钢管混凝土(CFST)受压构件的承载力计算

1 引言

在<钢管混凝土受压构件的工作性能CFST(Concrete-Filled Steel Tube)>一文中, 介绍了CFST在岩土工程和系杆结构桥中的应用. 在工业与民用建筑方面, 特别是超高层建筑,为了抵抗风载荷和地震载荷, 也使用CFST来加强建筑的整体稳定性. 例如建于上世纪90年代位于深圳的赛格大厦,是国内较早使用CFST的超高层建筑. 赛格大厦(SEG Plaza)的主要构件尺寸: 钢管直径为0.7~1.7m，壁厚为12~30mm，混凝土等级为C40~C60. 此外, 一些超高层建筑也使用巨型阻尼器来抵抗建筑的水平运动, 例如高632m(128层)的上海中心和508m高的台北101.

这个笔记仅简要讨论了CFST受压构件承载力的设计计算方法, 分析方法可以使用通用的有限元软件,例如Abaqus来计算, 这将在以后的笔记中进行讨论.

2 CFST轴心受压短柱的承载力分析

(1) 轴心受压短柱的应变场呈轴对称分布；

(2) 在极限状态时，对于 D/t≥20 的薄壁钢管，钢管的应力状态可简化为纵向受压、环向受拉的双向应力状态，并沿钢管壁厚均匀分布；

(3) 混凝土达到极限压应变后为理想塑性材料；

(4) 钢管为理想弹塑性体，且其纵向压应力和环向拉应力在塑性阶段始终满足Von Mises屈服条件

钢管混凝土轴心受压短柱的承载力表达式为：

3 CFST受压构件的承载力

《公路钢管混凝土拱桥设计规范规程》 JTGD65-06建议了钢管为圆形截面的钢管混凝土受压构件承载力方法。将钢管混凝土受压构件的承载力按照具有钢管混凝土组合轴心抗压强度fsc的单一材料受压构件，考虑了连接方式和影响构件承载力主要因素，给出钢管为圆形截面的钢管混凝土构件承载力计算公式。

3.1 单管CFST轴心受压构件承载力计算

(1) 钢管初应力折减系数Kp

钢管混凝土构件内混凝土达到设计强度前空钢管的应力称为钢管初应力。为了反映钢管初应力对钢管混凝土受压构件承载力的影响，承载力计算中采用了钢管初应力折减系数Kp.

(2) 钢管内混凝土脱空折减系数Kd

钢管内混凝土脱空是钢管内壁与钢管内混凝土出现局部脱离的现象，钢管混凝土拱桥主拱等受压构件多出现球冠形的钢管内混凝土脱空现象。产生钢管内混凝土脱空现象的主要原因是过大的钢管内混凝土收缩和向钢管内压筑混凝土的现场施工环节衔接出现问题。钢管内混凝土脱空对钢管混凝土构件承载力和刚度有一定影响，在钢管混凝土受压构件承载力计算中要考虑。钢管内混凝土脱空折减系数Kd 取0.95。

(3) 钢管混凝土组合轴心抗压强度设计值fsc

钢管混凝土受压构件承载力计算中规定的设计强度值，计算表达式为

3.2 单管CFST偏心受压构件承载力计算

4 CFST构件的一般构造要求

(1) 钢管可宜采用卷制焊接直缝管、也可采用螺旋形缝焊接管和无缝钢管。焊缝必须采用对接焊缝，并达到与母材等强的要求。

(2) 钢管材料可选用Q235、Q345或Q390，质量等级应根据使用环境选用B级或B级以上。

(3) 混凝土的强度等级，应符合承载力的要求，并与钢管的钢号相匹配，其强度等级不宜低于C30。一般情况下，Q235钢材宜配C30或C40级混凝土；Q345钢宜配C40、C50或C60级混凝土；Q390钢材宜配C50或C60级以上的混凝土。

(4) 钢管接长时，如管径不变，宜采用等强度的坡口焊缝；如管径改变，可采用法兰盘和螺栓连接，法兰盘应采用带孔板，使管内混凝土保持连续。

(5) 为保证混凝土的浇筑质量，钢管外径不宜小于300mm；为了满足焊接所需的最小厚度要求，钢管壁厚不宜小于10mm。

(6) 为防止空钢管在施工过程中受力时发生管壁局部失稳，钢管外径与壁厚之比，宜小于90，而卷制焊接直缝管宜大于40。

(7) 钢管混凝土的套箍指标 θ 不宜小于0.6。套箍指标满足此要求的构件，在使用荷载作用下处于弹性工作阶段，而在最终破坏前又具有良好的延性。