F.1.4 规程公式(F.1.4-1)是总结国内外大量试验结果(约340个)得出的经验公式。对于普通混凝土,L0/D≤50在的范围内,对于高强混凝土,在L0/D≤20的范围内,该公式的计算值与试验实测值均符合良好(图22、23)。从现有的试验数据看,钢管径厚比D/t,钢材品种以及混凝土强度等级或套箍指标等的变化,对φl值的影响无明显规律,其变化幅度都在试验结果的离散程度以内,故公式中对这些因素都不予考虑。为合理地发挥钢管混凝土抗压承载能力的优势,本规程对柱的长径比作了
F.1.5、F.1.6 本条的等效计算长度考虑了柱端约束条件(转动和侧移)和沿柱身弯矩分布梯度等因素对柱承载力的影响。
柱端约束条件的影响,借引入“计算长度”的办法予以考虑,与现行标准《钢结构设计规范》GB 50017所采用的办法完全相同。
为考虑沿柱身弯矩分布梯度的影响,在实用上可采用等效标准单元柱的办法予以考虑。即将各种一次弯矩分布图不为矩形的两端铰支柱以及悬臂柱等非标准柱转换为具有相同承载力的一次弯矩分布图呈矩形的等效标准柱。我国现行标准《钢结构设计规范》GB 50017和国外的一些结构设计规范,例如美国ACI混凝土结构规范,采用的是等效弯矩法,即将非标准柱的较大端弯矩予以缩减,取等效弯矩系数c不大于1,相应的柱长保持不变(图24a);本规程采用的则是等效长度法,即将非标准柱的长度予以缩减,取等效长度系数k不大于1,相应的柱端较大弯矩M2保持不变(图24b)。两种处理办法的效果应该是相同的。
本规程采用等效长度法,在概念上更为直观,对于在实验中观察到的双曲压弯下的零挠度点漂移现象,更易于解释。
本条所列的等效长度系数公式,是根据中国建筑科学研究院专门的试验结果建立的经验公式。
F.1.7 虽然钢管混凝土柱的优势在抗压,只宜作受压构件,但在个别特殊工况下,钢管混凝土柱也可能有处于拉弯状态的时候。为验算这种工况下的安全性,本规程假定钢管混凝土柱的N—M曲线在拉弯区为直线,给出了以钢管混凝土纯弯状态和轴心受拉状态时的承载力为基础的相关公式,其中纯弯承载力与压弯公式中的纯弯承载力相同,轴心受拉承载力仅考虑钢管的作用。
F.1.8、F.1.9 钢管混凝土中的钢管,是一种特殊形式的配筋,系三维连续的配筋场,既是纵筋,又是横向箍筋,无论构件受到压、拉、弯、剪、扭等何种作用,钢管均可随着应变场的变化而自行调节变换其配筋功能。一般情况下,钢管混凝土柱主要受压弯作用,在按压弯构件确定了柱的钢管规格和套箍指标后,其抗剪配筋场亦相应确定,无须像普通钢筋混凝土构件那样另做抗剪配筋设计。以往的试验观察表明,钢管混凝土柱在剪跨柱径比a/D大于2时,都是弯曲型破坏。在一般建筑工程中的钢管混凝土框架柱,其高度与柱径之比(即剪跨柱径比)大都在3以上,横向抗剪问题不突出。在某些情况下,例如钢管混凝土柱之间设有斜撑的节点处,大跨重载梁的梁柱节点区等,仍可能出现影响设计的钢管混凝土小剪跨抗剪问题。为解决这一问题,中国建筑科学研究院进行了专门的抗剪试验研究,本条的计算公式(F.1.9—1)和(F.1.9—2)即系根据这批试验结果提出的,适用于横向剪力以压力方式作用于钢管外壁的情况。
F.1.10~F.1.12 众所周知,对混凝土配置螺旋箍筋或横向方格钢筋网片,形成所谓套箍混凝土,可显著提高混凝土的局部承压强度。钢管混凝土是一种特殊形式的套箍混凝土,其钢管具有类似螺旋箍筋的功能,显然也应具有较高的局部承压强度。钢管混凝土的局部承压可分为中央部位的局部承压和组合界面附近的局部承压两类。中国建筑科学研究院的试验研究表明,在上述两类局部承压下的钢管混凝土强度提高系数亦服从与面积比的平方根成线性关系的规律。
第F.1.12条的公式可用于抗剪连接件的承载力计算,其中所指的柔性抗剪连接件包括节点构造中采用的内加强环、环形隔板、钢筋环和焊钉等。至于内衬管段和穿心牛腿(承重销)则应视为刚性抗剪连接件。
当局压强度不足时,可将局压区段管壁加厚予以补强,这比局部配置螺旋箍筋更简便些。局压区段的长度可取为钢管直径的1.5倍。