薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土柱的可行性研究

哈 娜

（遼寧省交通高等專科學(xué)校 遼寧 沈陽 110122）

1 研究水平及意義

薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土柱力學(xué)性能研究，符合科技發(fā)展的需要，也符合我國國情的需要，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土柱的力學(xué)性能研究可促進(jìn)建筑工程中短柱的應(yīng)用與發(fā)展，如實(shí)際工程中由于不同標(biāo)高、樓層及構(gòu)造要求而出現(xiàn)的錯(cuò)層短柱、夾層短柱、全層短柱和填充短柱等各類短柱，都可采用短柱形式；（2）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土柱中超高強(qiáng)混凝土配合比的研究[1-3]，不僅可促進(jìn)高性能混凝土的發(fā)展，同時(shí)也為超高強(qiáng)混凝土配合比的研究奠定一定的理論基礎(chǔ)；（3）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土柱中的應(yīng)用外包方形鋼管，內(nèi)嵌圓形鋼管的形式，不僅探索了不同薄壁鋼管形式對(duì)超高強(qiáng)混凝土的約束情況，同時(shí)設(shè)計(jì)內(nèi)置不同圓鋼管直徑考慮挖空率對(duì)其力學(xué)性能的影響，更加全面地完善多種組合結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能探索；（4）薄壁鋼管的應(yīng)用[2-3]，可以省去普通鋼筋混凝土中綁扎鋼筋、支模、拆模等工序，施工方便快捷，加快施工進(jìn)度，且薄壁鋼管可直接購買，構(gòu)造簡單、焊縫少，便于制作安裝，同時(shí)可減少運(yùn)輸和吊裝的費(fèi)用，在一定程度上可節(jié)省造價(jià)。（5）通過設(shè)置不同薄壁鋼管壁厚、內(nèi)置薄壁圓鋼管直徑和壁厚、不同超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)、不同偏心距等參數(shù)，系統(tǒng)地探索了軸壓、偏壓和受彎短柱力學(xué)性能的差異，明確其工作機(jī)理、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和承載力計(jì)算方法等，完善其受壓構(gòu)件力學(xué)研究內(nèi)容。

2 關(guān)鍵點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)

（1）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的研究提出應(yīng)用薄壁方鋼管，內(nèi)置圓鋼管的形式，不僅可以提高施工效率、減輕構(gòu)件自重，同時(shí)也能夠在一定程度上降低工程造價(jià)。其設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)是方鋼管和圓鋼管的壁厚、圓鋼管的挖空率考察新型組合結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能，以及圓鋼管對(duì)核心混凝土的環(huán)向約束程度。（2）應(yīng)用超高強(qiáng)混凝土設(shè)置于薄壁鋼管混凝土中，不僅能夠充分發(fā)揮超高強(qiáng)混凝土的性能，同時(shí)能夠促進(jìn)超高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用，完善超高強(qiáng)混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)是設(shè)計(jì)不同超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度。（3）對(duì)薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能從軸心受壓、偏心受壓和受彎構(gòu)件三個(gè)方面進(jìn)行探索研究是課題擬解決的第三個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，保證此新型組合柱的力學(xué)研究內(nèi)容的完善性。（4）從試驗(yàn)和理論兩個(gè)方面對(duì)薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行研究，是項(xiàng)目擬解決的第四個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，保證課題的研究內(nèi)容可以應(yīng)用于工程實(shí)踐，更好地指導(dǎo)施工。（5）提出的組合結(jié)構(gòu)形式可在北方較寒冷的地區(qū)或冬季進(jìn)行施工，如薄壁鋼管骨架可在冬季進(jìn)行安裝，來年春天就可進(jìn)行超高性能混凝土的澆筑，其施工可不受季節(jié)的限制。

3 研究方法

薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土柱的組合形式，充分利用了薄壁鋼材的抗拉性能和超高強(qiáng)混凝土的抗壓性能，使其極限承載能力恒大于兩種材料承載能力的簡單疊加，且超高強(qiáng)混凝土與薄壁鋼管一起承壓可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)和特色，被工程界人士稱為是最完美的組合，使得課題提出的組合柱的結(jié)構(gòu)形式具有一定的合理性。

現(xiàn)有的關(guān)于超高強(qiáng)混凝土和薄壁鋼管的國內(nèi)外試驗(yàn)研究成果，可以更加有利于課題開展組合柱的試驗(yàn)研究，進(jìn)行試驗(yàn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，為課題探索薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究奠定一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

在國內(nèi)外關(guān)于組合結(jié)構(gòu)的軸心受壓、偏心受壓以及受彎構(gòu)件研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合薄壁方鋼管，內(nèi)置圓鋼管的力學(xué)性能特點(diǎn)，以及超高強(qiáng)混凝土的約束受力情況，從理論上建立組合柱的軸心受壓、偏心受壓和受彎承載力計(jì)算公式，從理論上為項(xiàng)目的開展奠定理論基礎(chǔ)。

采用的主要研究方法：

（1）文獻(xiàn)分析法。在總結(jié)現(xiàn)有薄壁鋼管和超高強(qiáng)混凝土性能相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)的對(duì)比分析，取長補(bǔ)短，保證項(xiàng)目研究內(nèi)容處于國內(nèi)外領(lǐng)先水平。

（2）正交設(shè)計(jì)法。采用相對(duì)較少的試驗(yàn)就能獲得薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土軸壓、偏壓和受彎性能試驗(yàn)研究中各因素對(duì)力學(xué)性能最全面的影響進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案合理化。

（3）疊加法。通過擬定基本假定，改變中和軸位置，同時(shí)考慮方鋼管、圓鋼管和受壓區(qū)混凝土部分屈服情況，對(duì)軸心受壓、偏心受壓和受彎組合構(gòu)件的極限承載力公式進(jìn)行理論推導(dǎo)。

技術(shù)路線：在搜集文獻(xiàn)資料研究的基礎(chǔ)上，采用正交設(shè)計(jì)的方法對(duì)影響薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強(qiáng)混凝土柱力學(xué)性能的不同壁厚、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、內(nèi)置圓鋼壁厚及直徑、偏心距等方面對(duì)軸心受壓、偏心受壓和受彎性能等試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上以應(yīng)用疊加法對(duì)組合柱的極限承載力和變形公式進(jìn)行推導(dǎo)，并將試驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，見圖1。

圖1 技術(shù)路線

[1] 劉連鵬.圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱軸壓受力性能研究[D].大連理工大學(xué)，2015.

[2] 張翔.薄壁鋼管混凝土梁柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].浙江大學(xué)，2010.

[3] 金周.薄壁鋼管混凝土短柱基本力學(xué)性能研究[D].華僑大學(xué)，2008.