鋼管混凝土柱優(yōu)化設(shè)計方法研究進(jìn)展

孫玉濤 胥獻(xiàn)忠

近年來，方（矩）形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用日益廣泛。但是，對于方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來說，方鋼管提供的約束力較不均勻，角部混凝土受到的約束較強(qiáng)，邊中部混凝土受到的約束較弱，在軸壓荷載下，管壁易較早出現(xiàn)局部屈曲。為了改善方鋼管混凝土這一缺陷，研究者對其進(jìn)行了添加不同構(gòu)造措施的探索。本文主要從方鋼管混凝土柱、帶肋方鋼管混凝土柱和帶約束拉桿方鋼管混凝土柱這三大方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 方鋼管混凝土柱的研究現(xiàn)狀

1.1 方鋼管膨脹混凝土柱研究現(xiàn)狀

為了改善普通鋼管混凝土在受力時緊箍力出現(xiàn)較晚的情況，在配置混凝土的時，加入適量的膨脹劑，使方鋼管和混凝土受力前就產(chǎn)生緊箍力，二者作為一個整體一同承受荷載，從而提高試件的極限承載力。

盧方偉等[1]研究顯示，在軸壓荷載下，當(dāng)荷載接近極限荷載時，鋼管對核心混凝土開始產(chǎn)生約束效應(yīng)，且約束效應(yīng)主要集中在兩對角區(qū)域；在偏壓荷載下，方鋼管膨脹混凝土柱表現(xiàn)出良好的彈塑性工作性能和延性性能，其極限承載力比普通方鋼管混凝土柱提高了3%～12%，且承載力隨著偏心率增大而降低，當(dāng)偏心率一定時，試件極限承載力隨含鋼率增大而增大。

但是，與普通方鋼管類似，方鋼管膨脹混凝土柱的約束效應(yīng)也集中在角部區(qū)域，并沒有增強(qiáng)其對核心混凝土的約束作用，易產(chǎn)生局部屈曲的問題也并沒有得到改善。

1.2 內(nèi)置CFRP圓管的方鋼管高強(qiáng)混凝土柱研究現(xiàn)狀

內(nèi)置CFRP 圓管的方鋼管高強(qiáng)混凝土柱指的是將CFRP 圓管的圓心置于方鋼管的幾何中心，再澆筑高強(qiáng)混凝土而形成的結(jié)構(gòu)。

李幗昌等[2]研究表明，內(nèi)置CFRP 圓管有效約束了核心混凝土，改善了方鋼管易出現(xiàn)角部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使3 種材料能夠較好地協(xié)同工作；試件承載力隨CFRP 圓管與鋼管配置率的增加而增大；當(dāng)承載力相同時，與方套圓中空夾層鋼管混凝土柱相比，內(nèi)置CFRP 圓管的方鋼管高強(qiáng)混凝土柱的經(jīng)濟(jì)性能更為優(yōu)越。

但在實(shí)際工程施工時，一方面要確保CFRP 圓管幾何中心和方鋼管的幾何中心重合，且在澆筑混凝土?xí)r不移位，另一方面要確保試件內(nèi)澆筑混凝土的質(zhì)量，在一定程度上，增大了施工難度，對施工質(zhì)量要求較高。此外，內(nèi)置的CFRP 圓管不利于核心混凝土的散熱。

1.3 型鋼—方鋼管自密實(shí)高強(qiáng)混凝土柱研究現(xiàn)狀

型鋼—方鋼管自密實(shí)高強(qiáng)混凝土柱是在方鋼管中填充自密實(shí)高強(qiáng)混凝土和型鋼而形成。

王清湘等[3]研究結(jié)果表明：設(shè)置型鋼能有效地延緩高強(qiáng)混凝土中剪切裂縫的產(chǎn)生，從而提高了構(gòu)件的延性；自密實(shí)混凝土不用振搗也可以達(dá)到自密實(shí)的效果，并不影響構(gòu)件力學(xué)性能的實(shí)現(xiàn)。此外，還推導(dǎo)出了型鋼—方鋼管自密實(shí)高強(qiáng)混凝土軸心受壓短柱的承載力計算公式。朱美春等[4]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在試件軸壓比相同的前提下，加入型鋼可以大幅度提高組合柱的耐火極限；與內(nèi)置CFRP 圓管不同，內(nèi)置型鋼并不能有效改善方鋼管對核心混凝土的約束作用，且內(nèi)置型鋼需要的用鋼量較大，其經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步研究。

2 帶肋鋼管混凝土柱研究現(xiàn)狀

2.1 帶肋方鋼管混凝土柱

帶肋方鋼管混凝土柱是在截面內(nèi)每邊焊接縱向加勁肋形成的結(jié)構(gòu)，其截面形式如圖1 所示。

圖1 帶肋方鋼管混凝土柱（來源：作者自繪）

趙均海等[5]根據(jù)統(tǒng)一強(qiáng)度理論，推導(dǎo)出了帶肋方鋼管混凝土短柱的極限軸壓承載力計算公式，并利用公式對相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行計算，計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果者吻合較好。此外，與普通鋼筋混凝土柱相比，帶肋方鋼管混凝土柱的綜合效益良好。

通過對方鋼管內(nèi)部焊接縱向加勁肋，削弱了方鋼管的角部應(yīng)力，提高了鋼管對混凝土的約束作用，減小試件局部屈曲的波長，顯著提高了方鋼管混凝土柱的極限承載力和延性。

2.2 開孔鋼板（PBL）加勁型方鋼管混凝土短柱

開孔鋼板加勁型方鋼管混凝土柱是加勁肋沿縱向等距開孔，其截面形式如圖2 所示。

圖2 開孔鋼板加勁型方鋼管混凝土短柱（來源：作者自繪）

劉永健等[6]研究表明：PBL 加勁型方鋼管混凝土軸壓短柱破壞模式與加勁肋剛度有關(guān)，當(dāng)不完全加勁時，管壁呈“單波”鼓曲，與無肋鋼管混凝土柱的破壞模式相近；當(dāng)完全加勁時，管壁呈“雙波”鼓曲；未加勁、PBL 加勁肋、鋼板加勁肋的構(gòu)件承載力依次增大。

通過對加勁肋開孔，增強(qiáng)鋼管混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度，防止鋼管混凝土界面的脫空和減小二者之間相對滑移，有效改善節(jié)點(diǎn)性能和鋼板抗局部屈曲性能，提高套箍效應(yīng)。與一般帶肋方鋼管混凝土相比，PBL 加勁型方鋼管混凝土的施工要復(fù)雜一些，其經(jīng)濟(jì)性還有待研究。

2.3 帶肋的異形鋼管混凝土柱

在普通T 形、L 形鋼管混凝土柱截面的中部或薄弱區(qū)增設(shè)加勁肋，形成帶肋的異形鋼管混凝土柱，其截面形式如圖3 所示。

圖3 帶肋的異形鋼管混凝土柱（來源：作者自繪）

沈祖炎等[7]對L 形鋼管混凝土短肢柱進(jìn)行了軸壓研究，指出加勁肋的設(shè)置可以有效延緩管壁屈曲發(fā)生，減少屈曲波數(shù)，從而改善柱子的延性，但不能提高其承載力。林震宇等[8]研究表明，加勁肋的設(shè)置對L 形鋼管混凝土長肢柱的承載力及延性均無明顯影響。

與帶肋方鋼管相似，加勁肋的設(shè)置將增強(qiáng)管壁的側(cè)向剛度，延緩管壁局部屈曲的發(fā)生，提高對核心混凝土的約束作用，從而提高構(gòu)件的延性。由于對異形鋼管混凝土設(shè)置只能改善構(gòu)件的延性，而對其承載力提高基本不起作用，在工程中使用比較局限，且不夠經(jīng)濟(jì)。

3 帶約束拉桿鋼管混凝土柱研究現(xiàn)狀

3.1 帶約束拉桿方鋼管混凝土柱

為了彌補(bǔ)方鋼管混凝土的不足，沿構(gòu)件縱向截面上等間距設(shè)置一定數(shù)量的約束拉桿，帶約束拉桿方鋼管混凝土柱截面形式如圖4 所示。

圖4 帶約束拉桿方鋼管混凝土柱（來源：作者自繪）

何振強(qiáng)等[9]研究結(jié)果表明，設(shè)置水平約束拉桿不僅能延緩甚至避免鋼管在達(dá)到屈服前發(fā)生失穩(wěn)性的局部屈曲，而且能使鋼管對核心混凝土的約束作用得到提高；隨著約束拉桿縱向間距的縮小，試件極限承載力和對應(yīng)的應(yīng)變隨之增大。蔡健、何振強(qiáng)等[10]基于能量變分法并假定非載荷邊為彈性約束邊對鋼管局部屈曲強(qiáng)度計算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，并給出了約束拉桿縱向間距的合理設(shè)置值和外鋼管的寬厚比限值，以便工程使用。

通過對方鋼管設(shè)置水平約束拉桿可延緩管壁在鋼管屈服前發(fā)生鼓曲變形，增強(qiáng)對核心混凝土的約束作用，從而提高了試件的極限承載力和延性。但在約束拉桿之間的區(qū)域會出現(xiàn)彈塑性局部屈曲現(xiàn)象，削弱對內(nèi)填混凝土的約束作用，從而影響構(gòu)件后期的力學(xué)性能。

3.2 帶約束拉桿的異形鋼管混凝土柱

在普通T 形、L 形和十字形鋼管混凝土柱各邊等間距設(shè)置橫向拉桿組成帶約束拉桿的異形鋼管混凝土柱，其截面形式如圖5 所示。

圖5 帶約束拉桿的異形鋼管混凝土柱（來源：作者自繪）

龍躍凌等[11]試驗(yàn)研究表明，設(shè)置約束拉桿不僅能限制鋼板側(cè)向變形，提高了構(gòu)件的極限承載力；而且能顯著改善鋼管陰、陽角邊及短邊對核心混凝土約束的不均衡性，延緩或甚至避免鋼管在達(dá)到屈服前發(fā)生局部屈曲，明顯提高了試件的延性。孫剛等[12]在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，并通過分析帶約束拉桿L 形鋼管混凝土柱的受力機(jī)理，建立了帶約束拉桿L 形鋼管混凝土柱的軸壓承載力計算公式。

趙均海等[13]對帶約束拉桿十字形鋼管混凝土短柱進(jìn)行了軸心受壓試驗(yàn)，指出構(gòu)件承載力隨拉桿間距和鋼管寬厚比的增大而減??；拉桿橫向間距越大，縱向間距對承載力影響越?。焕瓧U直徑對承載力的影響不明顯，這與龍躍凌等[11]研究得到的結(jié)論一致。

王培友等[14]數(shù)值模擬分析表明，設(shè)置約束拉桿的T 形鋼管混凝土短柱可以減小陰角處應(yīng)力較大的范圍，減輕構(gòu)件管壁的鼓曲現(xiàn)象，提高對核心混凝土的約束作用，從而提高構(gòu)件整體的極限承載力和剛度。

通過對異形鋼管設(shè)置拉桿，增強(qiáng)管壁對核心混凝土的約束作用，延緩管壁的局部鼓曲，提高構(gòu)件的承載能力及延性。但是，凸出于管壁的拉桿和螺栓會影響建筑的美觀性，后期需要進(jìn)行處理。

3.3 勁化方鋼管混凝土柱

僅設(shè)置約束拉桿的鋼管混凝土柱約束拉桿之間的區(qū)域會出現(xiàn)彈塑性局部屈曲現(xiàn)象，削弱對內(nèi)填混凝土的約束作用。為改善僅設(shè)拉桿鋼管混凝土柱的不足，提出勁化方形截面鋼管混凝土柱，其立面圖和截面形式如圖6所示。

圖6 勁化方鋼管混凝土柱（來源：作者自繪）

蔡健等[15]研究結(jié)果表明：勁化帶的設(shè)置使鋼管壁對核心混凝土的約束作用更趨均勻，改變了鋼管的局部屈曲變形狀態(tài)，明顯提高了方鋼管混凝土柱的軸壓承載力和變形能力。根據(jù)勁化方形截面鋼管混凝土短柱的受力分析，提出了勁化方形截面鋼管混凝土短柱軸壓承載力計算式。鄭新志等[16]研究發(fā)現(xiàn)：勁化帶寬厚比對帶約束拉桿方形鋼管混凝土試件的軸壓性能影響顯著，隨著勁化帶寬厚比的減小，試件的承載力增大，試件發(fā)生局部屈曲時對應(yīng)的縱向應(yīng)變增大，延性系數(shù)增大。

與其他對方鋼管混凝土柱的改進(jìn)措施相比，通過對方鋼管混凝土柱合理設(shè)置勁化帶與約束拉桿，可以在增加較少用鋼量又不增加施工難度的前提下，最大限度地減緩約束拉桿之間彈塑性屈曲，提高管壁的側(cè)面約束能力，改善柱的力學(xué)性能，是比較理想的一種組合結(jié)構(gòu)。

4 工程應(yīng)用

鋼管混凝土是一種具有相當(dāng)長歷史的組合結(jié)構(gòu)。英國在1879 年修建的Severn 鐵路橋橋墩是最早采用鋼管混凝土的工程之一，當(dāng)時內(nèi)填混凝土的目的是為了防止鋼管內(nèi)部銹蝕。直到20 世紀(jì)60 年代初，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國修建北京地鐵站臺柱時才首次被應(yīng)用。從20 世紀(jì)80 年代開始，我國對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究工作進(jìn)一步深入，并增加其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。其中，帶約束拉桿的鋼管混凝土在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛，如在名匯商業(yè)大廈建造過程中，采用了帶約束拉桿的異形鋼管混凝土柱，既充當(dāng)剪力墻內(nèi)的暗柱，又與剪力墻混凝土復(fù)合成為核心筒的一部分。在新中國大廈的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為改善較小直徑的圓柱其截面慣性矩及剛性偏小、與剪力墻核心筒剛度欠協(xié)調(diào)的情況，采用了帶約束拉桿方鋼管混凝土柱。這種改進(jìn)型的帶約束拉桿方鋼管混凝土柱不僅減少了鋼結(jié)構(gòu)的防火費(fèi)用，而且與普通鋼筋混凝土柱相比，極大縮減了柱占用面積，增大了使用空間。

5 結(jié)語

可預(yù)見，在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，開展有關(guān)鋼管混凝土的深化研究不僅能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且有廣闊的應(yīng)用前景，將推動我國建筑事業(yè)的發(fā)展。目前，國內(nèi)外研究者對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究與理論分析，但作者認(rèn)為，對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，還有以下幾方面需要進(jìn)行進(jìn)一步研究：

1）內(nèi)置CFRP 圓管的方鋼管混凝土柱在抗震性能、火災(zāi)后的力學(xué)性能的研究。

2）勁化方形鋼管混凝土長柱在軸心荷載、偏心荷載作用下力學(xué)性能以及其抗震性能的研究。

3）帶肋T 形、L 形鋼管混凝土組合柱的抗震性能以及在偏壓荷載下的力學(xué)性能研究。

4）帶約束拉桿T 形、L 形和十字形鋼管混凝土組合柱的節(jié)點(diǎn)、框架的力學(xué)性能進(jìn)行研究。