王震 王景全++刘桐旭

摘要：为准确预测方钢管混凝土柱（square concrete filled steel tube，SCFST）受剪承载力，建立了基于修正压力场理论（modified compression field theory， MCFT）的SCFST受剪承载力计算模型.该模型通过力的平衡和变形协调考虑压弯剪耦合作用，结合对SCFST受剪承载力机制的分析，推导出了计算SCFST受剪承载力的一般公式.注意到SCFST在试验中出现了两种不同的剪切破坏模式，模型分别给出了相应的破坏判别条件.利用SCFST受剪承载力计算模型对收集到的17根试件进行计算，所得结果与试验值吻合较好.研究发现，SCFST受剪承载力计算模型不仅可以计算SCFST在压弯剪共同作用下的受剪承载力，而且可以对SCFST的破坏模式进行判断，结果可信，可用于SCFST受剪承载力计算.

关键词：钢管混凝土；受剪承载力；理论模型；修正压力场理论；破坏模式

中图分类号：TU392.3 文献标识码：A

方钢管混凝土（square concrete filled steel tube，SCFST）柱因具有对建筑布局影响小等优点，在高层建筑和空间结构中得到了广泛应用[1-2].通常认为，SCFST柱在进行压弯作用设计时，其受剪承载力能够满足设计要求而无需进行验算[3].但随着工程实践的发展，在一些情况下，如SCFST结构用作支撑空间网壳的短柱时[4]，构件会承受很大的剪力，为保证结构安全，需要对SCFST柱的受剪承载力做出合理准确的估计.故有必要针对SCFST柱的受剪承载力进行专门研究.

湖南大学学报（自然科学版）2016年

第9期王震等：基于MCFT方钢管混凝土柱受剪承载力计算模型

目前，针对SCFST柱受剪承载力开展的研究还很少.Tomii和Sakino[5]进行了40根恒定轴压下SCFST柱受剪承载力的试验研究，主要考察了轴压比、剪跨比和截面宽厚比等参数的影响；尧国皇[6]利用Abaqus有限元模型分析了SCFST柱在压、弯、扭、剪及其复合受力状态下力学性能，并在参数分析的基础上给出了承载力的实用计算方法；陈宇超[7]借助Abaqus有限元模型讨论了不同受力状态下矩形钢管混凝土承载力随主要参数的变化规律；黄勇等[4]进行了6根SCFST短柱的无轴力受剪承载力试验，对试件分别施加水平单调荷载和往复荷载，并对试验结果进行了有限元模拟；蔡健等[8]进行了6个足尺SCFST柱的受剪承载力试验，分析剪跨比和轴压比等因素对试件受剪承载力的影响，并对试件的受剪性能进行了有限元分析；郭淑丽和陶忠[9]进行了10根SCFST短柱的受剪承载力试验，重点考察了剪跨比、轴压比、混凝土强度和钢管强度等参数对SCFST短柱受剪承载力的影响.然而，对SCFST柱受剪承载力的研究目前仍停留在试验研究和有限元模拟阶段，缺乏相应的理论计算模型.本文基于修正压力场理论（modified compression field theory， MCFT）[10]，建立了可用于计算压弯剪作用下SCFST柱受剪承载力的理论模型，并通过与已有试验资料比较，证明了理论模型的正确性.

3结论

本文基于MCFT建立了关于SCFST的受剪承载力计算模型.该模型可以考虑压弯剪耦合作用，不仅给出了SCFST受剪承载力计算的一般公式，而且对SCFST两种不同的剪切破坏模式进行了区分，分别给出了相应的破坏判别条件.通过与收集到的17根试件的试验值进行对比，发现模型计算结果与试验值吻合较好，该模型可以用于SCFT在压弯剪共同作用下受剪承载力的预测与破坏模式的识别.

参考文献

[1]聂建国， 秦凯. 方钢管混凝土柱节点受剪承载力受力性能的研究[J]. 建筑结构学报， 2007， 28（4）： 8-17.

NIE Jianguo， QIN Kai. Research on shear performance of concretefilled square steel tubular column connections[J]. Journal of Building Structures， 2007， 28（4）： 8-17. （In Chinese）

[2]黄远， 朱正庚， 杨扬， 等. 端部设肋方钢管混凝土框架柱抗震性能分析[J]. 湖南大学学报： 自然科学版， 2016， 43（1）： 89-96.

HUANG Yuan， ZHU Zhenggeng， YANG Yang， et al. Seismic analysis of the square concretefilled steel tube frame column with end ribs[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2016， 43（1）： 89-96. （In Chinese）

[3]CECS 159： 2004矩形钢管混凝土结构技术规程[S]. 北京： 中国计划出版社， 2004： 21-24.

CECS 159： 2004Technical specification for structures with concretefilled rectangular steel tubular members[S]. Beijing： China Planning Press， 2004： 21-24. （In Chinese）

[4]黄勇， 陈伟刚， 段莉. 钢管混凝土短柱 （剪力键） 受剪性能试验研究[J]. 建筑结构学报， 2011， 32（12）： 178-185.

HUANG Yong， CHEN Weigang， DUAN Li. Experimental study on shear resistance performance of concrete filled steel tube shear block stub columns[J]. Journal of Building Structures， 2011， 32（12）： 178-185. （In Chinese）

[5]TOMII M， SAKINO K. Experimental studies on concrete filled square steel tubular beamcolumns subjected to monotonic shearing force and constant axial force[J]. Journal of Architecture and Planning， 1979， 281： 81-90.

[6]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： 福州大学土木工程学院， 2006： 262-280.

YAO Guohuang. Research on behavior of concretefilled steel tubes subjected to complicated loading states[D]. Fuzhou： College of Civil Engineering， Fuzhou University， 2006： 262-280. （In Chinese）

[7]陈宇超. 矩形钢管混凝土构件复合受力时力学性能与设计方法研究[D]. 兰州： 兰州理工大学土木工程学院， 2009： 60-67.

CHEN Yuchao. Research on mechanical performance and design method of concretefilled rectangular steel tube subjected to complex force[D]. Lanzhou： College of Civil Engineering， Lanzhou University of Technology， 2009： 60-67. （In Chinese）

[8]蔡健， 梁伟盛， 林辉. 方钢管混凝土柱受剪承载力性能试验研究[J]. 深圳大学学报： 理工版， 2012， 29（3）： 189-194.

CAI Jian， LIANG Weisheng， LIN Hui. Experimental study on shear resistance performance of concrete filled square steel tubular columns[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering， 2012，29（3）： 189-194. （In Chinese）

[9]郭淑丽， 陶忠. 方钢管混凝土柱抗剪试验研究[J]. 福建工程学院学报， 2012， 9（6）： 550-554.

GUO Shuli， TAO Zhong. Experimental study of square concretefilled steel tube columns subjected to shearing[J]. Journal of Fujian University of Technology， 2012， 9（6）： 550-554. （In Chinese）

[10]VECCHIO F J， COLLINS M P. The modified compressionfield theory for reinforced concrete elements subjected to shear[J].ACI Structural Journal，1986， 83（2）： 219-231.

[11]MOSTAFAEI H， VECCHIO F J， KABEYASAWA T. Deformation capacity of reinforced concrete columns[J]. ACI Structural Journal， 2009， 106（2）： 187-195.

[12]MOSTAFAEI H， KABEYASAWA T. Axialshearflexure interaction approach for reinforced concrete columns[J]. ACI Structural Journal， 2007， 104（2）： 218-226.

[13]朱伟庆， 贾金青， 孟刚. 基于修正压力场理论的型钢超高强混凝土柱受剪承载力研究[J]. 建筑结构学报， 2013， 34（10）： 101-107.

ZHU Weiqing， JIA Jinqing， MENG Gang. Shear strength of steel reinforced high strength concrete columns based on modified compression field theory[J]. Journal of Building Structures， 2013， 34（10）： 101-107. （In Chinese）

[14]BENTZ E C， VECCHIO F J， COLLINS M P. Simplified modified compression field theory for calculating shear strength of reinforced concrete elements[J]. ACI Structural Journal， 2006， 103（4）： 614-624.

[15]BAI Z Z， AU F T K. Ductility of symmetrically reinforced concrete columns[J]. Magazine of Concrete Research， 2009， 61（5）： 345-357.

[16]廖飞宇， 韩林海. 方形钢管混凝土叠合柱的力学性能研究[J]. 工程力学， 2010， 27（4）： 153-162.

LIAO Feiyu， HAN Linhai. Performance of concretefilled steel tube reinforced concrete columns with square sections[J]. Engineering Mechanics， 2010， 27（4）： 153-162. （In Chinese）

[17]范立础， 卓卫东. 桥梁延性抗震设计[M]. 北京： 人民交通出版社， 2001： 152-153.

FAN Lichu， ZHUO Weidong. Bridge seismic ductility design[M]. Beijing： China Communications Press， 2001： 152-153. （In Chinese）

[18]陈宝春， 王来永， 欧智菁， 等. 钢管混凝土偏心受压应力应变试验研究[J]. 工程力学， 2003， 20（6）： 154-159.

CHEN Baochun， WANG Laiyong， OU Zhiqing， et al. Experimental study of stressstrain relation of eccentricallyloaded concretefilled steel tubular columns[J]. Engineering Mechanics， 2003， 20（6）： 154-159. （In Chinese）