方鋼管珊瑚混凝土軸壓構件設計應用探討

趙鶴　李浩陽

摘 要：基于圓鋼管珊瑚混凝土柱結構化應用研究成果，分析方鋼管珊瑚混凝土軸壓短柱的可行性具有一定現(xiàn)實意義；本文通過已有試驗比較圓鋼管混凝土柱與方鋼管混凝土柱軸壓作用下破壞形態(tài)、荷載-變形規(guī)律的不同；探究各種計算理論的適用性。為方鋼管珊瑚混凝土軸壓性能與計算理論的深入研究奠定基礎。

關鍵詞：方鋼管；珊瑚混凝土；軸壓短柱；計算理論

中圖分類號：TP393.0 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0076-02

以因地制宜為原則，結合遠海島礁地理位置及工程建設承載力和耐久性要求，圓鋼管珊瑚混凝土結構應運而生。通過系列試驗及理論分析，現(xiàn)已基本掌握其材料性能、軸壓承載力性能等方面的情況。結合工程實際需求，改變構件截面形式，進一步考慮方形截面鋼管珊瑚混凝土也能夠提供約束作用，一定程度上仍具備圓鋼管珊瑚混凝土的優(yōu)點，如承載力高、塑性和韌性好、施工方便、耐火性能較好及經(jīng)濟效果好等。此外，方鋼管珊瑚混凝土還具有截面抗彎剛度大、梁柱節(jié)點處理較容易等特點。因此，開展方鋼管珊瑚混凝土承載力性能的研究具有一定現(xiàn)實意義。

1 珊瑚混凝土應用

哈爾濱工業(yè)大學王芳[1]在2013年對圓鋼管珊瑚混凝土進行了初步研究，但試驗所選用的珊瑚礁砂為大陸近海體量較小的珊瑚碎屑、支角狀珊瑚碎塊，與遠海島礁的珊瑚礁石成因不同，所以在強度、孔隙率與骨料粘結性能方面有所區(qū)別。

海軍勤務學院課題組[2-6]在2013年圍繞解決南海工程建設方面問題，以南海島礁航道開挖與礁盤吹填得到的沉積巖石型珊瑚礁為原材料開展系列研究。在材料性能方面完成珊瑚骨料制備，基本性能參數(shù)測試及配合比設計正交試驗；對珊瑚混凝土實施硫酸鹽侵蝕試驗，從孔隙結構角度研究其受侵蝕破壞機理。

繼而，該課題組在2016年對圓鋼管珊瑚混凝土短柱承載力性能進行研究。揭示了圓鋼管珊瑚混凝土軸壓試件相互協(xié)同的工作機理，核心珊瑚混凝土因受到鋼管約束而形成三向受壓的應力狀態(tài)，珊瑚混凝土的變形和開裂得到控制，同時珊瑚混凝土對鋼管的支撐作用也延緩了鋼管局部屈曲發(fā)生的時間，最終使珊瑚混凝土強度和鋼材的抗拉強度都得到了明顯提高。

以前期的試驗為基礎，該課題組提出利用CFRP外包鋼管珊瑚混凝土組合柱構件形式。實驗結果發(fā)現(xiàn)，鋼管的壁厚每增加0.5mm，鋼管珊瑚混凝土承載力的提高系數(shù)可以增長0.05，而外包單層以及雙層CFRP的鋼管珊瑚混凝土試件的承載力提高系數(shù)增長分別為0.07和0.11，證明外包CFRP的約束作用相比增加壁厚對承載力有更好的提升效果。

現(xiàn)已有圓鋼管珊瑚混凝土系列研究成果，證明鋼管套箍珊瑚混凝土使軸壓承載力明顯提高，將其用于結構構件是可行的。這對實現(xiàn)珊瑚混凝土結構化應用，拓展鋼管混凝土應用領域具有重要意義。據(jù)此，根據(jù)建筑施工需要考慮改變截面形式，探究方形截面鋼管珊瑚混凝土是下一步研究的方向。

2 方鋼管混凝土短柱基本性能特點

2.1 承載能力高

方鋼管混凝土柱相比圓鋼管混凝土柱，其套箍作用明顯較弱，軸壓承載力的提高程度相對較小。但試驗結果表明，方鋼管混凝土短柱的軸壓極限承載力，仍比空鋼管柱與混凝土柱軸壓承載力之和大10%～50%，即強度提高系數(shù)約為1.1～1.5。

方鋼管混凝土柱軸壓承載力的提高，主要取決于兩個方面：一是方鋼管角部對核心混凝土具有較強的約束作用，在三向受壓狀態(tài)下核心混凝土的軸向承載力提高；二是管內混凝土的存在抑制鋼管局部變形的發(fā)展，從而提高鋼管的局部穩(wěn)定性。

2.2 延性較好

鋼管內核心混凝土不僅提高了鋼管的局部臨界應力，在一定程度上抑制了其局部屈曲變形的發(fā)展；與此同時，由于鋼管的約束作用，核心混凝土由脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐?，構件整體延性得到顯著改善。大量試驗表明，軸壓作用下方鋼管核心混凝土短柱的軸向荷載-變形曲線屬下降型，但曲線的下降段具有較長的水平段，說明其延性較好。

2.3 節(jié)點形式簡單

與圓形截面鋼管混凝土構件相比，方形截面鋼管混凝土結構節(jié)點形式簡單，便于加工，同時結構節(jié)點構造可以采用標準化生產方式，滿足現(xiàn)代施工技術工業(yè)化的要求，節(jié)約施工費用，降低工程造價。

3 方鋼管混凝土軸壓性能研究進展

20世紀60年代，方鋼管混凝土開始逐漸得到重視。與圓鋼管混凝土不同，方鋼管混凝土中核心混凝土受到的約束作用主要集中在截面的角部和核心部位，因而約束效果不如圓鋼管混凝土顯著。隨著研究的逐步深入，認識到方鋼管混凝土中鋼管對其核心混凝土仍能提供較好的約束，尤其是加載后期約束作用的充分發(fā)揮可有效提高構件的延性。因而近幾十年，國內外對方鋼管混凝土的研究工作方興未艾，有關方鋼管混凝土軸壓力學性能研究已取得大量研究成果，包括方鋼管普通混凝土、薄壁方鋼管混凝土和方鋼管高強混凝土等。

截面形式的不同使得方鋼管混凝土柱與圓鋼管混凝土柱軸壓破壞形態(tài)不同。方鋼管混凝土試件軸壓破壞時鋼管表面出現(xiàn)若干處局部凸曲，且沿四個方向的凸曲程度基本相同[7]；圓鋼管混凝土軸壓短柱試件的破壞形態(tài)則分為剪切型與腰鼓型。

方鋼管混凝土軸壓短柱荷載-變形關系曲線可簡化為強化型和下降型。哈爾濱工業(yè)大學張素梅[8-9]在2000年采用剝離的方式給出了方鋼管混凝土軸壓短柱中鋼材和混凝土各自的縱向應力-應變關系曲線。福州大學陶忠[10]在2001年發(fā)表方鋼管混凝土柱軸壓力學性能研究成果。利用數(shù)值解法成功地計算出方鋼管混凝土軸心受壓時的荷載-變形全過程關系曲線，認為套箍系數(shù)影響荷載-變形關系曲線。經(jīng)分析，≥3.2時，曲線才有強化段；而對于圓鋼管混凝土軸壓短柱，≥1.0時便有強化段。

各國關于方鋼管混凝土軸壓短柱的設計規(guī)范有所不同。湖南大學唐廣青[11]在2015年根據(jù)收集到的266個方鋼管混凝土軸壓短柱的試驗數(shù)據(jù)，對各種規(guī)范進行了承載力比較，比較結果表明美國規(guī)范（AISC）、中國規(guī)范（CECS）及日本規(guī)范（AIJ）偏于保守，歐洲規(guī)范（EC4）稍偏保守的接近于試驗結果，而中國規(guī)范DL5085、GJB稍高于試驗結果。

4 計算理論研究進展

對于鋼管混凝土構件的研究存在各種不同的理論方法，區(qū)別在于如何估算鋼管和核心混凝土之間由于相互作用而產生的“效應”。這種“效應”的存在構成了鋼管混凝土的固有特性，也導致其力學性能的復雜性。日本、美國、澳大利亞、英國和我國的數(shù)十位研究者從不同的角度對鋼管混凝土結構進行了大量理論分析，對其軸壓短柱受力性能有了較全面、深入地認識，使得鋼管混凝土構件的設計理論逐漸趨于成熟，為規(guī)范的制定打下了良好的基礎。

4.1 統(tǒng)一理論

鐘善桐[7]所提出的統(tǒng)一理論是將鋼管混凝土當為一種組合材料，其工作性能具有統(tǒng)一性、連續(xù)性和相關性。在回歸分析的基礎上建立了計算公式，其理論計算結果與實驗值比較接近。這一理論成果是創(chuàng)新的，改變了對鋼管混凝土的研究方法，使鋼管混凝土成為一種全面而系統(tǒng)的新學科，使我國在這一領域位居國際領先地位。目前我國制定的《戰(zhàn)時軍港搶修早強型鋼-混凝土組合結構設計規(guī)程》就是采用這種方法。

但該理論在工程應用中有兩個具體問題：第一，由于鋼管混凝上中的影響因素較多，擬合的公式一般比較復雜，設計人員對每個符號的含義需要清楚后才能使用；第二，對于缺乏試驗樣本的部分，單純依靠數(shù)值分析結果還值得進一步研究探討。

長安大學趙均海[12]團隊于2010年運用考慮中間主應力影響的統(tǒng)一強度理論，考慮輕骨料混凝土與普通混凝土多軸強度準則差異的影響，推導出圓形薄壁鋼管輕骨料混凝土軸壓短柱的極限承載力計算公式，并采用等效截面的方法推導出方形鋼管輕骨料混凝土軸壓短柱的極限承載力計算公式。

4.2 極限平衡理論

蔡紹懷[13]提出的極限平衡理論認為：鋼管混凝土是由鋼管對混凝土實行套箍強化的一種套箍混凝土。套箍系數(shù)是影響套箍作用的重要因素。不管加載歷程和變形過程，直接根據(jù)結構處于極限狀態(tài)時的平衡條件算出極限狀態(tài)的荷載值。

該理論的優(yōu)點在于避開了復雜的彈塑性階段，不需確定材料的本構關系。引入套箍效應指標為主要參數(shù)，推導出鋼管混凝土極限承載力計算公式。

中南大學應小勇、丁發(fā)興等[14]在2010年給出了輕骨料混凝土在不同強度等級下的力學性能指標表達式并解析了軸對稱三軸受壓狀態(tài)下的應力-應變關系。在此基礎上，借助極限平衡理論和彈塑性全過程分析理論建立了圓鋼管輕骨料混凝土組合彈性模量理論計算公式和軸壓極限承載力計算公式，通過數(shù)值仿真分析驗證了有限元模型與試驗結果的可靠性。

4.3 擬鋼理論

擬鋼理論是將混凝土折算成鋼，再按照鋼結構規(guī)范進行設計。LRFD規(guī)范就屬于這類理論。該理論在結構概念上有兩個問題：第一，不易明確混凝土材料的結構行為和分擔作用的概念；第二，采用換算模量忽略剪切模量對高層和超高層建筑進行內力分析，對其構件設計有不準確的情況。

4.4 疊加理論

疊加理論是將鋼管和填充混凝土兩部分的承載力進行疊加，作為鋼管混凝土構件整體的承載力。對于受壓彎荷載共同作用的鋼管混凝土柱，通常將容許彎矩-軸力曲線疊加起來，作為容許承載力曲線。日本的鋼骨鋼筋混凝土結構計算標準（AIJ規(guī)范）中就采用這種方法。

5 方鋼管珊瑚混凝土承載力計算假定

通過上文對珊瑚骨料混凝土研究成果的討論，以及對方鋼管普通混凝土柱軸壓性能、計算理論的分析，提出基于極限平衡理論的方鋼管珊瑚骨料混凝土短柱軸壓承載力計算模型。

方鋼管珊瑚混凝土短柱在軸壓作用下，核心珊瑚混凝土向外擴張，當其變形大于方鋼管的擴張變形時，方鋼管阻礙其繼續(xù)擴張，套箍核心珊瑚混凝土，由此方鋼管與核心珊瑚混凝土之間產生相互作用力，使核心珊瑚混凝土處于三向受壓應力狀態(tài)。

對于核心珊瑚混凝土被動產生的側向應力，采用如下基本假定：

（1）套箍方鋼管滿足Von Mises屈服準則；（2）通過試驗加載方式設置，僅核心珊瑚混凝土受壓，鋼管不承受縱向應力；（3）由于鋼管徑厚比較小，按薄壁鋼管考慮，認為其環(huán)向應力沿著鋼管壁厚均勻分布。

從方鋼管珊瑚混凝土柱的受壓平衡條件入手，考慮在彈塑性全過程分析理論的基礎上，通過極限平衡理論和試驗數(shù)據(jù)分析整理，確定側壓系數(shù)，建立鋼管珊瑚混凝土軸壓短柱極限承載力計算公式，并將試驗結果和數(shù)值模擬結果相比較，為方鋼管珊瑚混凝土結構設計提供參考。

6 結語

圓鋼管珊瑚混凝土柱已具有一定的應用可行性，根據(jù)工程建設對構件截面形式的需要，提出對方鋼管珊瑚混凝土短柱軸壓作用下力學性能進行研究。方鋼管普通混凝土軸壓短柱的研究技術路徑、設計規(guī)范已經(jīng)成熟，并且得到大量應用，證明方鋼管對核心混凝土具有套箍約束作用，能夠使軸向承載力得到提高，同時構件延性也得以改善。因此參照方鋼管普通混凝土的承載力計算公式，提出方鋼管珊瑚混凝土軸壓短柱的計算模型。為方鋼管珊瑚混凝土柱在遠海島礁建設中的設計應用提供可行性依據(jù)。

考慮珊瑚骨料屬于輕骨料，因此方鋼管珊瑚混凝土受力特征與方鋼管輕骨料混凝土相似，但其承載力計算是否可以直接套用方鋼管輕骨料混凝土相關研究有待于進一步試驗驗證，對其核心珊瑚混凝土三向受壓狀態(tài)下套箍強化機理也有待進一步探討。

參考文獻

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