩形钢管混凝土承载力，甚至能够超越其名义承载力。

(3)与普通矩形钢管混凝土一致，设直肋矩形钢管混凝土承载力基本等于其名义承载力。本文引入承载力提高系数，系统地分析了矩形钢管混凝土各类加劲肋对构件承载力的贡献，发现PBL加劲肋是一种优势突出的新型加劲肋。