钢结构设计规范与技术创新：浙江大学童根树教授的深入思考与探讨

编者按

近三十年来，我国各种类型的钢结构得到了广泛应用。其快速发展推动了对它们设计方法的研究。因为研究手段实现了现代化，所以钢结构稳定理论、抗震设计理论和组合结构理论都取得了重大进展。同时，钢结构及其配套新技术也在不断涌现。钢结构应用较为广泛，其设计规范已进入第 4 个版本，也就是 2017 版本。然而，钢结构设计仍有诸多亟待改进之处，像外露式柱脚的锚栓能否参与抗剪以及抗剪承载力该如何计算等问题；还有外包式柱脚的外包混凝土层，它到底是钢柱的支座，还是与钢柱共同工作从而形成钢骨混凝土（SRC）柱；以及抗震结构的梁柱节点域，应设计为强节点域还是弱节点域等。浙江大学童根树教授参与钢结构相关规范时，对这些问题进行了思考。他带领团队开展了相关深入研究。在重视理论的同时，也注重工程应用。从而积累了很多很好的设计经验。为促进和推动我国钢结构设计方法与技术的发展，《钢结构（中英文）》编辑部特邀童根树教授，将其在钢结构设计研究中的新观点、新方法以及新结果进行系列介绍，以此来让读者受益，同时也欢迎大家进行交流和探讨。

摘 要

介绍了方钢管混凝土轴压杆受力过程中围压的分布情况，以及壁板的弯矩和极限状态下的塑性铰线。计算出了平均围压，依据圆钢管混凝土极限状态产生相同围压的要求，计算出了对应的径厚比。得到了方钢管的套箍效应等效系数，并且将其与试验结果进行了对比，所提出的公式能够反映试验结果的平均值。同时对壁板之间何时必须采用全熔透焊缝也给出了说明。

1方钢管混凝土壁板横向弯矩

图 1(a)展示了方钢管混凝土截面的示意。当它作为柱子承受压力时，钢管内的混凝土在受压到一定程度后会产生膨胀，当膨胀超过钢管的泊松比效应后，钢管与混凝土的界面就会产生横向压力。此时，方钢管会对混凝土提供横向约束，如图 1(b)所示。图 1(c)展示了壁板的变形图。当混凝土自由膨胀时，不会产生界面压力。壁板的水平拉力使得混凝土从自由膨胀的位置开始受压，进而获得了约束。

图 1 方钢管混凝土

混凝土是壁板的弹性地基，其反力 p 的情况如图 2 所展示。Ec 是混凝土的割线模量，μc 是混凝土的割线泊松比。μ 为混凝土的泊松比。pC0 是在横向完全不能位移时，由于泊松比效应而产生的压应力。壁板的横向弯矩 M 的分布情况如图 3 所示，在图中，MC0 等于 pC0bc2 除以 800。

图 2 壁板压力分布曲线

图 3 方钢管混凝土壁板的横向弯矩分布

可知：随着压力逐渐增大，角点会首先形成负弯矩塑性铰线。接着，钢管壁板会继续外鼓，跨中的正弯矩也会随之增加。最终，会形成图 4 所展示的那种塑性机构。

图 4 方钢管截面的塑性铰线

2弹性地基反力的有效宽度

对图 2 所示压力定义有效宽度 lz ：

式中，壁板上的分布压力为 px，最大压力为 pmax，混凝土的边长为 bc。推导后得到：

式中：E,t 分别为钢材弹性模量和壁板厚度。

3后期钢管横向受拉对混凝土的约束

图 4(a)展示了混凝土对钢管壁板压力呈现近似三角形的分布情况。从图 4(b)可以看到隔离体。依据弯矩平衡这一条件，有如下情况：

壁板的横向拉力为 T ，T 等于 0.5qzlz 。M0 等于 M1 ，M0 和 M1 是考虑拉力影响的塑性铰弯矩。将它们代入式(3)后，能够得到混凝土所受到的平均压力为：

lz 取出集中力作用下弹性地基反力的有效宽度，也就是式(2)；需注意，式(2)是均布压力总的等效宽度，其两侧各占一半，这相当于单侧但压力为三角形分布时的宽度。

4套箍效应等效系数

求出圆钢管的径厚比 Dc,eq/t，该径厚比与矩形钢管等效。圆钢管在混凝土膨胀效应下环向受拉，会对圆柱形混凝土产生径向压力，假设此压力等于 px,av，那么屈服时的围压为：

将式(4)代入式(5)得到围压等效换算系数：

计算结果呈现于图 5 中。由此可知，方钢管的约束效应为相同套箍系数的圆钢管的 1/3.1 至 1/4.4 之间；参数的变化，如割线泊松比、对应的混凝土割线模量以及长度 lz 等，其影响相对较小。

图 5 套箍效应等效系数

围压等效换算系数计算如下：

式中：fck为混凝土抗压强度标准值。

4. 最后计算因围压而增加的混凝土强度以及减小的钢管竖向强度，将它们分别与各自的面积相乘后再相加，以此得到方钢管混凝土的承载力。

将理论公式与方钢管混凝土短柱的试验结果进行对比，从图 6 可以看出，图中的 Nmax 是试验承载力，N0 是钢和混凝土标准值简单相加后的轴压承载力。由此可见，理论方法能够对试验结果的平均值进行预测。

图 6 理论公式与试验结果的对比

5关于钢管壁板间纵向焊缝

另外，经常会提出这样的问题：壁板之间的焊缝是否可以采用非全熔透的焊缝。在此顺便进行解释：方钢管混凝土壁板的宽厚比限值为

这是根据两侧有固定的边界条件来确定的。方钢管（未填充混凝土）的宽厚比限值是由两侧板简支的边界条件所确定的，且该限值不大于 40εk。所以，当钢管壁板的宽厚比超过了 40εk 时，就必须使用全熔透焊缝。

6 结束语

方钢管混凝土短柱中，钢管对混凝土存在约束作用。在弹性阶段，钢管与混凝土相互作用，使得钢管壁产生弯矩和界面压力分布。到了极限状态，钢管壁板会形成塑性机构。通过对塑性机构进行分析，能得到混凝土所受到的平均约束应力，将其等效为具有相同围压的圆钢管，进而获得围压等效换算系数。提出的围压等效换算系数经与试验结果对比后发现，它能够预测方钢管混凝土短柱承载力的平均值。文献[1]的第 17 章对本文进行了更加详细的展开。

参考文献

童根树编写了《钢结构与钢–混凝土组合结构设计方法》这本书。这本书于 2022 年由中国建筑工业出版社在北京出版。

来源

童根树研究了方钢管混凝土中钢管的套箍作用以及其壁板之间的焊缝。该研究成果发表在《钢结构(中英文)》2024 年第 39 卷第 1 期，页码为 68 - 70 。

往期推荐

2024,39(5)

2024,39(3)

2024,39(2)

2023,39(1)

2023,38(12)

2023,38(11)

2023,38(10)

2023,38(9)

2023,38(8)

2023,38(7)

2023,38(6)

2023,38(5)