第８期（总第１２７期） 翘楚建村 试验研究● 钢管混凝土柱抗剪承载力公式 郭淑丽 （福建工程学院，福建福州３５０００７） 摘要本文以４０个铜管混凝土柱抗剪力学性能的试验结果为依托，并结合相关研究，对钢管混凝土柱抗 剪承栽力的影响因素进行了分析，以试验结果对现有的抗剪承载力计算公式进行比较，并推荐了工程设计的实 用计算公式。 关键词钢管混凝土柱；抗剪承载力；参数分析 ０引言 在当今工程实践中，钢管混凝土柱越来越广泛地被应用 于高层和超高层建筑。关于钢管混凝土受力性能的研究，在 轴压、偏压和压弯方面，国内外的研究己较深入，但对钢管 混凝土柱的抗剪性能尚未进行过系统的试验研究，尤其是 １抗剪承载力影响因素 通过对２０个圆钢管混凝土试件和２０个方钢管混凝土 试件剪切试验结果（如表１） 进行分析，并且结合相关试验研 究［３１与理论分析，可得到钢管混凝土柱抗剪承载力受到多种 因素的影响，除了混凝土强度 ｕ、钢材屈服强度ｆｙ和截面形 在对复杂受力状态下，钢管混凝土抗剪承载力的设计理论 的研究更为薄弱。我国的《钢管混凝土结构设计与施工规 程｝（ＣＥＣＳ２８：９０（１９９２））对钢管混凝土抗剪承载力的计算也 未作统一的规定ｆ Ｉ，现有规程中也只对“纯剪”的情况进行 了考虑。但是在某些结构中，钢管混凝土的抗剪能力可能起 着主导作用，此时需根据钢管｝昆凝土柱的抗剪承载力来确定 钢管尺寸。 式外，主要有轴压比ｎ、剪跨比ｍ、含钢率 。 １．１轴压比对抗剪承载力的影响 轴压比对钢管混凝土柱的抗剪承载力具有较大的影响， 随着轴压比的增大，构件的抗剪承载力增大。并且当轴压比 从零渐增时，抗剪承载力随着轴压比的增加而明显增加，当 轴压比大到一定数值时，轴力对钢管混凝土的抗剪承载力的 表１各试件参数和试验结果 Ｔａｂ．１ Ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ 说明：Ｐ 为屈服荷载，对应于ＰＢ的横向剪力称为抗剪承载力，在本文中，抗剪承载力Ｖ＝Ｐ￣／２。Ｐ。为极限荷载。 ●试验研究 适村 ２（）１１年 影响减小 件，其延性也较好。钢管混凝土的优越性能就是由于钢管和 核心混凝土之间的相互作用，可见，含钢率越大，其对混凝土 的约束效应越好，既钢管可对核心混凝土提供足够的约束作 分析其主要原因在于，当轴压比比较小时，钢管和核心 混凝土的纵向应变较小，随着横向位移的增加，钢管和核心 混凝土承受的剪力逐渐增加，核心混凝土由于受到外钢管的 用，使得混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善， 同时钢管混凝土强度和延性也相对增加。 １．４混凝土强度与钢材屈服强度的影响 约束，其抗剪强度得到较大的提高，脆性性能得到改善；当轴 压比较大时，钢管混凝土全截面或大部分截面受压，钢管和 核心混凝土的纵向应变较大，随着横向位移的增加，受压混 在其他参数一定的情况下，随着混凝土强度的提高，钢 凝土的横向变形迅速增加，径向挤压钢管，使得钢管的抗剪 强度很快达到峰值，核心混凝土由于受到外钢管的约束，其 抗剪强度还能继续增加，此时钢管混凝土的抗剪承载力随着 轴压比的继续增大，变化不大。 １＿２剪跨比对抗剪承载力的影响 管混凝土试件的抗剪承载力得到显著的提高，弹性段剪切刚 度也逐渐增大。随着钢材屈服强度的逐渐提高，试件的抗剪 承载力也逐渐增大。钢材的屈服强度对试件弹性阶段的剪切 刚度几乎没有影响，这是因为钢材的剪切模量与其强度无 关。 剪跨比对构件的抗剪承载力具有较大的影响，在其他参 数一定的情况下，随着剪跨比的减小，试件的抗剪承载力逐 ２钢管混凝土抗剪承载力公式比较 在现阶段，因为规范中对钢管混凝土抗剪承载力的计算 未作统一的规定，一般从实用出发，对钢管混凝土柱的抗剪 渐增大，相应的最大变形值随着剪跨比的减小而明显减小。 并且由于剪跨比的不同，造成钢管混凝土柱不同的破坏模 态，产生不同的传力路径。因此剪跨比大的构件塑性开展阶 段比较长，延性比较好。 通过试验研究及相关的理论分析，表明由于剪跨比不 同，造成不同的破坏模态，对钢管混凝土柱抗剪承载力产生 较大影响。当ｍ≤Ｏ．２时，钢管混凝土柱受剪构件破坏为剪切 破坏，破坏形态为在支座处被剪断，此时作用力直接通过荷 载作用点与支座之间的混凝土传递，这部分混凝土就相当于 是一个轴心受压的短柱，这时抗剪承载力很高。而当ｍ＞０．４ 时ｆ４Ｉ，钢管混凝土柱受剪构件破坏为弯曲破坏，破坏形态为危 承载力做出偏于保守的估算，这在一定程度上了钢管混 凝土在工程实践中的应用。因此有必要进行进一步的研究分 析，推荐工程设计的实用计算公式。以下将以试验结果对当 前已有的一些计算公式进行了比较。 在《现代钢管混凝土结构》中提出剪跨比等于零的“纯 剪”，将是钢管混凝土柱的横向极限受剪承载力的上限，即 为： Ｖｏ（ ＝Ａ。 ＋４ ＝０．２ （１＋３号） （１） 式中： 、一钢管混凝土柱受纯剪时的承载力； ４一分别为钢管内的核心混凝土和钢管横截面 钢管混凝土的抗剪强度，一般取 ＝２／， ０．２／ ； 险截面受压区钢管鼓凸，钢管混凝土柱在受拉区断裂，构件 丧失承载力，此时抗剪承载力较小剪跨比构件要小。还可以 看到弯曲破坏的构件破坏时产生了较大的塑性变形，属于延 性破坏 面积； 一． 钢材的抗剪强度，ｌ，＝ ＝０．６Ｚ； 核心混凝土的抗压强度； 一１．３含钢率对抗剪承载力的影响 一钢管的屈服强度； 在其他参数一定的情况下，随着含钢率的提高，钢管混 凝土柱的抗剪承载力得到显著的提高。并且含钢率较大的试 Ｅ一约束效应系数，亏＝Ａｓｆｙ／Ａｃ 。 现把以上理论值和试验值做比较，见表２。 表２试验值和理论值的比较 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ 试件编号 Ｃｌ ｌ Ｃｌ一２ Ｃｌ一３ Ｃ１—４ Ｃ２一ｌ Ｃ２—２ Ｃ２—３ （１２—４ Ｃ３一ｌ Ｃ４—１ 亏 ｌ ｌ８ １．１８ １．１ ８ ｌ １８ １．１８ １．１８ １．１８ ｌ １８ ０．６４ ２．３３ ２１４ ２１４ ２１４ ２１４ ２】４ ２１４ ２１４ ２１４ ２６８ ３４７ Ｖ ２２２ ２５３ ３１８ ３２８ ３６６ ２８５ １８Ｏ １７０ ３３９ ３７０ ’／Ｖ ０．９６ ０．８５ ０．６７ ０．６５ ０．６５ ０ ７５ １．１９ １．２６ ０．７９ ０ ９４ 试件编号 Ｓ１—１ Ｓ１—２ Ｓ１—３ Ｓ１—４ Ｓ２—１ Ｓ２—２ Ｓ２—３ Ｓ２—４ Ｓ３一ｌ Ｓ４—１ １．２５ １．２５ １．２５ １．２５ １．２５ １．２５ １．２５ １．２５ ０．６４ ２ ３３ ２５７ ２５７ ２５７ ２５７ ２５７ ２５７ ２５７ ２５７ ３４１ ４４２ ２４０ ２９ｌ ３５０ ３７３ ４０１ ３１３ １５０ １３４ ４１１ ４３５ ¨／ｖ １．０７ ０．８８ ０ ７３ ０．７ ０．４ ６０ ８２ １．７１ １．９２ ０ ８３ １．０２ 从表２中比较结果可见，对于轴压比等于零的短试件， 试验值与理论值吻合较好，其他均有较大的偏差，由此可 见，轴压比及剪跨比对钢管混凝土抗剪承载力具有较大的 影响。由公式１计算得到的钢管混凝土抗剪承载力不随剪 跨比和轴压比的改变而改变，这是与试验所得的结果不相 符的，公式１未考虑剪跨比和轴压比对钢管混凝土抗剪承 ・２・ 第８期（总第１２７期） 的差异。 楚建村 试验研究一 载力的影响，与实际的钢管混凝土的抗剪承载力具有一定 尧国皇（２００６）（５１分析了剪跨比、轴压比、材料强度等参数 对压弯剪构件荷载一变形关系曲线的影响规律，建议了压弯 剪构件极限承载力的简化计算公式： 当 ≥２（ｐ３Ｉ１。 （Ｉ、 一时 ＋一ｄ Ｍ ）…＋（＋（ ｌ ‘＝ｌ＝１ 时 对于强度问题，上式中稳定系数 ＝ｌ，且可忽略附加弯 曲变形的弯矩放大系数１，ｄ，则可得到钢管混凝土压弯剪构 件强度承载力相关方程如下： 当Ⅳ／Ⅳｕ≥ 。√卜（ ）２时 、Ｎ ｃ … Ｍ （ｆ２ａ ），＋ 、ｖ ＝・ （ｐⅣｕ 、 当Ⅳ Ⅳｕ＜ 。Ｊ卜‘ ）２时 ｃ 一ｃ ＋ ４＿＋（ ＝ ｃｓ 们采用公式３进行计算，并与试验结果进行比较’女口 表。 一ｃ ＋ ‘ ＝１ ｃ２ｈ１ 表３试验值和理论值的比较 Ｔａｂ．３ Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ 试件编号 Ｃｌ—ｌ Ｃ１—２ Ｃｌ一３ Ｃ１－４ Ｃ２—１ Ｃ２—２ Ｃ２—３ Ｃ２—４ Ｃ３—１ Ｃ４一ｌ 毛 １．１８ １．１８ １．１８ １．１８ １．１８ １．１８ １．１８ １．１８ ０．６４ ２－３３ ｖｏ ２４５ ２６９ ３２９ ３４１ ４３０ ２９９ ２１２ １９３ ２９９ ３７５ Ｖ ２２２ ２５３ ３１８ ３２８ ３６６ ２８５ １８Ｏ １７０ ３３９ ３７０ ｖｏ／Ｖ １．１ １．Ｏ６ Ｉ＿Ｏ３ １．０４ １．１７ １．Ｏ５ １．１７ １ １４ ０．８８ １．０１ 试件编号 Ｓ１—１ Ｓｌ一２ Ｓ１—３ Ｓ１—４ Ｓ２—１ Ｓ２—２ Ｓ２—３ Ｓ２—４ Ｓ３—１ Ｓ４—１ 专 ｌ－２５ １．２５ １．２５ １．２５ １．２５ １．２５ １．２５ １．２５ ０．６４ ２．３３ ２７４ ３０６ ３６６ ３９１ ４６９ ３３８ ２２７ ２０１ ３９８ ４４５ ２４０ ２９１ ３５０ ３７３ ４０ｌ ３１３ １５０ １３４ ４１１ ４３５ Ｖｏ／Ｖ １．１４ １．０５ １．０５ １．０５ １．１７ １．０８ １．５１ １．５ ０．９７ １．０２ 图ｌ给出了采用公式３得到的钢管混凝土构件抗剪极 限承载力计算结果（ｖ。）与试验结果（ｖ）的比较。计算结果表 明，对于钢管混凝土，所有试件ｖ。，、，比值的平均值为１．１，均 方差为０．１５５，可见计算结果与试验结果基本吻合。 由此可见，采用公式３计算得到的结果基本大于试验 （１）基于对试验结果的研究分析，及相关的理论分析，对 各主要参数对抗剪承载力的影响进行参数分析。 （２）应用现有的钢管混凝土抗剪承载力计算公式对试验 结果进行了计算，通过对比各公式计算的结果，推荐了工程 设计的实用计算公式。 值，应用于工程设计可考虑乘以一个折减系数。虽然此形式 较为复杂，但与试验结果吻合良好，推荐在设计中使用此公 式进行钢管混凝土抗剪承载力的计算。 参考文献 【１】 杨卫红，钟善桐．钢管混凝土剪切模量的简支梁试验研 究［Ｊ１．哈尔滨建筑工程学院学报，１９９２，２５（４）：３２—３８ ［２】 郭淑丽．钢管混凝土柱抗剪力学性能研究【Ｄ】．福州：福州 大学硕士学位论文，２００８ ［３］ 徐春丽．钢管混凝土柱抗剪承载力试验研究【Ｄ】．济南：山 东科技大学硕士学位论文，２００４ 【４］ 史艳莉，陈宇超，王文达．矩形钢管混凝土构件基本剪 切性能研究Ⅱ】铁道建筑，２０１０，３（３）：１０９—１１１． 【５］ 尧国皇．钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理 研究［Ｄ］．福州：福州大学博士学位论文，２００６ 图１抗剪承载力计算值与试验值的比较 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｕｅｓ ｆｏｒ ｓｈｅａｒｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ 作者简介：郭淑丽，１９８１年出生，女，回族，籍贯：泉州泉 港区，硕士研究生，研究方向为钢与混凝土组合结构。 ３结论 ・３・
