钢板笼混凝土结构（PrefabricatedCageSystemForReinforcingConcrete.docVIP

钢板笼约束混凝土短柱轴压承载力分析与研究 梁扬滨 曾志兴 苏江林 谌意雄 （华侨大学 土木工程学院 福建 泉州 362021） 摘要：为了研究新型结构构件钢板笼（Prefabricated Cage System）混凝土短柱的轴心受压承载力，在已有受约束混凝土本构关系基础上，根据箍筋约束混凝土的拱作用原理，对钢板笼套箍约束混凝土承载力进行分析，推导出钢板笼混凝土轴压短柱的承载力公式，并将计算结果与试验数据进行对比。研究结果表明：钢板笼对混凝土的横向约束与钢管混凝土相似，纵向连接成角钢约束力强，模型计算结果和试验数据吻合较好，为后续的研究和设计提供参考。 关键词：钢板笼；轴压短柱；约束混凝土；承载力 中国分类号：TU360.2　　 文献标识码：A 钢板笼混凝土结构（Prefabricated Cage System for Reinforcing Concrete Members）简称PCS是由美国学者Mohanmmad Shamsai和Halil Sezen 于2005年提出来的新型预制混凝土结构(图1)，其特点在于用钢板代替钢筋，纵向钢板和横向钢板连成一个整体。与钢管混凝土相比，钢板笼可节省材料。与钢筋混凝土相比，钢板笼纵横向钢板尺寸精确。在钢板笼混凝土柱构件中，纵向钢板提供轴向承载力，横向钢板约束核心混凝土，通过控制开孔尺寸、开孔间距、钢板厚度调整配筋率，满足试验和设计的要求[1][2]。 钢板笼混凝土是一种介于钢管混凝土和钢筋混凝土之间的结构体系。目前，钢管混凝土主要用于受压构件中，其具有较好的三向受压性能，核心区混凝土抗压强度高，钢管内部的混凝土又可以有效防止钢管发生局部屈曲。钢管对混凝土约束可从两方面分析：一方面是基于统一理论基础上，结合极限平衡理论和叠加原理，考虑不同套箍系数对钢管混凝土短柱承载力的影响。文献[3]讨论了不同套箍系数和配筋率作用下，配筋圆钢管的极限承载力。文献[4]将统一理论推广应用到复合钢管混凝土柱轴压强度计算中，考虑不同钢管内型钢截面形式，提出了组合等效配箍系数。另一方面是分析钢管对混凝土的有效约束面积，通过钢管对混凝土的有效约束系数，讨论钢管混凝土极限承载力。文献[5]分析方钢管混凝土应力分布和约束机理，讨论了钢管宽厚比对方钢管混凝土承载力的影响。文献[6]采用弹塑性应力分析方法对钢管进行全过程应力分析，并提出钢管约束钢筋混凝土的轴压承载力公式。钢板笼和钢管对混凝土约束的区别在于钢板笼侧面开孔形成角钢，使其对混凝土约束弱于钢管，相比钢筋混凝土，钢板笼对混凝土具有更高约束力。本文基于开孔钢管对核心区混凝土的约束作用，分析钢板笼混凝土短柱受力特性及核心混凝土约束影响，并与4个钢板笼混凝土短柱轴压试验进行对比验证。 1 核心区混凝土约束模型 1.1钢管约束核心混凝土抗压强度 在受压混凝土短柱截面核心区域，由于横向钢板对混凝土的约束作用，混凝土趋于三向受压状态，其抗压强度极限承载力得到很大提高。根据蔡绍怀教授[7]提出的钢管约束核心混凝土抗压强度本构关系为： （1） 其中为核心区混凝土抗压强度值；为混凝土弱约束区强度值，一般取单轴混凝土标准抗压强度值； ，P为箍筋约束有效侧向约束应力；为箍筋提供的侧向约束应力；为约束系数。 1.2 箍筋约束混凝土柱模型 Sheikh 等[8]提出了箍筋约束混凝土的拱作用原理。在轴向压力作用下,核心区混凝土产生横向变形使箍筋的水平线段产生弯曲，由于箍筋中间抗弯刚度较小，对核心区混凝土的反作用力也较小，形成了弱约束区。箍筋转角部刚度较大，变形较小，对核心区域混凝土的约束作用力强，箍筋的这种由于自身约束差使得被约束混凝土形成“拱作用”。如图2所示柱截面中间部分和指向箍筋转角部的延伸带形成混凝土的强约束区，即箍筋对混凝土的有效约束区面积。柱的纵向剖面图上，相邻箍筋之间混凝土截面所处的高度位置不同，混凝土核心区域面积大小也不同，在相邻箍筋的中间位置截面处，受约束区域的面积最小。文献[5]对方形钢管混凝土柱的机理和承载力进行分析，认为钢管对核心混凝土侧向压力，在角点处集度最大，各个边中点处集度最小，且趋于零，并通过实验分析验证钢板对混凝土约束存在有效区和薄弱区（图中S为箍筋间距，1为混凝土保护层，2为弱约束区，3为强约束区）。 图1 钢板笼混凝土柱 图2 拱作用模型 Fig.1 Concrete columns of PCS Fig.2 The model of arch 2 钢板笼约束混凝土强度分析 2.1 钢板笼混凝土短柱侧向约束应力 横向钢板约束混凝土的计算简图如图3所示，假定箍筋已经屈服，混凝土的水平平均应力沿着箍筋均匀分布，根