实复式钢管混凝土的特性及发展

2012-11-16张兆强

绿色科技 2012年9期

张兆强

（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳621010）

1 引言

近年来，钢管混凝土结构以其承载力高、延性和抗震性能好以及施工快捷等优点，在国内外的多高层建筑和大跨桥梁等结构中得到越来越广泛的应用［1］。同时，工程结构对重载、高耸、大跨的要求也不断提高，这就要求柱既要有很高的承载力，又要有较好的延性。因此，在钢管混凝土的基础上涌现出了一些新型结构形式。实复式钢管混凝土就是其中一种，它是将两层或者多层钢管同心放置，并在钢管中填充混凝土而形成的。常用的截面形式如图1所示。

图1 实复式钢管混凝土截面形式

2 实复式钢管混凝土的特点

实复式钢管混凝土是在普通钢管混凝土中增加圆钢管形成的。由于增加圆钢管后，钢管和核心混凝土的相互作用进一步增强，使得实复式钢管混凝土柱具有更高的承载力，整体稳定性得到提高，能更好地满足高烈度地震区轴压比和抗剪强度的要求。另外，由于内钢管处于构件内部，受到外层混凝土的包裹和保护，即使外钢管在火灾作用下退出工作，内层混凝土仍能继续发挥承载能力，因此，其具有比普通钢管混凝土更好的耐火性能。适合于在高耸结构、高层建筑以及大尺寸的灌注桩中使用和加固现存的钢管混凝土柱。

3 研究现状

与钢管混凝土上百年的研究历史相比，对实复式钢管混凝土的研究仅有十余年的时间，基本上还处于起步阶段。已开展的研究工作主要集中在构件的轴压、偏压和滞回性能方面。

3.1 构件的受压承载力和滞回性能研究

蔡绍怀和焦占拴［2］进行了实心复式钢管混凝土短柱的轴压性能试验研究。共制作了两个试件，其中一个为同心放置的三层钢管组成的实心复式钢管混凝土柱，另一个为“梅花”状布置的钢管束。试验结果表明，在使用荷载作用下，试件仍处于弹性工作阶段。文章还在试验的基础上，根据极限平衡理论提出了该类构件的极限承载力计算公式，理论计算结果与实测值符合较好。

张春梅等［3］进行了6个双钢管高强混凝土轴压短柱的试验研究，截面形状如图1（a）所示。试验过程中，考虑的主要参数是构件的含钢率和壁厚。研究结果表明：双钢管高强混凝土柱具有良好的力学性能，构件在屈服前基本为弹性，在屈服后表现出了较好的延性；在相同含钢率的情况下，双钢管高强混凝土柱的轴压承载力高于单钢管混凝土柱；利用现有的钢管混凝土构件承载力计算公式来计算双钢管混凝土柱的轴压承载力，将产生较大的误差，且偏于保守，应当考虑内层钢管的套箍作用。并在此基础上，分析了钢管外直径、钢管内外直径比、钢管径厚比和混凝土强度等因素对双钢管混凝土柱轴压承载力的影响规律［4］。文献［5］通过钢－混凝土组合柱轴压性能的试验对比研究，发现钢－高强混凝土组合柱在受力特点、破坏机制以及计算方法等方面均与普通钢筋混凝土有很大的区别，组合柱均具有较高的轴压承载力，尤以双钢管高强混凝土柱突出。

裴万吉［6］对截面形状如图1（b）所示的内圆外方实复式钢管混凝土短柱进行了轴压和偏压试验，对长柱进行了轴压试验，分析了圆钢管的壁厚、管径及材料的屈服强度等因素对其承载力的影响，并在试验的基础上，利用ANSYS有限元软件对内圆外方实复式钢管混凝土轴压短柱进行了分析，分析结果与试验结果基本一致。张玉芬等［7］根据钢管混凝土统一理论，提出复式钢管等效套箍系数，计算了内圆外方实复式钢管混凝土短柱的轴压承载力，计算结果与试验结果基本符合。文献［8～10］运用双剪统一强度理论，考虑中间主应力以及内、外钢管对内层混凝土的双重约束作用，分别推导了内圆外圆和内圆外方实复式钢管混凝土短柱轴压和偏压承载力计算公式，计算结果与试验结果吻合较好，并给出了较为合理的受力机理解释。

陈国祥等［11］通过标准火灾作用下双钢管混凝土柱截面温度场分布的研究，得出了不同火灾作用下内、外钢管温度比值变化规律，结果表明：内、外钢管直径比对其温度比幅值影响较大，对内钢管实际温度影响较小。

周云等［12］通过低周反复水平荷载作用试验，研究了双钢管高强混凝土柱的抗震性能。结果表明：双钢管高强混凝土柱在低周反复水平荷载作用下的荷载－变形曲线未出现捏缩现象，滞回曲线较饱满，表现出了较好的抗震性能。

3.2 节点的抗震性能研究

文献［13］采用ANSYS软件对采用T型加劲板和加腋进行增强的实复式钢管混凝土柱与工字钢梁节点的抗震性能进行了数值模拟，结果表明：加强型节点承载力高，耗能能力较强，且不会发生节点域的板件断裂，破坏时塑性铰外移，属于延性破坏，满足强节点弱杆件的抗震设计原则。

文献［14］提出了一种用于实复式钢管混凝土结构的新型外钢管不连通环梁节点，并通过4个试件的低周反复荷载试验，研究了其抗震性能。结果表明：新型节点具有较好延性和变形能力，增加环梁配筋率和柱内钢管尺寸可提高节点的承载力。节点整体性强，满足结构设计“强柱弱梁”及“强节点弱构件”的设计原则，具有较好的抗震性能。

4 研究与发展中的若干关键问题

4.1 静力性能研究

虽然目前对实复式钢管混凝土构件在静力荷载作用下的力学性能研究已有了一定的报道，但研究工作开展得还不够充分和系统（如试件的数量偏少，考察参数还较为单一），且主要集中在构件的受压力学性能上，有关压弯构件的研究还很少。得到的承载力计算公式，虽已具有了较好的精度，但仍然显得复杂。因此，还需要开展大量的试验，并在此基础上，结合理论分析方法系统研究不同截面形式构件在不同荷载作用下的工作机理，总结出便于工程应用的计算公式，制定有关设计和施工规程，为该类构件在实际工程中的应用奠定基础。

4.2 动力性能研究

从前述研究现状可看出，关于实复式钢管混凝土构件在动力荷载作用下的力学性能才刚刚进行了一些尝试性研究，对其恢复力模型、破坏机理等的分析尚欠深入。而工程结构通常要对其进行抗震设计，因此需要加强该方面的研究工作。

4.3 节点的设计和优化研究

钢管混凝土结构的梁柱节点一直是工程应用和研究的热点。目前，关于普通钢管混凝土梁柱节点的研究已取得了大量的成果。但是，节点形式仍偏少，同时也缺乏较充分的试验依据，已有的几种节点形式在性能、施工和造价的处理上仍需要优化，且能否直接将其节点移植到实复式钢管混凝土结构中，还需要大量深入的探讨。因此，设计适合于实复式钢管混凝土的梁柱节点，形成一套较为完整和成熟的计算理论和设计方法，具有重要的工程意义。