關(guān)于對(duì)鋼管混凝土設(shè)計(jì)理論與試驗(yàn)方法的研析

林康

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

由于鋼管混凝土(concrete-filled steel tube, CFST)具有承載力高、抗震性能優(yōu)異、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，其在大跨度及超高層領(lǐng)域已有許多工程實(shí)例應(yīng)用，如圖1 所示。鋼管混凝土通過鋼管與核心混凝土的組合作用來發(fā)揮各自的材料優(yōu)勢(shì)，外包鋼管約束核心混凝土的受壓膨脹，而核心混凝土又反過來延緩鋼管因內(nèi)陷式局部屈曲而導(dǎo)致的失穩(wěn)破壞，從而顯著提高鋼管混凝土的承載力和延性。另外，在施工階段，鋼管可以作為混凝土澆筑的模板，從而省去拆摸、支模工序，縮短施工周期，提高施工效率。

圖1 鋼管混凝土的工程實(shí)例應(yīng)用

過去幾十年里，學(xué)者們對(duì)鋼管混凝土的力學(xué)性能、抗震性能、耐火性能和韌性性能等開展了大量的試驗(yàn)研究和理論分析。以往研究表明，建立鋼管混凝土設(shè)計(jì)理論的核心在于如何準(zhǔn)確評(píng)估鋼管和核心混凝上之間的組合效應(yīng)，這也決定了鋼管混凝土受力機(jī)理分析的復(fù)雜性。因此，已有的理論研究往往需要借助某些理想化假定，且常規(guī)的試驗(yàn)研究也只能得到鋼管混凝土整體所承擔(dān)的荷載，無法直接得到鋼管和核心混凝土的全過程內(nèi)力分配情況，使得試驗(yàn)研究無法為精細(xì)化的理論研究提供可靠指導(dǎo)?？偨Y(jié)來說，不同學(xué)者對(duì)鋼管混凝土中鋼管與核心混凝土組合效應(yīng)的復(fù)雜性和全過程軸壓受力機(jī)理的認(rèn)識(shí)不盡相同，致使無法對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

為了充分認(rèn)識(shí)鋼管混凝土的受力機(jī)理，形成實(shí)用、真實(shí)合理的研究和設(shè)計(jì)方法，本論文基于目前已提出的“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”和“極限平衡法理論”，分析鋼管混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法要點(diǎn)，并提出一種可直接量測(cè)鋼管混凝土中內(nèi)力分量的試驗(yàn)方法，為鋼管混凝土設(shè)計(jì)理論的精細(xì)化研究提供思路和可行建議。

1 相關(guān)理論研究

1.1 鋼管混凝土統(tǒng)一理論

按照截面形式的不同，鋼管混凝土通?？煞譃閳A形鋼管混凝土、方形或矩形鋼管混凝土以及異形鋼管混凝土，而后又經(jīng)由優(yōu)化設(shè)計(jì)，其截面形式由實(shí)心構(gòu)件發(fā)展至空心構(gòu)件，如圖2 所示。鐘善桐教授團(tuán)隊(duì)在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了適用于不同截面形式、不同受力狀態(tài)下的“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”[1]。

圖2 各種截面形式的實(shí)心（a-c）和空心（d-f）鋼管混凝土柱

以受壓構(gòu)件為例計(jì)算方法如式（1）、式（2）所示。

式中：N，M，T，V 分別是構(gòu)件所受的軸向壓力，彎矩，扭矩和剪力；N0，M0，T0，V0分別是構(gòu)件的軸向壓力，彎矩，扭矩和剪力設(shè)計(jì)承載力；NE——?dú)W拉臨界力，NE=3.1416EscmAsc/λ；λ——構(gòu)件的長細(xì)比；βm——等效彎矩系數(shù)，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用；Asc——橫截面面積，實(shí)心、空心構(gòu)件不同；fsc——鋼管混凝土構(gòu)件的軸壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；φ——實(shí)心圓鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，其他截面取ksφ，ks取值可參考相關(guān)文獻(xiàn)[1]。

可以看出，為了便于指導(dǎo)相關(guān)實(shí)踐，該理論簡(jiǎn)易化地將鋼管混凝土視為一種組合材料（單一材料），其承載力按統(tǒng)一形式的公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，不區(qū)分鋼管和核心混凝土，忽略了鋼管與核心混凝土在受力全過程中存在的復(fù)雜受力行為和破壞機(jī)理；另外，該理論的提出是基于實(shí)心鋼管混凝土的，其對(duì)空心鋼管混凝土的適用性有待進(jìn)一步考究。

1.2 極限平衡法理論

蔡紹懷教授認(rèn)為鋼管和核心混凝上之間的組合作用歸功于鋼管對(duì)核心混凝土的套箍效應(yīng)，這使得鋼管混凝土的承載力和延性大為提高。因此，蔡紹懷教授在分析鋼管混凝土的組合作用時(shí)引入“套箍系數(shù)θ”，并建立了“極限平衡法理論”[2]，對(duì)后續(xù)相關(guān)研究工作有一定借鑒意義。

以軸壓鋼管混凝土為例：

（1）套箍系數(shù)。

式中：As和fs分別是鋼管的橫截面面積和屈服強(qiáng)度，Ac和fc分別是核心混凝土的橫截面面積和抗壓強(qiáng)度。

（2）鋼管混凝土軸壓承載力按式（4）、式（5）計(jì)算。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，當(dāng)θ＞1，公式可簡(jiǎn)化為式（6）。

由式（6）可知，該理論通過引入套箍系數(shù)θ 來考慮鋼管與核心混凝土的組合作用，套箍系數(shù)越大，鋼管混凝土的軸壓承載力的提高幅度越大，強(qiáng)度與套箍系數(shù)呈正相關(guān)。以往研究表明[3-5]，鋼管在屈服后（極限狀態(tài)）仍能繼續(xù)有效約束核心混凝土，而“極限平衡法理論”在考慮套箍系數(shù)θ 時(shí)僅以鋼管屈服強(qiáng)度fs為限值，后續(xù)研究有必要對(duì)鋼管的屈曲后行為和其他因素的影響進(jìn)行更為深入的分析。

2 試驗(yàn)研究方法

2.1 概述

由以上分析可知，無論是“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”還是“極限平衡法理論”，兩者對(duì)鋼管混凝土中鋼管與混凝土組合效應(yīng)的復(fù)雜性和全過程軸壓受力機(jī)理的認(rèn)識(shí)不盡相同，致使無法對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。此外，常規(guī)的試驗(yàn)研究也只能得到鋼管混凝土整體所承擔(dān)的荷載，無法直接得到鋼管和混凝土的全過程內(nèi)力分配情況，試驗(yàn)研究無法為精細(xì)化的理論研究提供可靠指導(dǎo)。因此本文提出如下可直接量測(cè)鋼管混凝土中軸力分量的試驗(yàn)方法，為鋼管混凝土設(shè)計(jì)理論的精細(xì)化研究提供思路和可行建議。

2.2 試驗(yàn)研究方法及可行性分析

本文所提出的鋼管混凝土軸力分量量測(cè)的試驗(yàn)方法如圖3 所示。試件包括單邊有面板的外包鋼管、核心混凝土以及力測(cè)量裝置組成，見圖3（a）。為實(shí)現(xiàn)軸力量測(cè)目的，把試件劃分為上、下兩個(gè)組成部分：也就是下部的鋼管混凝土試驗(yàn)段，包括試驗(yàn)段外包鋼管和核心混凝土；上部的軸力量測(cè)段，由量測(cè)段外包鋼管和力測(cè)量裝置組成。量測(cè)段外包鋼管由內(nèi)壁口徑與試驗(yàn)段外包鋼管的外壁口徑一致的鋼管焊接在試驗(yàn)段外包鋼管上部而成。通過預(yù)先設(shè)計(jì)量測(cè)段外包鋼管的壁厚和力量測(cè)裝置的尺寸，使兩者在加載過程中始終處于為彈性階段，避免鋼材進(jìn)入屈服階段而影響量測(cè)結(jié)果的精度。在安裝力量測(cè)裝置前，可以在其中部布設(shè)應(yīng)變傳感器，通過反復(fù)軸壓來標(biāo)定出力量測(cè)裝置的彈性段軸力-軸向平均應(yīng)變關(guān)系，如圖 3（b）~（c）所示。

圖3 鋼管混凝土軸力分量量測(cè)的試驗(yàn)方法

加載過程中，可以利用力量測(cè)裝置所測(cè)的實(shí)時(shí)軸向平均應(yīng)變數(shù)據(jù)和標(biāo)定出的軸力-軸向平均應(yīng)變關(guān)系來計(jì)算出核心混凝土所承擔(dān)的軸壓力，并進(jìn)一步直接得到鋼管的軸力分量，以此達(dá)到本文試驗(yàn)方法的目的。值得注意的是，混凝土澆筑完成后，安裝力量測(cè)裝置時(shí)應(yīng)提前在核心混凝土上平鋪一層高強(qiáng)無收縮材料，確保二者之間的應(yīng)力傳遞更加均勻。

基于上述方法，本文對(duì)方鋼管混凝土開展了相關(guān)的軸壓試驗(yàn)，試件詳細(xì)尺寸見表1。試件SI-W 采用軸力量測(cè)方案，試件ST 則為同尺寸的純鋼管對(duì)比件。所有鋼管采用Q235 鋼，試驗(yàn)中制作了12 個(gè)同批次的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊（150mm×150mm×150mm），所有試塊均進(jìn)行密封養(yǎng)護(hù)，以實(shí)現(xiàn)模擬核心混凝土實(shí)際養(yǎng)護(hù)環(huán)境的目的。立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)平均值為39.2MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為1.2MPa。

表1 試件詳細(xì)尺寸

各試件的軸力分量-軸向平均應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示?？梢灾庇^看出，試件SI-W 為在達(dá)到峰值荷載時(shí)，鋼管已經(jīng)進(jìn)入屈服后強(qiáng)化階段，其所承擔(dān)的軸力也基本達(dá)到峰值，而核心混凝土由于受壓開裂進(jìn)入了承載力下降段；對(duì)比試件SI-W 和試件ST，鋼管在進(jìn)入承載力下降段后，由于核心混凝土的反約束作用，試件SIW 中鋼管的軸力分量-平均應(yīng)變曲線相比于試件ST 的軸力-平均應(yīng)變曲線來說具有更平緩的下降段，也就是前者具有更好的屈服后延性。

圖4 試件的軸力分量-軸向平均應(yīng)變關(guān)系曲線

基于試驗(yàn)結(jié)果可知，本文所提出的試驗(yàn)方法可有效量測(cè)鋼管混凝土中鋼管和混凝土的全過程受力分配情況，對(duì)于鋼管的屈服后行為等因素對(duì)鋼管混凝土的承載力和延性的影響可進(jìn)一步開展更細(xì)致的研究工作。因此，本文對(duì)后續(xù)理論和試驗(yàn)研究提出以下建議：基于軸力分量量測(cè)方法，對(duì)不同截面形式鋼管混凝土的軸壓性能開展參數(shù)范圍更廣的試驗(yàn)研究，以真實(shí)有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為理論研究提供依據(jù)，并進(jìn)一步修正鋼管混凝土的承載力公式，提出更合理的鋼管混凝土全過程受力機(jī)理模型。

3 結(jié)語

由于鋼管混凝土中鋼管和混凝土之間的相互作用具有一定的復(fù)雜性，“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”和“極限平衡法理論”的理想化假定均無法真實(shí)的反映實(shí)際鋼管混凝土的受力行為；基于此本文提出一種可直接量測(cè)鋼管混凝土中內(nèi)力分量的試驗(yàn)方法，為鋼管混凝土設(shè)計(jì)理論的精細(xì)化研究提供思路和可行建議，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。