我国钢管混凝土的研究现状及最新进展

2014-08-15张青艳聂宝磊

科技视界 2014年6期

关键词：轴压高强钢管

张青艳聂宝磊

(嘉兴南洋职业技术学院，浙江嘉兴314000)

0 引言

钢管混凝土就是将混凝土填入钢管内部而形成的一种组合结构。其基本原理就是通过钢管和混凝土的相互作用，使核心混凝土处于三向受力状态，提高混凝土的承载力，降低混凝土结构的脆性，抑制钢管的屈曲。

从1897年美国人John Lally在钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱（称为Lally柱）并获得专利算起，钢管混凝土在工程领域的应用已有上百年历史[1]。

在早期的应用中，空钢管内灌注混凝土的目的主要为了除锈，1901年，Sewell.J.S第一个以文章形式报道了方形钢管混凝土柱的应用情况，认为钢管内填充混凝土不仅能防锈，还能提高其刚度和承载力[2]。

对钢管混凝土的深入研究开始于20世纪六七十年代。1967年Furlong对52个钢管混凝土试件轴压和偏压承载力的试验结果进行了报道，采用圆形和方形两种截面形式，并用相关方程的方法对钢管混凝土压弯构件的极限承载力进行了验算[3]。

我国对于钢管混凝土的应用始于20世纪60年代。1966年在北京地铁车站工程中应用了钢管混凝土。后相继在许多高层和超高层建筑、拱桥中有大量应用，建成了一些世界上最高最大的采用钢管混凝土结构工程。

目前国外有关钢管混凝土的设计规范主要有欧洲EC4(1996)、德国 DIN18806(1997)、美国 ACI319-89、SSLC(1979)和 LRFD(1994)及日本AIJ(1997)等，这些规范中都同时包括了圆钢管混凝土和矩形钢管混凝土构件承载力设计方面的条文，其中美国LRFD、日本AIJ和欧洲EC4最有代表性。

国内关于钢管混凝土的深入研究起步较晚，目前颁布的设计规范主要有国家建材总局、中国工程建设标准化委员会、国家经济贸易委员会、中国人民解放军总后勤部和天津市建委颁布发行的设计规程，分别有 JCJ01-89、CECS28-90(1992)、CECS159：2004、DL/T5085-1999(1999)、GJB4142-2000(2001)和 DB29-57-2003。

为了更好地发挥这种组合结构优异性能，近年来我国不断涌现大批学者对钢管混凝土的力学性能进行了实验、理论和数值模拟等研究。研究结果对规范的进一步完善，扩展该结构的应用领域具有一定的指导性。

随着高性能材料的应用及工程的实际需要，一些新型钢管混凝土结构形式得到应用，关于钢管混凝土的性能也陆续有新的发现，本文就几种新型钢管混凝土力学性能方面的研究成果进行综述。

1 高强钢管混凝土受力性能

20世纪90年代以后，伴随着高强混凝土的大量应用，其脆性破坏问题也日益突出，此时钢管高强混凝土应运而生，相关研究也随即展开。主要集中在破坏模式，轴压，偏压，循环荷载作用效果及对现有规程的适用性分析等方面。

1997年Bridge等论述了高强度钢材和高强度混凝土在钢管混凝土结构中应用的优势，同时也指出，采用高强混凝土会使钢管混凝土柱的脆性增大，而高强薄壁钢管的应用会导致钢管局部稳定的问题变得突出[4]。

国内外研究者对钢管高强混凝土轴心受压力学性能的研究也多集中在承载力提高幅度的大小和构件延性改善的多少方面[4-8]，得出由于钢管约束提高了核心混凝土强度，显著改善了高强混凝土的延性，但是与钢管普通混凝土相比，钢管对核心混凝土的约束效果弱，承载力提高幅度小，延性差。

2004年张素梅，王玉根通过实验手段对比了钢管普通混凝土与钢管高强混凝土的破坏模式很好地解释了上述结论。对12根圆钢管普通混凝土和24根圆钢管高强混凝土短柱进行了轴心受压试验。设计了6种钢管的直径与厚度。发现钢管混凝土的破坏模式不仅和套箍系数有关，还受核心混凝土强度的影响。即在相同套箍系数的条件下，钢管高强混凝土和钢管普通混凝土的破坏模式和力学性能有较大差异。钢管普通混凝土的破坏模式大部分为腰鼓型破坏，只有当含钢率较低和套箍系数较小时，由于钢管对混凝土的约束作用较弱时，才发生剪切破坏；对于钢管高强混凝土试件，大多为剪切破坏，腰鼓破坏情况多发生在含钢率和套箍系数较大时[9]。

2013年郭兰慧，张素梅进行了截面长宽比对构件力学性能的影响研究。选取了21根短柱，6根长柱，长宽比在1.0-1.6范围内，实验证实长宽比在此范围内变化对构件的极限承载能力影响较小。对于长宽比在此范围内的短柱，截面长宽比越大，钢管的长边越容易发生局部失稳现象，对于中长柱，长宽比在此范围内变化时，构件的相对跨中挠度变化很小，构件纵向平均应力—跨中挠度关系曲线变化较小[10]。

对于钢管高强混凝土的偏心受压情况，国内外的研究较少。2004年张素梅，郭兰慧等报道了8根方形钢管混凝土试件压弯试验结果，以长细比，偏心率和含钢率三个为变化参数设计构件。通过实验说明了构件的承载力随长细比和偏心率的增大而迅速降低；发现了含钢率8.2%的构件在达到极限承载力之前出现了局部屈曲。建议设计时应控制截面含钢率或钢管宽厚比，防止局部屈曲过早发生。通过自编程序进行了偏压构件的参数分析，其他参数相同的情况下，混凝土的强度越高，构件的稳定系数越低[11]。

关于钢管约束高强混凝土循环荷载作用下力学相应，2008年刘界鹏，张素梅，郭兰慧进行了循环轴压实验研究，选取12个试件，试验参数主要为钢管宽厚比（D/t=70,D/t=47）和混凝土强度(C77,C88)，进行了循环轴压荷载作用下的试验研究，通过与普通方钢管对比试验，得出在D/t=70时，方钢管约束高强混凝土的承载力高于普通方钢管混凝土，当D/t=47时则相反；由于方钢管约束高强混凝土短柱中，钢管不直接承担纵向荷载，故钢管对核心混凝土的约束效果较好；从钢管的屈服时间来看，方钢管约束高强混凝土短柱中钢管于荷载峰值点之后屈服，普通钢管混凝土构件中钢管屈服与荷载峰值点之后[12]。

2004年王玉根，张素梅在对36根轴压短柱的试验结果[9]的基础上，分别用现行的3部钢管混凝土结构设计规程进行计算，发现各规程的计算方法和计算结果存在一定差异，建议在设计时，注意各规程的极限承载力的定义标注，钢管普通混凝土的设计方法不宜简单套用[13]。

2 带肋方钢管混凝土力学性能

目前方钢管混凝土在工程中已经有大量应用，但是当方钢管的宽厚比超过一定限值时，钢管容易发生局部屈曲，影响构件的承载能力。基于此，国内外有学者开展了带肋方钢管混凝土承载力的研究。

2000年Kwon等对14个带肋钢管混凝土进行了实验研究，通过轴压实验证实了纵向加劲肋的设置对提高试件的屈曲强度有效。

2011年黄宏，张安哥等深入研究了带肋方钢管混凝土短柱的轴压效果，对比了三种试样的轴压效果，无肋，单肋和双肋试件。实验结果表明带肋构件的钢管应力有很大程度地提高，加劲肋的应力达到了其屈服强度；构件的极限承载能力随着加劲肋高度提高而增大；加劲肋的设置使管壁的拉应力区域减小，最大拉应力值降低，钢管的纵向应力分布更加均匀。并且成功地进行了有限元模拟，通过模拟可以很好地计算出荷载—应变全过程曲线，并能反映典型的破坏形态，便于该问题的进一步深入分析[14]。

在上述研究的基础上，2011年黄义勇提出了带肋方钢管混凝土的轴压承载力计算公式，纯弯构件承载力计算公式，偏压构件承载力计算公式。并与前人的实验结果进行对比，公式的计算结果偏安全，可以为相关规范的编制及现行设计人员提供参考[15]。

3 钢管膨胀混凝土实验及理论分析

钢管膨胀混凝土的产生是为了解决在构件使用过程中混凝土与钢管之间的缝隙。相关研究表明，钢管与混凝土之间的结合情况会影响整个结构的受力情况。混凝土的膨胀率过小，会造成钢管与混凝土之间产生缝隙，构件的整体性差。2007年李黎明通过超声波检测与现场剖切实验证实了混凝土与钢管之间存在肉眼可见的清晰缝隙，甚至有的部位局部脱开[2]。混凝土的膨胀率过大，钢管和混凝土内部会有很大的初始应力，影响结构的受力性能[16]。基于此，钢管膨胀混凝土的相关问题得到了学术界的关注并取得了一些研究成果。

2008年陈兵，刘晓等对方钢管膨胀混凝土的极限承载力变化，抗变形能力和膨胀剂掺量进行了实验研究。实验观察发现，与普通钢管混凝土相比，钢管膨胀混凝土具有很好的抗变形能力，无论在弹性阶段还是极限荷载时，相应的变形均小于普通钢管混凝土。关于膨胀剂掺量问题，实验采用的掺量为0%—25%，在钢管厚度相同情况下，试件极限承载力随着膨胀剂掺量的增加而增大，但是膨胀剂掺量太大，会导致极限承载能力下降。对文中报道的情况，合适的掺量范围为10%—20%；在此掺量范围内，随着钢管厚度的增大，试件的极限承载力增大[17]；2008年卢方伟，李四平也从实验角度进行了报道，得出的膨胀剂合理掺量与陈兵文中所述一致[18]。

2007年卢方伟，李四平利用极限平衡理论分析得出圆钢管膨胀混凝土的极限承载力计算公式，其计算结果与实验吻合较好，为该结构的工程应用提供了理论依据[19]。

4 钢管混凝土冲击力学性能探索

随着近年来恐怖袭击的发生，人们对建筑结构的抗爆，抗冲击能力给予了更多的关注。针对爆炸冲击现象，2006年张望喜，卢芳云等采用Φ57mm的轻气炮实验装置对8个钢管混凝土柱形试件进行了冲击试验，实验结果表明，钢管混凝土的残余变形，应变变化与冲击速度有关，存在率相关性。并且通过对比试验说明了外包碳纤维对试件的抗冲击性能有所提高，尤其在横向变形较大的部位。加载速度为50m/s时，钢管混凝土试件冲击端应变减小约2/3[20]。

关于爆炸荷载下的动力响应，2011年薛建英等对钢管混凝土试件在进行了实验研究。采用TNT炸药对三种不同钢管壁厚的试件进行爆炸试验，结果表明，相比于静态载荷，试件的最终挠度较小，3个药量的TNT作用下，构件的最大挠度为其跨度的0.85%，远小于其极限弯矩（构件跨度的20%），钢管混凝土的抗爆性能很好。分析其原因之一为钢管与混凝土在爆炸荷载作用下相互约束，混凝土处于三向受压状态，抗拉能力得到提高；由于混凝土的作用避免了钢管的局部屈曲，提高了钢管的抗变形能力。原因之二解释为爆炸荷载下其作用时间极短，仅为其自振周期的8%左右，构件尚未克服惯性达到完全变形荷载已经消失。并且通过不同钢管壁厚的对比试验证实了随着构件套箍系数的增大，试件的抗爆性能越好[21]。

2012年鞠翱天，王金田等利用ANSYS／LS—DYNA有限元软件从数值模拟角度分析了钢管混凝土铁路桥限高防护架在汽车碰撞作用下的动力相应，通过和钢管防护架的对比分析，对碰撞全过程的模拟结果显示钢管混凝土防护架的碰撞力均值更大，碰撞面位移更小。与钢管防护架相比，其强度、塑性韧性更强，抗冲击性能良好[22]。

上述研究开辟了钢管混凝土应用的新领域。在钢管混凝土防撞，防爆等方面的研究还不够完善，相信随着研究的进一步深入，钢管混凝土的冲击性能最终会被人们掌握。

5 结论

钢管混凝土这一组合材料自上世纪被首次提出以来，至今已有上百年历史。关于它的研究不曾间断，工程界对其也日益重视，随着材料的进步，在不断的研究与应用过程中，产生了许多新的形式，如钢管高强混凝土，带肋矩形方钢管混凝土，钢管膨胀混凝土等，这些新型组合材料的性能还没有被完全掌握，相关的技术规程亟需不断完善，关于钢管混凝土的优异性能还有待挖掘，以便于充分发挥其作用。

［1］蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京：人民交通出版社，2003，4.

［2］李黎明.矩形钢管混凝土柱力学性能研究[D].天津大学，2007，1.

［3］Furlong R W.,Strength of steel-encased concrete bean-columns[J].Journal of structural division,ASCE,1967,93(ST5)：113－124.

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［5］贺锋，周绪红，唐昌辉.钢管高强混凝土轴压短柱承载力性能的试验研究[J].工程力学，2000，17（4）：61－66.

［6］顾维平，蔡绍怀，冯文林.钢管高强混凝土的性能与极限强度[J].建筑科学，1991，7（1）：23－27.

［7］韩林海.钢管高强混凝土轴压力学性能的理论分析与试验研究[J].工业建筑，1997，27（11）：39－44.

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［9］张素梅，王玉银.圆钢管高强混凝土轴压短柱的破坏模式[J].土木工程学报，2004，9（37）：1-10.

［10］郭兰慧，张素梅.截面长宽比对矩形钢管高强混凝土轴压构件的影响[J].哈尔滨工业大学学报，2003，8（35）.

［11］张素梅，郭兰慧，等.方钢管高强混凝土偏压构件的试验研究与理论分析[J].建筑结构学报，2004，1（25）：7-25.

［12］刘界鹏，张素梅，郭兰慧.方钢管约束高强混凝土短柱轴压力学性能[J].哈尔滨工业大学学报，2008，10：1542-1545.

［13］王玉银，张素梅.圆钢管高强混凝土轴压短柱性能的试验研究[J].哈尔滨工业大学学报，2004，12：1645-1648，1685.

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［15］黄义勇.带肋方钢管混凝土偏压构件承载力计算方法研究[J].铁道建筑，2011，12：143-145.

［16］周茗如，王强.“双掺”高性能钢管混凝土膨胀性能分析[J].兰州理工大学学报，2010，6：107-110.