方钢管混凝土短柱轴压承载力尺寸效应研究 陆新征1，张万开1 ， 李易2， 叶列平1 1. 土木工程安全与耐久教育部重点试验室，清华大学土木工程系，北京，100084 2. 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京工业大学，北京，100124 沈阳建筑大学学报(自然科学版)/Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science), 2012, 28(6): 974-980. 下载论文全文/Download PDF Version 钢管混凝土试验数据下载（252个） 摘  要：目的 方钢管混凝土短柱轴心受压承载力存在尺寸效应，为了提高大尺寸方钢管混凝土轴心受压承载力设计计算的准确性，研究了考虑尺寸效应的方钢管混凝土短柱轴压承载力计算方法. 方法 笔者介绍了日本AIJ规范、美国AISC-LRFD规程、欧洲EC4规范和我国韩林海等提出的方钢管混凝土短柱轴压承载力计算公式，并用这些公式对收集的大量实验结果进行了计算分析，然后在已有的计算公式基础上引入尺寸效应模型，采用修正后的计算公式进行计算并与未修正的计算结果进行比较. 结果 现有的方钢管混凝土短柱轴压承载力计算公式的计算结果存在明显的尺寸效应，而在这些计算公式中引入尺寸效应模型进行修正后，计算结果的尺寸效应得到了明显改善. 结论 本文述及的四种计算公式都存在随着构件尺寸增大计算结果比实验值偏大的趋势，即计算公式无法准确反映构件轴压承载力存在的尺寸效应；通过引入混凝土材料的尺寸效应模型，对方钢管混凝土轴压承载力计算公式进行修正，可以有效减小方钢管混凝土轴压承载力的尺寸效应影响，从而为方钢管混凝土轴心受压承载力设计计算提供参考. 关键词：方钢管混凝土柱；轴压承载力；尺寸效应；设计方法 中图分类号：TU375  文献标志码：A Size Effect of Axial Strength of Concrete-Filled Square Steel Tube Columns Xinzheng Lu1, Wankai Zhang1, Li Yi2, Lieping Ye1  1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing, P.R. China, 100084 2. Beijing Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology, Beijing, P.R. China, 100124 Abstract: Concrete-filled square steel tube columns with very large sectional sizes are widely applied in recent years. However, the existing axial strength models of concrete-filled square steel tube column are proposed mostly based on small sectional size specimens. Thus, the accuracy of existing models for large specimens, viz the size effect of these models, needs further investigation. In this work, the design methods to calculate the axial strength of concrete-filled square steel tube column proposed by the AIJ code of Japan, the AISC-LRFD design specification of the United States, the EC4 code of Europe and Han of China are introduced. Based on 252 test specimens, the comparisons between the test results and the computational results by different design methods are conducted. It can be concluded from the comparison that the design methods for the axial strength of concrete-filled square steel tube columns have obvious size effects. The existing design models may overestimate the strength of the specimens with large sectional size. By introducing the size effect model of concrete, the design methods are modified and the predicted results are obviously improved. This method considering size effect may provide a reference on calculating the axial strength of concrete-filled square steel tube columns with large size. Key words: Concrete-filled square steel tube columns; axial strength; size effect; Design method
 混凝土作为一种准脆性材料，其材料性能存在随试件几何尺寸变化的尺寸效应，典型的例子是相同混凝土配制的试件的轴压强度随试件尺寸增大而减小[1]-[2].国内学者也对混凝土构件轴压性能的尺寸效应开展了研究[3].混凝土的尺寸效应在方钢管混凝土承载力中也有明显体现.吴寒亮[4]等根据Bazant的统一尺寸律[5]-[6]分析了5组共19个圆钢管混凝土柱轴心受压实验，结果表明圆钢管混凝土轴心受压柱的尺寸效应满足Bazant的统一尺寸律.李小伟[7]采用折减混凝土强度的方法考虑混凝土材料的尺寸效应，推导了方钢管混凝土极限承载力计算公式，计算值与实验结果符合良好.Sakino[8]等人在钢管混凝土柱轴压承载力计算中引入混凝土强度折减系数以考虑混凝土受压强度的尺寸效应，计算结果与实验结果吻合良好.Yamamoto[9]等通过考虑混凝土强度的尺寸效应提出了计算方钢管混凝土短柱承载力的方法，在一定范围内可以提高方钢管混凝土短柱的承载能力计算精度. 现有的研究表明，通过参考混凝土材料的尺寸效应研究成果，在方钢管混凝土柱轴压承载力计算中引入混凝土强度折减系数，可以取得较好效果.但现有的研究主要是不同学者在各自提出的计算公式上进行了考虑混凝土材料尺寸效应的修正，且统计的数据量也比较小.而对已成文的规范或规程的计算公式，并没有进行基于大量试验数据的相关研究.笔者介绍了日本AIJ规范、美国AISC-LRFD规程、欧洲EC4规范和我国韩林海等提出的四种方钢管混凝土短柱轴压承载力计算公式，这些公式并没有明确将混凝土材料的尺寸效应考虑在其中，因此笔者采用前述思路对各个计算公式进行修正，以考察这些计算公式在考虑尺寸效应前后的计算结果差异.

1          方钢管混凝土尺寸效应修正公式

 (1)

BlanksMcNamara[11]通过对混凝土圆柱体抗压强度实验进行仔细研究后，认为混凝土圆柱体轴心抗压强度存在尺寸效应，并提出以下尺寸效应系数gU对混凝土圆柱体轴心抗压强度进行修正：

 (2)

 (3)

2          不同公式计算结果

2.1    韩林海公式

 (4)

 (5)

 (6)

 (a) （式4）不考虑尺寸效应 (b) （式5）考虑尺寸效应 图1 韩林海公式计算结果 Fig. 1 The results of HLH formula

2.2    日本AIJ规范

 (7)

 (8)

 (9)

 (a) （式7）不考虑尺寸效应 (b) （式8）考虑尺寸效应 图2 日本AIJ计算公式计算结果 Fig. 2 The results of AIJ formula

2.3    美国AISC-LRFD规程

 (10)

 (11)

 (12)

 (13)

 (14)

 (a) （式12）不考虑尺寸效应 (b) （式13）考虑尺寸效应 图3  美国AISC-LRFD规程计算公式计算结果 Fig. 3 The results of AISC-LRFD formula

2.4    欧洲EC4规范

EC4 规范[18]-[19]按下式(15)(16)计算方钢管混凝土轴压构件承载力，

 (15)

 (16)

 (17)

 (18)

 (a) （式16）不考虑尺寸效应 (b) （式17）考虑尺寸效应 图4 欧洲EC4规范计算公式计算值与实验值 Fig. 4 The calculation results of Eurocode 4 formula

3          计算结果比较

1 各计算公式计算结果比较

Table 1 Comparison of the result of each formula mentioned above

 计算式 所有试件 D≤200mm试件 D>200mm试件 NucA / Nue NucB / Nue NucA / Nue NucB / Nue NucA / Nue NucB / Nue 韩林海 平均值 0.975 0.986 0.954 0.980 1.063 1.012 均方差 0.122 0.119 0.120 0.125 0.086 0.081 变异系数 0.125 0.121 0.126 0.128 0.081 0.080 日本AIJ 平均值 0.890 0.982 0.873 0.976 0.979 1.013 均方差 0.128 0.139 0.133 0.146 0.092 0.086 变异系数 0.144 0.142 0.152 0.150 0.094 0.085 美国AISC-LRFD 平均值 0.883 0.986 0.863 0.978 0.983 1.020 均方差 0.136 0.144 0.132 0.149 0.111 0.109 变异系数 0.154 0.146 0.153 0.152 0.113 0.107 欧洲EC4 平均值 0.964 0.986 0.938 0.979 1.093 1.018 均方差 0.149 0.141 0.140 0.147 0.122 0.105 变异系数 0.155 0.143 0.149 0.150 0.112 0.103

4          外推计算比较

2 各计算公式外推计算结果比较

Table 2 Comparison of the extrapolated result of each formula mentioned above

 D/mm t/mm D/t fy/MPa fcu/MPa NucA/NucB 韩林海公式 日本AIJ 美国AISC-LRFD 欧洲EC4 1000 10.00 100.0 210.0 50.0 1.395 1.172 1.222 1.387 1000 20.00 50.0 210.0 50.0 1.303 1.142 1.182 1.317 1000 50.00 20.0 210.0 50.0 1.169 1.089 1.113 1.197 2000 20.00 100.0 210.0 50.0 1.562 1.365 1.449 1.645 2000 40.00 50.0 210.0 50.0 1.419 1.292 1.356 1.513 2000 100.00 20.0 210.0 50.0 1.224 1.175 1.209 1.302 3000 30.00 100.0 210.0 50.0 1.664 1.487 1.594 1.811 3000 60.00 50.0 210.0 50.0 1.487 1.384 1.462 1.632 3000 150.00 20.0 210.0 50.0 1.255 1.223 1.262 1.360

 (a) D/t =100 (b) D/t =50 图5 不同宽厚比的外推计算结果比较 Fig. 5 Comparison of the extrapolated result for each formula mentioned above with different width-thickness ratio

5          结语

(1)选取了国内学者韩林海、日本AIJ规范、美国AISC-LRFD规程和欧洲EC4规范提出的四种钢管混凝土构件轴心受压承载力计算公式，对收集得到的252个方钢管混凝土短柱轴压实验数据进行计算，计算结果表明，随着构件截面尺寸增大，这四种计算公式的计算结果都有比实验值偏大的趋势，即计算公式无法准确反映构件轴压承载力存在的尺寸效应.

(2)通过将混凝土的尺寸效应模型引入方钢管混凝土轴心受压构件计算公式，可以有效削弱各计算公式随着截面尺寸增大而结果偏高的趋势，提高各计算公式的准确性，从而为方钢管混凝土轴心受压承载力设计计算提供参考.

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