鋼管混凝土束墻是我國發(fā)明的一種新型抗側(cè)力構(gòu)件,它從矩形鋼管開始,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、初始彎曲和塑性開展過程帶來的額外撓度增量;

4) 對有初始彎曲和扭轉(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)的長細(xì)比達(dá)到 1.6,彎扭屈曲的長細(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:在長細(xì)比小時(shí),曲線接近強(qiáng)度相關(guān)曲線,長細(xì)比增大時(shí),相關(guān)曲線更高; 當(dāng)彎曲屈曲長細(xì)比不切實(shí)際地增大時(shí)(但彎扭屈曲長細(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,文中提出了簡化程度不同的三組公式,可根據(jù)簡單性偏好分別采用。

鋼管混凝土束墻(CFT 墻)是國內(nèi) 2014 年以來新發(fā)展出來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)場內(nèi)填混凝土而成,墻厚度最小為 130 mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)對強(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)系后解析解得以簡化,方便應(yīng)用;

3) 對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。