我國鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀及最新進(jìn)展

張青艷 聶寶磊

(嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興314000)

0 引言

鋼管混凝土就是將混凝土填入鋼管內(nèi)部而形成的一種組合結(jié)構(gòu)。其基本原理就是通過鋼管和混凝土的相互作用，使核心混凝土處于三向受力狀態(tài)，提高混凝土的承載力，降低混凝土結(jié)構(gòu)的脆性，抑制鋼管的屈曲。

從1897年美國人John Lally在鋼管中填充混凝土作為房屋建筑的承重柱（稱為Lally柱）并獲得專利算起，鋼管混凝土在工程領(lǐng)域的應(yīng)用已有上百年歷史[1]。

在早期的應(yīng)用中，空鋼管內(nèi)灌注混凝土的目的主要為了除銹，1901年，Sewell.J.S第一個以文章形式報(bào)道了方形鋼管混凝土柱的應(yīng)用情況，認(rèn)為鋼管內(nèi)填充混凝土不僅能防銹，還能提高其剛度和承載力[2]。

對鋼管混凝土的深入研究開始于20世紀(jì)六七十年代。1967年Furlong對52個鋼管混凝土試件軸壓和偏壓承載力的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了報(bào)道，采用圓形和方形兩種截面形式，并用相關(guān)方程的方法對鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的極限承載力進(jìn)行了驗(yàn)算[3]。

我國對于鋼管混凝土的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代。1966年在北京地鐵車站工程中應(yīng)用了鋼管混凝土。后相繼在許多高層和超高層建筑、拱橋中有大量應(yīng)用，建成了一些世界上最高最大的采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)工程。

目前國外有關(guān)鋼管混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范主要有歐洲EC4(1996)、德國 DIN18806(1997)、美國 ACI319-89、SSLC(1979)和 LRFD(1994)及日本AIJ(1997)等，這些規(guī)范中都同時包括了圓鋼管混凝土和矩形鋼管混凝土構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)方面的條文，其中美國LRFD、日本AIJ和歐洲EC4最有代表性。

國內(nèi)關(guān)于鋼管混凝土的深入研究起步較晚，目前頒布的設(shè)計(jì)規(guī)范主要有國家建材總局、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會、國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會、中國人民解放軍總后勤部和天津市建委頒布發(fā)行的設(shè)計(jì)規(guī)程，分別有 JCJ01-89、CECS28-90(1992)、CECS159：2004、DL/T5085-1999(1999)、GJB4142-2000(2001)和 DB29-57-2003。

為了更好地發(fā)揮這種組合結(jié)構(gòu)優(yōu)異性能，近年來我國不斷涌現(xiàn)大批學(xué)者對鋼管混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬等研究。研究結(jié)果對規(guī)范的進(jìn)一步完善，擴(kuò)展該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的指導(dǎo)性。

隨著高性能材料的應(yīng)用及工程的實(shí)際需要，一些新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)形式得到應(yīng)用，關(guān)于鋼管混凝土的性能也陸續(xù)有新的發(fā)現(xiàn)，本文就幾種新型鋼管混凝土力學(xué)性能方面的研究成果進(jìn)行綜述。

1 高強(qiáng)鋼管混凝土受力性能

20世紀(jì)90年代以后，伴隨著高強(qiáng)混凝土的大量應(yīng)用，其脆性破壞問題也日益突出，此時鋼管高強(qiáng)混凝土應(yīng)運(yùn)而生，相關(guān)研究也隨即展開。主要集中在破壞模式，軸壓，偏壓，循環(huán)荷載作用效果及對現(xiàn)有規(guī)程的適用性分析等方面。

1997年Bridge等論述了高強(qiáng)度鋼材和高強(qiáng)度混凝土在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的優(yōu)勢，同時也指出，采用高強(qiáng)混凝土?xí)逛摴芑炷林拇嘈栽龃?，而高?qiáng)薄壁鋼管的應(yīng)用會導(dǎo)致鋼管局部穩(wěn)定的問題變得突出[4]。

國內(nèi)外研究者對鋼管高強(qiáng)混凝土軸心受壓力學(xué)性能的研究也多集中在承載力提高幅度的大小和構(gòu)件延性改善的多少方面[4-8]，得出由于鋼管約束提高了核心混凝土強(qiáng)度，顯著改善了高強(qiáng)混凝土的延性，但是與鋼管普通混凝土相比，鋼管對核心混凝土的約束效果弱，承載力提高幅度小，延性差。

2004年張素梅，王玉根通過實(shí)驗(yàn)手段對比了鋼管普通混凝土與鋼管高強(qiáng)混凝土的破壞模式很好地解釋了上述結(jié)論。對12根圓鋼管普通混凝土和24根圓鋼管高強(qiáng)混凝土短柱進(jìn)行了軸心受壓試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了6種鋼管的直徑與厚度。發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土的破壞模式不僅和套箍系數(shù)有關(guān)，還受核心混凝土強(qiáng)度的影響。即在相同套箍系數(shù)的條件下，鋼管高強(qiáng)混凝土和鋼管普通混凝土的破壞模式和力學(xué)性能有較大差異。鋼管普通混凝土的破壞模式大部分為腰鼓型破壞，只有當(dāng)含鋼率較低和套箍系數(shù)較小時，由于鋼管對混凝土的約束作用較弱時，才發(fā)生剪切破壞；對于鋼管高強(qiáng)混凝土試件，大多為剪切破壞，腰鼓破壞情況多發(fā)生在含鋼率和套箍系數(shù)較大時[9]。

2013年郭蘭慧，張素梅進(jìn)行了截面長寬比對構(gòu)件力學(xué)性能的影響研究。選取了21根短柱，6根長柱，長寬比在1.0-1.6范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)長寬比在此范圍內(nèi)變化對構(gòu)件的極限承載能力影響較小。對于長寬比在此范圍內(nèi)的短柱，截面長寬比越大，鋼管的長邊越容易發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象，對于中長柱，長寬比在此范圍內(nèi)變化時，構(gòu)件的相對跨中撓度變化很小，構(gòu)件縱向平均應(yīng)力—跨中撓度關(guān)系曲線變化較小[10]。

對于鋼管高強(qiáng)混凝土的偏心受壓情況，國內(nèi)外的研究較少。2004年張素梅，郭蘭慧等報(bào)道了8根方形鋼管混凝土試件壓彎試驗(yàn)結(jié)果，以長細(xì)比，偏心率和含鋼率三個為變化參數(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)件。通過實(shí)驗(yàn)說明了構(gòu)件的承載力隨長細(xì)比和偏心率的增大而迅速降低；發(fā)現(xiàn)了含鋼率8.2%的構(gòu)件在達(dá)到極限承載力之前出現(xiàn)了局部屈曲。建議設(shè)計(jì)時應(yīng)控制截面含鋼率或鋼管寬厚比，防止局部屈曲過早發(fā)生。通過自編程序進(jìn)行了偏壓構(gòu)件的參數(shù)分析，其他參數(shù)相同的情況下，混凝土的強(qiáng)度越高，構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)越低[11]。

關(guān)于鋼管約束高強(qiáng)混凝土循環(huán)荷載作用下力學(xué)相應(yīng)，2008年劉界鵬，張素梅，郭蘭慧進(jìn)行了循環(huán)軸壓實(shí)驗(yàn)研究，選取12個試件，試驗(yàn)參數(shù)主要為鋼管寬厚比（D/t=70,D/t=47）和混凝土強(qiáng)度(C77,C88)，進(jìn)行了循環(huán)軸壓荷載作用下的試驗(yàn)研究，通過與普通方鋼管對比試驗(yàn)，得出在D/t=70時，方鋼管約束高強(qiáng)混凝土的承載力高于普通方鋼管混凝土，當(dāng)D/t=47時則相反；由于方鋼管約束高強(qiáng)混凝土短柱中，鋼管不直接承擔(dān)縱向荷載，故鋼管對核心混凝土的約束效果較好；從鋼管的屈服時間來看，方鋼管約束高強(qiáng)混凝土短柱中鋼管于荷載峰值點(diǎn)之后屈服，普通鋼管混凝土構(gòu)件中鋼管屈服與荷載峰值點(diǎn)之后[12]。

2004年王玉根，張素梅在對36根軸壓短柱的試驗(yàn)結(jié)果[9]的基礎(chǔ)上，分別用現(xiàn)行的3部鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)各規(guī)程的計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果存在一定差異，建議在設(shè)計(jì)時，注意各規(guī)程的極限承載力的定義標(biāo)注，鋼管普通混凝土的設(shè)計(jì)方法不宜簡單套用[13]。

2 帶肋方鋼管混凝土力學(xué)性能

目前方鋼管混凝土在工程中已經(jīng)有大量應(yīng)用，但是當(dāng)方鋼管的寬厚比超過一定限值時，鋼管容易發(fā)生局部屈曲，影響構(gòu)件的承載能力?；诖?，國內(nèi)外有學(xué)者開展了帶肋方鋼管混凝土承載力的研究。

2000年Kwon等對14個帶肋鋼管混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過軸壓實(shí)驗(yàn)證實(shí)了縱向加勁肋的設(shè)置對提高試件的屈曲強(qiáng)度有效。

2011年黃宏，張安哥等深入研究了帶肋方鋼管混凝土短柱的軸壓效果，對比了三種試樣的軸壓效果，無肋，單肋和雙肋試件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明帶肋構(gòu)件的鋼管應(yīng)力有很大程度地提高，加勁肋的應(yīng)力達(dá)到了其屈服強(qiáng)度；構(gòu)件的極限承載能力隨著加勁肋高度提高而增大；加勁肋的設(shè)置使管壁的拉應(yīng)力區(qū)域減小，最大拉應(yīng)力值降低，鋼管的縱向應(yīng)力分布更加均勻。并且成功地進(jìn)行了有限元模擬，通過模擬可以很好地計(jì)算出荷載—應(yīng)變?nèi)^程曲線，并能反映典型的破壞形態(tài)，便于該問題的進(jìn)一步深入分析[14]。

在上述研究的基礎(chǔ)上，2011年黃義勇提出了帶肋方鋼管混凝土的軸壓承載力計(jì)算公式，純彎構(gòu)件承載力計(jì)算公式，偏壓構(gòu)件承載力計(jì)算公式。并與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，公式的計(jì)算結(jié)果偏安全，可以為相關(guān)規(guī)范的編制及現(xiàn)行設(shè)計(jì)人員提供參考[15]。

3 鋼管膨脹混凝土實(shí)驗(yàn)及理論分析

鋼管膨脹混凝土的產(chǎn)生是為了解決在構(gòu)件使用過程中混凝土與鋼管之間的縫隙。相關(guān)研究表明，鋼管與混凝土之間的結(jié)合情況會影響整個結(jié)構(gòu)的受力情況?；炷恋呐蛎浡蔬^小，會造成鋼管與混凝土之間產(chǎn)生縫隙，構(gòu)件的整體性差。2007年李黎明通過超聲波檢測與現(xiàn)場剖切實(shí)驗(yàn)證實(shí)了混凝土與鋼管之間存在肉眼可見的清晰縫隙，甚至有的部位局部脫開[2]。混凝土的膨脹率過大，鋼管和混凝土內(nèi)部會有很大的初始應(yīng)力，影響結(jié)構(gòu)的受力性能[16]?；诖?，鋼管膨脹混凝土的相關(guān)問題得到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注并取得了一些研究成果。

2008年陳兵，劉曉等對方鋼管膨脹混凝土的極限承載力變化，抗變形能力和膨脹劑摻量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，與普通鋼管混凝土相比，鋼管膨脹混凝土具有很好的抗變形能力，無論在彈性階段還是極限荷載時，相應(yīng)的變形均小于普通鋼管混凝土。關(guān)于膨脹劑摻量問題，實(shí)驗(yàn)采用的摻量為0%—25%，在鋼管厚度相同情況下，試件極限承載力隨著膨脹劑摻量的增加而增大，但是膨脹劑摻量太大，會導(dǎo)致極限承載能力下降。對文中報(bào)道的情況，合適的摻量范圍為10%—20%；在此摻量范圍內(nèi)，隨著鋼管厚度的增大，試件的極限承載力增大[17]；2008年盧方偉，李四平也從實(shí)驗(yàn)角度進(jìn)行了報(bào)道，得出的膨脹劑合理摻量與陳兵文中所述一致[18]。

2007年盧方偉，李四平利用極限平衡理論分析得出圓鋼管膨脹混凝土的極限承載力計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好，為該結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)[19]。

4 鋼管混凝土沖擊力學(xué)性能探索

隨著近年來恐怖襲擊的發(fā)生，人們對建筑結(jié)構(gòu)的抗爆，抗沖擊能力給予了更多的關(guān)注。針對爆炸沖擊現(xiàn)象，2006年張望喜，盧芳云等采用Φ57mm的輕氣炮實(shí)驗(yàn)裝置對8個鋼管混凝土柱形試件進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管混凝土的殘余變形，應(yīng)變變化與沖擊速度有關(guān)，存在率相關(guān)性。并且通過對比試驗(yàn)說明了外包碳纖維對試件的抗沖擊性能有所提高，尤其在橫向變形較大的部位。加載速度為50m/s時，鋼管混凝土試件沖擊端應(yīng)變減小約2/3[20]。

關(guān)于爆炸荷載下的動力響應(yīng)，2011年薛建英等對鋼管混凝土試件在進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用TNT炸藥對三種不同鋼管壁厚的試件進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，結(jié)果表明，相比于靜態(tài)載荷，試件的最終撓度較小，3個藥量的TNT作用下，構(gòu)件的最大撓度為其跨度的0.85%，遠(yuǎn)小于其極限彎矩（構(gòu)件跨度的20%），鋼管混凝土的抗爆性能很好。分析其原因之一為鋼管與混凝土在爆炸荷載作用下相互約束，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，抗拉能力得到提高；由于混凝土的作用避免了鋼管的局部屈曲，提高了鋼管的抗變形能力。原因之二解釋為爆炸荷載下其作用時間極短，僅為其自振周期的8%左右，構(gòu)件尚未克服慣性達(dá)到完全變形荷載已經(jīng)消失。并且通過不同鋼管壁厚的對比試驗(yàn)證實(shí)了隨著構(gòu)件套箍系數(shù)的增大，試件的抗爆性能越好[21]。

2012年鞠翱天，王金田等利用ANSYS／LS—DYNA有限元軟件從數(shù)值模擬角度分析了鋼管混凝土鐵路橋限高防護(hù)架在汽車碰撞作用下的動力相應(yīng)，通過和鋼管防護(hù)架的對比分析，對碰撞全過程的模擬結(jié)果顯示鋼管混凝土防護(hù)架的碰撞力均值更大，碰撞面位移更小。與鋼管防護(hù)架相比，其強(qiáng)度、塑性韌性更強(qiáng)，抗沖擊性能良好[22]。

上述研究開辟了鋼管混凝土應(yīng)用的新領(lǐng)域。在鋼管混凝土防撞，防爆等方面的研究還不夠完善，相信隨著研究的進(jìn)一步深入，鋼管混凝土的沖擊性能最終會被人們掌握。

5 結(jié)論

鋼管混凝土這一組合材料自上世紀(jì)被首次提出以來，至今已有上百年歷史。關(guān)于它的研究不曾間斷，工程界對其也日益重視，隨著材料的進(jìn)步，在不斷的研究與應(yīng)用過程中，產(chǎn)生了許多新的形式，如鋼管高強(qiáng)混凝土，帶肋矩形方鋼管混凝土，鋼管膨脹混凝土等，這些新型組合材料的性能還沒有被完全掌握，相關(guān)的技術(shù)規(guī)程亟需不斷完善，關(guān)于鋼管混凝土的優(yōu)異性能還有待挖掘，以便于充分發(fā)揮其作用。

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