淺談鋼管砼柱研究現(xiàn)狀

李旭東

摘 要： 近年來，我國(guó)各類建筑工程中都大量地用到了鋼管混凝土，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)益。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)越，在受力過程中，一方面混凝土由于外包鋼管的約束，抗壓強(qiáng)度和塑性性能都得到了提高;另一方面鋼管由于內(nèi)填混凝土的側(cè)向支承，屈曲剛度和穩(wěn)定性也得到了提高。由此可見，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼管受拉性能好和混凝土抗壓性能好的優(yōu)勢(shì)，作為一種性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有著廣闊的發(fā)展空間。本文將從鋼管混凝土新的截面形式、新材料的應(yīng)用、新的結(jié)構(gòu)形式以及鋼管混凝土新的研究方法等方面介紹鋼管混凝土的一些新的研究?jī)?nèi)容，從而闡述鋼管混凝土的研究和應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)和需要解決的一些問題。

關(guān)鍵詞： 鋼管混凝土;研究現(xiàn)狀;研究方法;發(fā)展中的問題

【中圖分類號(hào)】TU391 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.29.235

1 引言

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面的優(yōu)越性主要源于兩種材料之間的相互作用。一是鋼管內(nèi)混凝土的支撐作用防止鋼管壁發(fā)生向內(nèi)屈曲，提高了鋼管壁的承載力;二是鋼管對(duì)核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土在荷載作用下處于三向應(yīng)力狀態(tài)，從而混凝土抗壓強(qiáng)度得到大大提高。鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，不僅可以彌補(bǔ)兩種材料各自的缺點(diǎn)，而且能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，研究表明兩種材料的組合結(jié)構(gòu)承載力大于它們各自承載力之和。作為豎向承重結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土柱具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）承載力高。鋼管混凝土構(gòu)件在受力過程中，由于鋼管和混凝土的相互作用，延緩其受壓時(shí)的縱向開裂，有效避免了鋼管過早的發(fā)生局部屈曲，使其承載力得到提高，一般高于鋼管和混凝土兩種材料單獨(dú)承受荷載時(shí)的極限承載力的疊加。

（2）韌性和脆性好?；炷恋拇嘈酝ǔ１容^大，隨著強(qiáng)度越高表現(xiàn)越明顯。

（3）抗震性能好。由于鋼管對(duì)混凝土的約束作用，使核心混凝土脆性得到改善，塑性變性能力大幅度提高，同時(shí)內(nèi)填的混凝土避免的鋼管向內(nèi)屈曲，使鋼管混凝土柱在地震荷載作用下承載力、剛度高和耗能能力高，延性好、剛度退化小。

（4）耐火性能好。主要體現(xiàn)在火災(zāi)作用時(shí)具有優(yōu)越的抗火性和火災(zāi)作用后具有很好的可修復(fù)性。

（5）便于施工。鋼管混凝土柱在核心混凝土澆筑前，鋼管本身可兼做支撐體系，承受上部施工荷載，減少了支、拆模以及鋼筋的架立和綁扎的過程，使其比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工簡(jiǎn)便得多。

（6）經(jīng)濟(jì)效果好。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種組合構(gòu)件，可以很好的發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料的力學(xué)特性，使各自優(yōu)點(diǎn)得到充分和合理的發(fā)揮。

但是鋼管混凝土也存在著不足，這些不足會(huì)限制其在工程中的應(yīng)用。

（1）在循環(huán)荷載（地震作用）作用下，鋼管柱端容易發(fā)生局部屈曲，使得內(nèi)部混凝土過早被壓碎，造成結(jié)構(gòu)的局部破壞。在高軸壓比作用下，破壞效果更加的明顯。

（2）鋼管混凝土柱中鋼管既承受軸向作用，同時(shí)也起著約束混凝土的作用，考慮到鋼材基本為各向同性的材料，在軸力的作用下屈服的時(shí)候，其對(duì)混凝土的約束會(huì)大大減弱，從而導(dǎo)致混凝土的抗壓承載力大大降低

（3）在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，梁柱節(jié)點(diǎn)的連接十分復(fù)雜，在國(guó)外，普遍的做法是在節(jié)點(diǎn)使用經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的鋼梁;在國(guó)內(nèi)，通過鋼板以及螺栓和焊接來連接鋼管混凝土柱和鋼梁。

（4）鋼管和混凝土在軸壓荷載作用下，橫向變形系數(shù)不同，這會(huì)導(dǎo)致二者在受力過程中脫離，大大降低構(gòu)件的承載性能陣。

2 鋼管混凝土柱的新截面形式

2.1 傳統(tǒng)截面形式

鋼管混凝土柱的常見截面形式有：圓形鋼管混凝土柱、矩形鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱。

2.1.1 圓鋼管混凝土柱

圓鋼管混凝土柱在高層建筑中應(yīng)用廣泛，其承載力高、抗震性能好、施工方便。國(guó)內(nèi)外對(duì)圓鋼管混凝土柱的抗震性能進(jìn)行了較為深入的研究，主要參數(shù)為：軸壓比，徑厚比，套箍指標(biāo)，鋼材強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度等。

研究結(jié)果表明：

（1）圓鋼管對(duì)管內(nèi)混凝土有較好的約束作用，增大壁厚（減小徑厚比），提高管內(nèi)混凝土的套箍指標(biāo)，圓鋼管混凝土短柱軸心受壓的力-位移曲線有較長(zhǎng)平臺(tái)段，位移延性好;

（2）在軸壓力作用下的水平力-位移滯回曲線飽滿，耗能能力強(qiáng);

（3）提高鋼材和混凝土強(qiáng)度，能有效提高圓鋼管混凝土柱的軸壓和抗彎承載力。

2.1.2 矩形鋼管混凝土柱

矩形鋼管混凝土柱具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、節(jié)點(diǎn)連接方便、抗彎性能好、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑中的應(yīng)用較為廣泛。國(guó)內(nèi)外對(duì)方鋼管混凝土柱的抗震性能進(jìn)行較為深入研究，主要參數(shù)為：軸壓比，矩形鋼管的長(zhǎng)寬比，鋼管壁板寬厚比，長(zhǎng)細(xì)比，鋼材強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度等。

研究結(jié)果表明：

（1）軸壓比對(duì)方鋼管混凝土柱的抗震性能影響較大，軸壓比增大時(shí)抗震性能變差，抗震設(shè)防地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)采用方鋼管混凝土柱時(shí)，混凝土分擔(dān)的荷載大小應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的限值要求，以保證框架柱的抗震延性需求;

（2）提高鋼材強(qiáng)度，或增加鋼管壁厚，即減小鋼管壁板寬厚比，有利于提高其水平承載力;

（3）寬厚比對(duì)鋼管壁局部屈曲影響較為明顯，減小寬厚比能推遲鋼管壁板屈曲以及減小屈曲范圍;

（4）矩形鋼管混凝土柱截面的長(zhǎng)寬比增大，其延性降低;

（5）混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，延性相對(duì)越差;

（6）長(zhǎng)細(xì)比對(duì)剛度影響較大，對(duì)方鋼管混凝土柱的彈性段和強(qiáng)化段影響明顯。

矩形鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用不如圓鋼管顯著，但是矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)既有鋼結(jié)構(gòu)的塑性變形能力強(qiáng)、延性好、抗震性能優(yōu)良等特性，又克服了圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于截面形狀特殊帶來的設(shè)計(jì)、施工及使用上的不便，具有抗彎剛度大、節(jié)點(diǎn)連接方便的優(yōu)點(diǎn)。因此，矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層及超高層建筑中具有很好的應(yīng)用前景，現(xiàn)已受到國(guó)內(nèi)外工程領(lǐng)域的普遍重視。

2.1.3 鋼骨混凝土柱

相比鋼筋混凝土柱，鋼骨混凝土 （也稱型鋼混凝土柱）具有更高的承載力和更好的抗震性能，解決了超高層建筑底部由于軸壓力大致使鋼筋混凝土柱截面尺寸過大的問題。

研究結(jié)果表明：

（1）相比鋼筋混凝土柱，鋼骨混凝土柱的承載力、延性、耗能能力等有明顯提高;

（2）引剪跨比小于 1.5時(shí)，鋼骨混凝土短柱以斜壓破壞為主;剪跨比介于 1.5-2.5時(shí)，以剪切勃結(jié)破壞為主，剪跨比大于 2.5時(shí)，以彎曲破壞為主;

（3）鋼骨混凝土柱的滯回曲線飽滿，具有較好的耗能能力;軸壓比增大，骨架曲線下降變陡，承載力衰減加快，耗能能力減弱，塑性變形能力與延性變差;

（4）含鋼率或配骨率提高，承載力增大，且承載力退化減慢;

（5）增大體積配箍率，塑性變形能力增強(qiáng)，延性提高;

（6）采用八角箍比井字復(fù)合箍更能有效約束混凝土、提高鋼骨混凝土柱的延性。

2.2 具有加強(qiáng)措施的鋼管混凝土柱

試驗(yàn)研究表明，圓鋼管能夠?qū)炷撂峁┉h(huán)向均勻約束，約束作用較強(qiáng)，而矩形鋼管混凝土柱在外力作用下，矩形鋼管對(duì)核心混凝土的約束主要集中在四角區(qū)域，且長(zhǎng)邊鋼板對(duì)核心混凝土的約束作用小于短邊，由此可見矩形鋼管的約束效應(yīng)較小，約束效果顯然不如圓鋼管，使得矩形鋼管混凝土柱的承載力較低。這使得矩形鋼管混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用受到了一定程度的阻礙。

因此，有必要提出一些改善矩形鋼管混凝土受力性能的措施，充分發(fā)揮其潛在的承載力。

這些加強(qiáng)措施主要包括設(shè)置約束拉桿、設(shè)置加勁肋、設(shè)置角部隅撐、設(shè)置栓釘和設(shè)置內(nèi)管等。

2.2.1 帶約束拉桿

帶約束拉桿鋼管混凝土是在鋼管混凝土柱截面中沿縱向或橫向每隔一定間距設(shè)置約束拉桿（鋼筋），約束拉桿端部采用螺栓連接。受力時(shí)，約束拉桿為鋼管提供橫向彈性約束支撐，兩者共同協(xié)調(diào)對(duì)核心混凝土產(chǎn)生約束作用，延緩和減小鋼管壁向外的屈曲變形，從而承載力、塑性變形能力、穩(wěn)定性以及韌性等受力性能得到很大的改善。

2.2.2 設(shè)置加勁肋

設(shè)置加勁肋是一種通過在鋼管混凝土周邊中點(diǎn)處設(shè)置加勁肋的形式予以加強(qiáng)的新構(gòu)造措施。這種新型組合柱具有預(yù)期的高強(qiáng)度和高延性，但缺點(diǎn)是耗鋼量增加，焊接工作量大。其截面形式如圖所示。

2.2.3 設(shè)置角部隅撐

設(shè)置角部隅撐是一種通過在兩個(gè)槽鋼角部焊接斜拉桿后以焊縫拼接而成型的鋼管混凝土改善措施，施斜拉桿的焊接點(diǎn)均在邊長(zhǎng)的三分點(diǎn)。該種措施可以在方形鋼管的角部形成一個(gè)很強(qiáng)的剛域，鋼管對(duì)核心混凝土的約束在角部明顯加強(qiáng)，能明顯提高構(gòu)件的承載力和延性。但周邊截面中部對(duì)核心混凝土的約束作用仍較弱，且拉桿內(nèi)置斜放也會(huì)給施工帶來一定困難且質(zhì)量不容易保證。

2.2.4 設(shè)置栓釘

在方形鋼管混凝土柱的周邊均勻設(shè)置焊接栓釘來增強(qiáng)鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用。這種加強(qiáng)形式增強(qiáng)了截面四邊對(duì)核心混凝土的約束作用，延緩了鋼管壁的局部屈曲，在一定程度上提高了構(gòu)件的承載力，但栓釘?shù)暮附庸ぷ髁枯^大，且質(zhì)量不容易保證。

3 鋼管混凝土的新材料應(yīng)用

3.1 FRP鋼管混凝土

目前 FRP 約束鋼管混凝土構(gòu)件的類型主要包括 FRP 鋼管混凝土和 FRP-混凝土-鋼管構(gòu)件。二者主要的區(qū)別為 FRP和鋼管之間是否有混凝土夾層。FRP 鋼管混凝土指的是 FRP 材料直接裹在鋼管混凝土構(gòu)件表面，形成整體，共同受力。該型組合柱的優(yōu)勢(shì)十分的明顯：在施工的過程中，施工所產(chǎn)生的荷載可以很好的由內(nèi)鋼管承受，節(jié)約模板;在使用過程中，一方面，鋼管和混凝土的相互作用，構(gòu)件具有較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度、良好的延性、以及優(yōu)秀的抗震性能，另一方面，由于混凝土受到鋼管的約束作用，使得構(gòu)件的承載力得到較大的提高。構(gòu)件的外側(cè)有 FRP材料，可以防止構(gòu)件的抗腐蝕性能，由于FRP材料具有良好的耐火性能，且 FRP布軸向剛度較小，僅僅考慮其對(duì)混凝土提供的環(huán)向約束作用，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，使得構(gòu)件具有良好的耐火性能。

FRP-混凝土-鋼管組合構(gòu)件由外層纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）、內(nèi)層鋼管以及二者之間的混凝土構(gòu)成。目前，對(duì) FRP-混凝土-鋼管組合空心柱的研究有許多，混凝土以及鋼管由于兩者的相互約束，使得兩者都能充分發(fā)揮各自的性能，使得構(gòu)件的強(qiáng)度以及延性得到大大的提高，鋼管徑厚比、混凝土強(qiáng)度、FRP的強(qiáng)度以及層數(shù)對(duì)構(gòu)件的影響很大。

3.2 耐火鋼材鋼管混凝土

雖然鋼材和混凝土都屬于非燃燒型材料，但都不耐火，尤其是鋼材。普通鋼材的強(qiáng)度和彈性模量對(duì)溫度十分敏感，隨著溫度升高發(fā)生很大變化。350℃以上時(shí)普通結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度低于其室溫屈服強(qiáng)度的 2/3， 500℃時(shí)普通結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度將降到其室溫屈服強(qiáng)度的一半，而溫度達(dá)到 600℃時(shí)則基本喪失了承載力。

目前，建筑防火設(shè)計(jì)主要有兩種方式，其一是采用防火涂料進(jìn)行耐火保護(hù)，包括膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料。但采用防火涂料進(jìn)行耐火保護(hù)具有以下缺點(diǎn)：膨脹型防火涂料具有良好的外觀，通常適用于設(shè)計(jì)耐火極限不超過 1.5h的鋼構(gòu)件，且其耐久性問題還有待進(jìn)一步驗(yàn)證;非膨脹型防火涂料需要濕法作業(yè)施工和較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)周期，在運(yùn)輸和安裝中極易損壞，還可能危害工人健康，而且防火涂層還會(huì)降低建筑物的有效使用空間，噴涂施工過程中的飛濺物還會(huì)環(huán)境污染。

另外一種防火設(shè)計(jì)方式則是使用耐火鋼。耐火鋼的室溫力學(xué)性能以及其他質(zhì)量指標(biāo)均滿足普通建筑用鋼的使用要求，且 600℃時(shí)的屈服強(qiáng)度高于其室溫屈服強(qiáng)度的 2/3，彈性模量在 700℃時(shí)還能保持其室溫時(shí)的 75%以上。耐火鋼的應(yīng)用，可以改善鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的承載性能，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)抵抗火災(zāi)的能力，顯著減少建筑物的防火涂層厚度，使不用防火涂層的建筑成為可能，降低工程綜合造價(jià)。

4 結(jié)論與展望

正是由于鋼管混凝土比起傳統(tǒng)鋼筋混凝土有著許多的優(yōu)勢(shì)，在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著研究和應(yīng)用的開展，鋼管混凝土的一些問題暴露了出來，由此一些解決方案和新的應(yīng)用方向引起了人們的研究關(guān)注，并取的了一些研究進(jìn)展。

本文通過介紹鋼管混凝土近年來遇到的問題，從新的截面形式、新材料的應(yīng)用、新的結(jié)構(gòu)形式、新的研究方法等方面綜合闡述了鋼管混凝土的一些研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。從本文中闡述的研究進(jìn)展來看，矩形鋼管混凝土土柱約束的問題，F(xiàn)RP、耐火鋼材、再生混凝土和自密實(shí)混凝土等材料在鋼管混凝土中的應(yīng)用，鋼管混凝土在結(jié)構(gòu)體系中結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用。

管混凝土研究的一些熱點(diǎn)，并使得鋼管混凝土的某些性能進(jìn)一步提升，使其有了更加廣闊的應(yīng)用前景。

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