钢骨-方钢管混凝土组合短柱偏压承载力研究
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摘要：采用在小偏心范围内基于钢筋混凝土构件的极限状态设计法对钢骨-方钢管混凝土组合短柱的偏压承载力计算公式进行推导，探讨了钢骨、方钢管和混凝土三者变形协调下的偏压承载力，确定该类组合柱的计算假定，明确中和轴位置的选取，并随之推导出偏压承载力计算公式。由于钢骨、方钢管和混凝土三者之间变形协调，相互作用，可以有效的提高柱子的承载能力，为促进其在工程实践中的应用提供了理论依据。
关键词：组合柱，方钢管混凝土，偏压承载力，极限状态设计法
1 引言
为了更好地适应当代工程结构向大跨、高耸、重载方向发展和工业化生产施工的需要，钢骨-方钢管混凝土组合柱作为一种重载柱将在我国的国民建设和发展中扮演着重要的角色[1,2]。目前，已有学者对该类组合构件进行了试验和理论方面的研究[3-6]，但对于钢骨-方钢管混凝土偏心受压承载力研究未见报道。因此，笔者将采用基于钢筋混凝土构件的极限状态设计法对钢骨-方钢管混凝土组合短柱在小偏心范围内的偏压承载力公式进行推导，给出小偏心情况下该组合住的承载力计算公式。
2 极限状态设计法
2.1 计算假定
在小偏心范围内，钢骨-方钢管混凝土组合柱偏心受压承载力按下列基本假定进行计算[7-9]：
①构件变形后截面平均应变符合平截面假定；
②不考虑混凝土的抗拉强度；
③受压区混凝土的应力图简化为等效的矩形应力图，其高度取按平截面假定所确定的受压区高度乘以系数0.8，相应的最大压应力取为混凝土轴心抗压强度fc；考虑钢骨截面的影响，压区混凝土的面积乘以0.9的折减系数，同时考虑方钢管对混凝土的约束作用，压区混凝土的强度再乘以1.2的增大系数。
④方钢管和钢骨的应力图形按全塑性假定简化为拉压区图形（如图1所示），这样的简化与钢材的实际应力图形较为吻合。即在小偏心范围内，弯矩作用在一个主平面内的钢骨-方钢管混凝土组合柱偏心受压构件，假定方钢管混凝土压弯构件破坏时，方钢管受压区截面部分屈服，受拉边未屈服，且整个截面没有发生局部屈曲；钢骨部分整个截面受压，部分屈服，部分未屈服。计算时假定钢管和钢骨的拉压强度相等，即，，弹性模量也相等，即，。
⑤为简化计算，当钢骨形状为十字形时按工字形考虑。
(a)截面示意图 (b)方钢管混凝土应变图和应力图 (c)钢骨应变图和应力图
(a)截面示意图(d)截面受力图
图1 钢骨-方钢管混凝土组合柱的偏心受压承载力计算
Fig.1 Calculation for flexural capacity of square steel tubular columns filled with
steel-reinforced concrete member
2.2 中和轴位置的判断
中和轴与钢骨的相对位置不同，构件抗弯承载力的计算式也不同，因此在计算抗弯承载力时首先要判断中和轴的位置。钢骨-方钢管混凝土组合柱偏心构件中和轴的位置会出现六种情况：中和轴位于方钢管受压边缘至钢骨上翼缘之间；中和轴位于钢骨上翼缘内；中和轴位于钢骨上翼缘至形心轴腹板以上；中和轴位于形心轴腹板以下至钢骨下翼缘；中和轴位于钢骨下翼缘内；中和轴位于钢骨下翼缘至方钢管受拉边缘之间。需要说明的是，以上六种情况在截面承载力校核时都有可能出现，而在实际的设计中一般要求中和轴不能位于钢骨上翼缘以上。原因是当中和轴位于钢骨上翼缘以上时，钢骨全截面受拉，其上翼缘与混凝土的界面之间有较大剪应力，并可能引起相对滑移，导致钢骨与混凝土不能完全协同工作。基于2.1节假定，小偏心范围内，公式推导只针对中和轴位于钢骨下翼缘至方钢管受拉边缘之间时的情况。
2.3 小偏心受压承载力的计算
在小偏心范围内，钢骨-方钢管混凝土组合柱承受偏心压力到达承载力极限状态时的截面应力如图1所示。根据力的平衡条件及力矩平衡条件可得：
(1)
(2)
其中，可根据截面应变保持平面的假定计算，近似求出各应力值（式3~6）：
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
式中，N为构件的偏压承载力；M为构件的抗弯承载力；fc为混凝土的轴心抗压强度；x为混凝土受压区高度；B为方钢管的外边长；t为方钢管的壁厚； fyt、fys分别为方钢管和钢骨的拉压强度；tw、hf、tf分别为钢骨的腹板厚度、翼缘宽度和翼缘厚度；为混凝土受压区边缘至钢骨上翼缘的距离；为方钢管受压侧腹板未屈服应力；为方钢管受拉侧腹板未屈服应力；为方钢管受拉侧边缘应力；为钢骨受压侧未屈服应力。
3 小结
文章对钢骨-方钢管混凝土组合短柱的偏压承载力进行了理论分析，得出以下主要结论：
①在小偏心范围内，确定了计算钢骨-方钢管混凝土组合柱偏心受压承载力的基本假定。
②小偏心范围内，公式推导只针对中和轴位于钢骨下翼缘至方钢管受拉边缘之间时的情况。
③采用在小偏心范围内基于钢筋混凝土构件的极限状态设计法对钢骨-方钢管混凝土组合短柱的偏压承载力计算公式进行推导。
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