鋼管混凝土束墻是我國(guó)發(fā)明的一種新型抗側(cè)力構(gòu)件,它從矩形鋼管開(kāi)始,向一個(gè)方向焊接一個(gè)個(gè)冷彎寬翼緣卷邊 U 形鋼,形成一字形多腔鋼管墻,并在現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土,形成多腔鋼管-混凝土組合墻。目前一字形鋼管混凝土束墻的彎扭失穩(wěn)公式直接引用了箱形柱的相應(yīng)公式,尚缺乏深入的研究。為此對(duì)一字形鋼管混凝土束墻截面壓彎墻繞弱軸的彎扭屈曲承載力驗(yàn)算公式進(jìn)行了理論研究,主要工作如下:

1) 對(duì)一字形鋼管混凝土束墻繞強(qiáng)軸和繞弱軸兩個(gè)方向的單向壓彎強(qiáng)度公式進(jìn)行了推導(dǎo),研究了束墻退化成夾層板時(shí)繞強(qiáng)軸和繞弱軸的軸力-彎矩相關(guān)公式,對(duì)鋼管混凝土束墻的單向壓彎強(qiáng)度公式進(jìn)行了擬合;

2) 對(duì)給定壓力時(shí)雙向彎矩作用下的塑性鉸狀態(tài)的雙向彎矩相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算,提出了精度良好略偏安全的公式;將提出的公式進(jìn)行改造,使之能夠考慮雙力矩的影響;

3) 參照壓彎桿平面內(nèi)穩(wěn)定驗(yàn)算公式的推導(dǎo)方法,利用已知的繞弱軸彎曲屈曲的柱子穩(wěn)定系數(shù)公式,將初始彎曲和二階彎矩代入繞弱軸的強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系,反推獲得了壓桿繞弱軸彎曲屈曲的等效初始彎曲,該等效初始彎曲綜合考慮了殘余應(yīng)力、初始彎曲和塑性開(kāi)展過(guò)程帶來(lái)的額外撓度增量;

4) 對(duì)有初始彎曲和扭轉(zhuǎn)壓彎桿的彈性彎扭變形進(jìn)行了二階分析,在引入初始彎曲和初始扭轉(zhuǎn)的特定關(guān)系后,得到了二階效應(yīng)放大后的彎曲、扭轉(zhuǎn)、彎矩和雙力矩的簡(jiǎn)單的解析表達(dá)式;

5) 考察了鋼管混凝土束墻純彎時(shí)的彎扭屈曲承載力,發(fā)現(xiàn)即使彎曲失穩(wěn)的長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到 1.6,彎扭屈曲的長(zhǎng)細(xì)比仍小于 0.5,因此束墻的純彎承載力可以達(dá)到塑性彎矩;

6) 引入等效初始彎曲,采用平面內(nèi)二階分析獲得的二階彎矩,平面外二階彎矩和二階雙力矩等,代入雙向壓彎強(qiáng)度計(jì)算式,得到壓彎桿彎扭屈曲承載力的上限解。

為了獲得更為接近實(shí)際的承載力相關(guān)關(guān)系,對(duì)彈性分析得到的平面內(nèi)二階彎矩和平面外二階彎矩以及雙力矩進(jìn)行彈塑性放大,得到了鋼管混凝土束墻壓彎時(shí)的彎扭屈曲計(jì)算公式,由此得出的一系列曲線表明:在長(zhǎng)細(xì)比小時(shí),曲線接近強(qiáng)度相關(guān)曲線,長(zhǎng)細(xì)比增大時(shí),相關(guān)曲線更高; 當(dāng)彎曲屈曲長(zhǎng)細(xì)比不切實(shí)際地增大時(shí)(但彎扭屈曲長(zhǎng)細(xì)比為 2.5),曲線才接近彈性屈曲相關(guān)曲線。依據(jù)得到的公式,文中提出了簡(jiǎn)化程度不同的三組公式,可根據(jù)簡(jiǎn)單性偏好分別采用。

鋼管混凝土束墻(CFT 墻)是國(guó)內(nèi) 2014 年以來(lái)新發(fā)展出來(lái)的具有非常好的抗震性能的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,它從矩形鋼管開(kāi)始,然后沿一個(gè)方向焊接一個(gè)個(gè)冷彎寬翼緣卷邊 U 形鋼,形成一字形多腔鋼管墻,并在現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)填混凝土而成,墻厚度最小為 130 mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度和剛度的需求,2 或 3 片工形 CFT 墻可以組合形成 L 形和 T 形墻的布置。

目前,鋼管混凝土柱和鋼管混凝土束墻的平面外穩(wěn)定均套用了 GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)箱形柱的平面外穩(wěn)定計(jì)算公式:

式中: N 為軸力; M_x為繞強(qiáng)軸 x 軸的彎矩; φ_y為墻受壓繞弱軸屈曲穩(wěn)定系數(shù); N_p 為墻全截面受壓進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)的軸力; M_px0 為繞強(qiáng)軸純彎形成塑性鉸時(shí)的塑性鉸彎矩。

N_p 和 M_px0 按照鋼材為理想彈塑性材料計(jì)算,屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值記為 f_yk ,混凝土也簡(jiǎn)化成受壓理想彈塑性材料,其受壓區(qū)的強(qiáng)度達(dá)到混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f_ck 。

對(duì)鋼管混凝土束墻截面壓彎桿彎扭屈曲承載力公式進(jìn)行了理論分析,主要結(jié)論如下:

1) 對(duì)比了規(guī)范公式、截面強(qiáng)度公式以及彎扭屈曲公式,指出在長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)存在著拋物線形狀發(fā)生變化的可能性;

2) 對(duì)有初始彎曲和扭轉(zhuǎn)的鋼管混凝土束墻的彈性變形進(jìn)行了二階分析,給出了解析解,將初始彎曲和初始扭轉(zhuǎn)的比值引入式(33a)的關(guān)系后解析解得以簡(jiǎn)化,方便應(yīng)用;

3) 對(duì)鋼管混凝土束墻截面單向壓彎塑性鉸狀態(tài)的強(qiáng)度公式進(jìn)行了單一表達(dá)式擬合,提出式(12)和式(19),其精度高;

4) 對(duì)截面雙向壓彎相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算和擬合,式(22)精度良好;

5) 將初始彎曲對(duì)應(yīng)的二階彎矩和軸力代入強(qiáng)度相關(guān)公式得到壓桿的穩(wěn)定系數(shù),反推出等效初始彎曲,即式(25),以備下一步應(yīng)用。

6) 采用平面內(nèi)二階彎矩,引入等效初始彎曲和平面外二階彎矩等引入彎矩的進(jìn)一步放大,代入式(42a),推導(dǎo)出了鋼管混凝土束墻截面壓彎桿的彎扭屈曲計(jì)算公式,畫出了曲線。

7) 擬合了鋼管混凝土束墻截面壓桿彎扭屈曲計(jì)算公式(49)、式(50),其偏于安全且公式簡(jiǎn)便。式(51)則建議用于鋼管混凝土柱,因?yàn)樵撌接幸欢问瞧话踩?在這個(gè)不安全的區(qū)域正好會(huì)由平面內(nèi)穩(wěn)定公式控制。