钢管－混凝土组合柱在我国的研究进展与展望

王吉忠，刘连鹏，叶 浩

(大连理工大学 结构工程研究所，辽宁 大连116024)

我国正处在改革发展的关键时期，超高层建筑工程、大跨桥梁工程、大型水利工程、港口与海岸以及深海工程大量修建，对综合效益的要求也愈加严格，钢—混凝土组合结构同传统的钢筋混凝土结构相比，能够减轻自重，减少构件截面积从而增大使用空间，减少模板使用并缩短施工工期，具有良好的塑性和韧性;同钢结构相比，具有更好的耐久性，耐火性和稳定性[1]。组合结构在安全、经济、环保、耐久等四个方面表现突出，具有广阔的发展前景，将成为高层、超高层建筑结构中最为重要的结构体系。

作为钢—混凝土组合结构的主要承重构件—柱，在组合结构体系中占有举足轻重的地位，组合柱的优劣直接决定了组合结构的整体受力性能和经济指标。钢管—混凝土组合柱和型钢混凝土组合柱是钢—混凝土组合柱的两种主要形式。本文将重点介绍钢管—混凝土组合柱在我国的研究进展，并对钢管—混凝土组合柱的发展提出几点新的思路。

1 钢管—混凝土组合柱在我国的研究进展

钢管—混凝土组合柱是在钢柱和钢筋混凝土柱的基础上发展而来的，笔者将其划分为三种基本形式:钢管混凝土柱、钢管混凝土叠合柱、钢管约束混凝土柱(图1)。这三种组合柱的不同主要在于钢管配置于混凝土中的位置和钢管是否承受轴向压力，这些不同引起钢管受力状态的改变，使构件的整体受力性能、耐久性、耐火性等方面表现出很大差异，从而使研究内容、研究方法产生不同。

图1 三种组合形式示意图

钢管混凝土柱的外围钢管同时承受混凝土膨胀压力和外荷载轴向压力，处于纵向受压、环向受拉的双向受力状态，核心混凝土能够提高外围钢管的稳定性。钢管混凝土叠合柱还承受了两侧混凝土挤压引起的径向应力，同样对钢管的稳定性提高更加明显。钢管约束混凝土中钢管上下不贯通，只承受混凝土膨胀压力，处于环向受拉的单向受力状态，基本不存在局部屈曲和稳定性的问题。施工性能方面，钢管混凝土柱的钢管可以替代施工模板，降低了工程造价，但钢管混凝土叠合柱仍然需要大量的模板费用，但这两种组合柱由于上下贯通，可以替代临时支撑。从耐火性的角度来看，钢管混凝土柱和钢管约束混凝土柱的耐火性显然不如钢管混凝土叠合柱，需要花费大量防火保护费用。由此可见，三种组合柱各有优劣，以下将分别介绍三种组合柱在我国的研究进展。

1.1 钢管混凝土柱的研究进展

钢管混凝土柱自1897年于美国开始作为承重柱而应用到房屋建筑中起已经有一百多年的历史[2]。直至20世纪60年代，钢管混凝土由于其经济性在苏联、西欧、北美和日本等发达国家受到重视并开展相应的研究工作。20世纪80年代泵送混凝土工艺的发展促进了钢管混凝土在世界范围内的应用和研究，我国钢管混凝土组合柱的研究正是在此时大规模展开的[3]。到目前为止，我国钢管混凝土的理论和应用相对来说比较成熟，研究成果十分丰富，现将主要研究成果作以下介绍。

构件的静力性能是其所有力学性能的基础。钢管混凝土柱静力性能的研究重点集中在钢管混凝土的短柱、长柱、偏压柱的承载力计算方法上。钟善铜，王用纯[4]采用强度理论推导出钢管混凝土极限承载力和稳定承载力计算公式，并分析了混凝土徐变、收缩和温度对承载力的影响。汤关祚[5]对100多个不同含钢率、混凝土强度和长细比的圆形钢管混凝土柱进行轴压和偏压试验，分析提出轴压、偏压承载力计算方法。蔡绍怀介绍了中国建筑科学研究院在1980年至1983年间对钢管混凝土短柱、长柱、偏压柱展开的一系列试验研究成果:文献[6]表明，“套箍指标”是影响圆钢管混凝土短柱承载力和变形能力的重要参数。该文还通过理论分析，在三个假设下推导出钢管混凝土短柱极限强度计算公式，并与试验结果对比，吻合良好;文献[7]和文献[8]介绍了轴心受压长柱和偏心受压柱的试验研究，推导出圆钢管轴心受压长柱和偏心受压柱的承载力计算公式，与试验结果吻合良好。在此后的十多年时间中，顾维平[9－10]对钢管高强混凝土长柱和偏压柱进行了试验研究，研究结果表明钢管高强混凝土轴压、偏压性能与钢管普通强度混凝土的基本一致。谭克锋和蒲心诚[11－12]对钢管超高强混凝土短柱、长柱和偏压柱进行了试验研究，通过修正文献[6]中钢管混凝土柱承载力公式里的套箍指标系数和偏心率折减系数，得到钢管超高强混凝土的轴压、偏压柱的承载力计算公式。王玉银、张素梅[13]用有限元对圆形钢管高强混凝土轴压短柱进行数值分析，分析结果与理论计算结果以及试验结果吻合良好。王玉银[14]对钢管再生混凝土轴压短柱进行试验研究，研究结果表明，钢管再生混凝土具有比钢管普通混凝土柱更优越的约束效果和延性。余志武和丁发兴[15]对17个圆钢管自密实混凝土轴压短柱进行试验研究，主要研究钢管中部开孔和开槽对承载力的影响，试验结果表明，开小孔和细槽对其承载力和变形影响很小，但减小了弹性阶段的组合弹性模量。

构件在低周往复荷载作用下，能量耗散和变形能力，即滞回性能，能够很好地表征其对地震作用的反应效能，是一种伪静力抗震性能试验。在钢管混凝土柱的滞回性能方面的研究，主要围绕着压弯构件的弯矩—曲率和P—Δ恢复力模型展开的。屠永清[16]对圆钢管混凝土压弯构件进行滞回性能试验，并提出其弯矩—曲率和P—Δ恢复力模型。韩林海等[17－18]对圆形、方形和矩形钢管混凝土的滞回性能进行了一系列试验研究，主要参数有轴压比、长细比、含钢率、钢材强度、混凝土强度等，最终提出钢管混凝土构件弯矩—曲率和P—Δ恢复力模型以及位移延性系数的简化计算方法。

钢管混凝土结构在遭受火灾时，外围钢管直接与火接触，同钢结构一样，需要结构具有足够的耐火时间。但在钢管混凝土柱的耐火性能方面，国内的研究起步较晚。自2000年前后，韩林海课题组[19－20]借鉴外国的研究经验，对圆形、方形和矩形钢管混凝土的耐火性进行大量试验研究，重点研究防火涂料、混凝土强度、火灾荷载比等因素对轴心和偏心受压柱的受力性能的影响。吕学涛[21]对方钢管混凝土柱的受火方式(三面受火、相对两面受火、相邻两面受火、三面及四面受火)进行系统的数值分析研究，得到不同受火方式下的耐火极限。目前对建筑结构防火保护的方法主要是涂刷防火涂料，不同构件形式的防火设计方法也是不同的，对钢管混凝土柱进行耐火性能研究的最终目的是确定其合理的防火设计方法，韩林海[20]通过试验回归分析，得到防火保护层实用计算方法，能够满足现行国家标准《建筑设计防火规范》(GB50016－2006)和《高层民用建筑设计防火规范》(GB50014－95)对耐火极限的要求。

为了保证结构在地震作用下，能达到“强节点弱构件”的抗震性能要求，梁柱框架节点的受力性能至关重要。韩林海，杨有福等对钢管混凝土—钢梁节点和钢管混凝土柱—钢筋混凝土节点进行了系统研究，主要研究的节点形式有穿心螺栓端板钢梁节点、单边螺栓端板钢梁节点、钢管混凝土柱—“犬骨式”钢梁节点、加强环式钢筋混凝土节点、钢筋混凝土环梁式节点、钢筋贯通式节点、钢筋环绕变宽度梁节点、劲性环梁节点等。此处不再一一赘述，文献[22]中有比较全面的归纳。钢管混凝土组合柱与普通钢筋混凝土梁或型钢混凝土组合梁通过栓接、焊接等方法进行连接，形式复杂多样，通过有限元对不同形式的节点进行分析，为研究和应用提供了便利，而且能够很好地满足工程需要。

1.2 钢管混凝土叠合柱的研究进展

钢管混凝土叠合柱或称劲性钢管混凝土组合柱、配有钢管的钢骨混凝土柱，是辽宁省建筑设计院在工程实践中提出的，它是中国完全自主开发的一种结构形式。20世纪末，在沈阳日报大厦地下室工程、辽宁省枢纽工程、辽宁物产大厦工程等众多工程中采用，同时在建造辽宁物产大厦的过程中该院与大连理工大学合作，研究了这种叠合柱的抗震性能，通过试验验证了该组合柱的可靠性。此后，大连理工大学、华南理工大学、东南大学、哈尔滨工业大学、清华大学等分别开展了对钢管混凝土叠合柱的研究，并取得具有价值的重要成果。钢管混凝土叠合柱的钢管配置在混凝土内部，耐火性能大大优于其他两种组合柱;梁柱节点中梁纵筋可环绕穿越核心钢管混凝土，与外围混凝土整浇，节点性能与普通钢筋混凝土梁柱类似。因此对钢管混凝土叠合柱的研究重点都集中在该组合柱的轴压承载力和抗震性能两个方面。

大连理工大学赵国藩等[23]对38个缩尺钢管高强混凝土叠合柱试件进行低周反复荷载试验，试验结果表明，钢管混凝土叠合柱能够明显提高柱的抗剪能力和延性，证明了辽宁物产大厦的钢管混凝土叠合柱设计的可靠性，同时给出了在钢管混凝土叠合柱设计时，轴压比、体积配箍率、钢管面积比和套箍指标的建议设计限值。陈周熠[24－25]对钢管高强混凝土叠合柱轴压承载力、受剪承载力进行试验分析研究，提出了极限承载力和斜截面受剪承载力公式，给出轴压比和轴压力限值，又以辽宁物产大厦建设为背景，给出3种钢管混凝土叠合柱节点处理方式。

哈尔滨工业大学李惠等[26]对4个钢管高强混凝土叠合柱和1个普通高强混凝土柱进行拟静力试验，试验结果表明外围混凝土承担了90%的水平力，轴力和含钢率基本不影响核心钢管混凝土的水平力;钢管内、外混凝土强度等级相差越多，叠合柱延性越好。该课题组又在文献[27]中进一步探讨了轴压比、叠合比、钢管混凝土面积比、钢管混凝土套箍系数等对叠合柱轴力分配的影响，最终给出了建议设计名义轴压比限值。

东南大学林拥军[28－29]对7个钢管混凝土叠合柱进行轴压和偏压试验，通过理论分析得到叠合柱的轴压比限值实用计算公式和正截面承载力计算公式。

华南理工大学蔡健[30]对10个钢管高强混凝土叠合柱进行轴压试验，探讨了钢管含钢率、纵筋配筋率、配箍率和截面形式对叠合柱承载力和延性的影响。

2005年，中国工程建设标准化协会标准《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(CECS 188:2005)[31]颁布，为钢管混凝土叠合柱提供了更加广阔的发展空间。之后，清华大学开展了对钢管混凝土叠合柱的研究工作，聂建国[32]通过理论分析推导出钢管内外混凝土同时达到极限状态下的临界体积配箍率，将钢管外混凝土配箍率对承载力的影响定量化。如果外围混凝土配箍率小于临界配箍率，那外围混凝土会由于约束不足首先破坏，导致叠合柱的极限承载力低于计算值，因此在设计中需要考虑内部钢管混凝土所占面积与外围混凝土配箍率的关系，同时保证了构件的安全性和材料最合理利用;钱稼茹和康洪震[33]对18个钢管混凝土叠合柱进行轴压试验，并推导出轴心受压承载力公式，计算结果与试验结果以及规程CECS188:2005给出的轴压承载力计算公式吻合较好;钱稼茹和江枣[34]提出新的轴压承载力计算公式，并对文献[30]、文献[32]、文献[33]的34个钢管混凝土叠合柱试件进行计算，证实了公式的准确性。

1.3 钢管约束混凝土柱的研究进展

1985 年，日本的 Tomii、Sakino和我国肖岩[35]提出了钢管约束混凝土的概念，当时称之为“套管柱(Tubed Colum)”，在此后的十多年时间里，国外众多学者(Sakino、Yoshihiro Orito、Prion、Lahlou、Aboutaha、O’Shea、Mei Hong、Peter、Amir Fam 等)对钢管约束混凝土柱子的受力性能进行了大量研究，主要研究了圆钢管和方钢管约束混凝土的轴压、受弯、偏压、压弯力学性能和滞回性能，其中 Shea O[36]、Mei Hong[37]、Peter[38]分别给出了圆钢管约束混凝土短柱的轴压承载力公式。但是，在国内，对钢管约束混凝土的研究起步较晚，自进入21世纪以来，国内对钢管约束混凝土的研究逐渐开展。

2004 年，肖岩[39－40]再次在国内阐述钢管约束混凝土的优势和发展前景，并对4个圆钢管混凝土柱和2个方钢管混凝土柱端部用钢套管局部加劲进行拟静力试验，研究结果表明，约束钢管混凝土柱具有的良好的抗震延性。

韩林海等[41]对钢管约束混凝土短柱进行了轴压和滞回性能试验，对长柱和中长柱进行了轴压和偏压试验，试验结果表明，钢管约束混凝土的高轴压比耗能性能依然很优越。此后，韩林海课题组[42]又对钢管混凝土—钢筋混凝土梁柱节点(钢筋环绕式)和钢管约束混凝土—钢筋混凝土梁柱节点的滞回性能进行对比试验研究，发现后者比前者具有更好的滞回特性，产生这种情况的原因是钢管约束混凝土节点的整体性比钢筋环绕式钢管混凝土节点的好;同时，在一定范围内，增大轴力会提高钢筋混凝土—钢管约束混凝土梁柱节点的耗能能力。

周绪红、张素梅、刘界鹏等[43]对钢管约束混凝土展开大量的试验研究，对不同径厚比(宽厚比)、剪跨比的圆钢管和方钢管混凝土短柱进行了轴压和低周往复加载试验，对其轴压性能和滞回性能进行了全面分析，建立了钢管约束钢筋混凝土和钢管约束型钢混凝土的设计理论和设计方法，提出了合理的构造措施，为钢管约束混凝土组合柱的推广应用提供了理论依据和坚实基础。

肖建庄等[44]首次将钢管约束用于再生混凝土中，对15个钢管约束再生混凝土小圆柱(100 mm×100 mm×300 mm)进行了轴压受力性能试验和分析，研究结果表明，钢管约束再生混凝土柱同钢管约束普通混凝土柱相比，受力过程基本一致，承载力略低，但峰值应变比约束普通混凝土柱的大，因此钢管约束再生混凝土柱具有良好的变形能力;并根据试验数据提出钢管约束混凝土的应力—应变曲线表达式。陈宗平等[45]对33个圆钢管和方钢管约束再生混凝土试件进行轴压试验，并用两种方法对钢管约束再生混凝土的极限承载力进行理论分析，提出钢管约束混凝土的应力—应变曲线表达式。

张小东等[46]对大连中石油大厦外筒的钢管约束钢筋混凝土转换短柱的1∶6缩尺模型进行了抗震性能模拟试验，得到不同轴压比、剪跨比短柱的滞回曲线和荷载—层间位移角曲线，结果显示:钢管约束钢筋混凝土短柱具有良好的弹塑性层间变形能力和耗能能力，高轴压比短柱依然可以具有良好的抗震性能。

肖良才[47]对18个高纵筋率钢管约束混凝土柱的梁柱节点进行了轴压力学性能试验，研究结果表明，对于圆钢管约束混凝土，节点承载力比同参数短柱低，节点梁越多，节点承载力越高，节点梁有提高节点区轴压承载力的作用;对于方钢管约束混凝土，节点承载力与同参数短柱一致，加劲可显著提高方钢管对混凝土的约束效果，从而提高节点承载力;最终通过理论分析，肖良才提出钢管约束混凝土结构梁柱节点的轴压承载力公式。

周绪红等[48]对6个圆钢管约束钢筋混凝土梁柱水平加腋节点进行轴压力学性能试验，提出了满足“强节点弱构件”的圆钢管约束混凝土梁柱水平加腋节点的构造措施和的轴压承载力计算公式。

当轴压比较小时，普通钢管混凝土柱的外围钢管与核心混凝土横向变形几乎同步，不能够提供有效约束，大大降低了钢材的使用效率;同时与普通钢管混凝土不同，钢管约束混凝土的外围钢管不承受纵向轴压，只承受由于核心混凝土的纵向变形引起的很小的纵向摩擦力，避免了钢管纵向屈曲对核心混凝土约束的不利影响。总而言之，钢管约束混凝土具有更广阔的发展前景。但是目前只在少数工程中得到应用[49]，例如，大连体育馆一层采用钢管约束混凝土柱，大连中国石油大厦的框架柱和框架柱上部5层桁架筒斜柱采用钢管约束混凝土。整体大规模使用钢管约束混凝土的结构却少之又少，这种新型高效组合结构的研究和应用推广还有许多工作要做。

2 钢管—混凝土组合柱的研究展望

钢管—混凝土组合柱作为钢—混凝土组合结构体系中的重要组成部分，在大跨、超高层建筑结构中越来越发挥着无可替代的作用。随着组合结构体系的发展，钢与混凝土之间出现了各种不同的组合形式，例如中空夹层钢管混凝土、钢管约束劲性混凝土等，这些组合柱的研究重点集中在轴压、偏压、抗弯、抗震、耐火性等性能的试验研究上。同时，笔者认为还需要对钢管—混凝土组合柱从以下几个方面进行进一步研究:

(1)对钢管—混凝土组合柱在弯、剪、扭等复杂受力状态下的力学性能进行研究，提出各种不同组合柱在复杂受力状态下的承载力计算方法;

(2)框架梁柱结点设计作为组合结构设计中的重要环节，越来越受到学者们的重视，但是由于组合梁与组合柱的多样化，节点的组合形式也越来越多，因此对需要对钢管—混凝土梁柱节点进行大量力学性能试验，归纳形成节点统一抗震设计方法和构造措施;

(3)超高强混凝土在中国已经配制成功并得到成功应用[50]，试验[51－52]表明超高强混凝土柱在破坏时基本没有下降段，程明显的脆性，因此其力学特性与普通强度混凝土有很大差别，将钢管—混凝土组合柱应用到超高强混凝土中是解决超高强混凝土脆性问题的最佳方式，对钢管－超高强混凝土组合柱的研究亟需开展;

(4)再生混凝土粗骨料的内部微裂缝以及表面的水泥基团使其本身存在内部缺陷，安全性降低，导致再生混凝土的应用范围受到限制，基于对环境保护的重视，将再生混凝土应用于钢管—混凝土组合结构中，能够很好地解决再生混凝土应用过程中存在的问题，钢管—再生混凝土具有广阔的发展前景。

3 结语

钢管—混凝土组合柱具有良好的受力性、功能性、施工性和经济性，三种组合柱各有优劣，能够满足不同的建筑和工程结构要求。随着超高层建筑、大跨桥梁、深海油田等重大土木工程结构的兴建，作为最重要承重构件，钢管—混凝土组合柱具有相当广阔的研究和应用前景。现代钢管—混凝土组合柱在传统的三种组合形式的基础上，与型钢混凝土柱和FRP混凝土柱优势相结合，形成全面的组合柱发展新格局，为我国钢—混凝土组合结构体系的发展注入了新的活力。

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