钢管混凝土构件综述

芦伟鹏（广州大学土木工程学院）

钢管混凝土构件综述

芦伟鹏
（广州大学土木工程学院）

为了有效降低传统结构工程的耗材量，提高工程经济效益，钢管混凝土结构应运而生。本文讲述了钢管混凝土的发展历史以及在近年来的发展趋势，分析了钢管混凝土结构的受力机理、强度、刚度、延性等相关性质。最后总结了钢管混凝土设计时的关键点，并介绍了几种具有发展潜力的新型钢管混凝土结构。

钢管混凝土；抗震性；强度；刚度；耐久性；抗冲击

1　引言

改革开放以来，我国进入了飞速发展的年代。大跨度桥梁、大型标志性建筑物以及深埋地下结构等如雨后春笋出现在祖国各地，给结构工程师带来了新的挑战。这要求结构工程学科必须与时俱进，在完成各项建设重任的同时，坚持理论上的创新，并用新理论指导施工的更高效进行。从过去的砖混结构、混凝土结构、钢结构，到如今的预应力混凝土结构、钢-混凝土结构，乃至各种特殊空间结构，无不体现了现代结构工程学科的巨大进步和超越创新。［2］钢管混凝土在工程应用中已有百年历史，但由于理论的局限，过去并未能显现出其独有的优势。然而，从20世纪80年代开始，钢管混凝土结构技术在大跨度建筑和高层建筑中得到有效的应用，有力地推动了这一项技术的进步。1990年国家颁布了《钢管混凝土结构设计与施工规程》，为该技术的应用实践提供了技术保障。近10年间，钢管混凝土技术日趋成熟，并广泛用于各种工程中。深圳赛格广场大厦、重庆世界贸易中心、重庆万县长江公路大桥等大型建筑都运用了钢管混凝土技术，并取得了良好的成效。［5］

2　钢管混凝土受力机理

钢管混凝土是将混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合材料。套入钢管的目的主要是依靠钢管的约束作用，使管内混凝土处于三向受压状态，从而提高其抗压承载力；混凝土是一种非匀质材料，因为其组成成分——水泥、骨料之间的构件尺寸、性质等都有很大的差异，以及它们之间往往存在着空隙。有时在水泥硬化的过程中，还会由于其它因素而造成骨料分布不匀。混凝土的这一性质，导致其内部产生细微裂纹。在混凝土受压的情况下，这些细微裂纹会成为薄弱处而率先破坏；钢管的约束作用，就是在轴向受压的混凝土构件中施加侧向压力，使沿轴方向的裂缝受到限制。也就是只有在更高的轴向压力下，混凝土构件才会出现破坏，从而使混凝土的抗压强度得到了提高。［3］

工程中常用约束指标（λt）来表示钢管对混凝土的约束程度：

其中：As为钢管的截面积，Ac为核芯混凝土的截面积，fy为钢管的抗压强度，fc为混凝土的抗压强度。

工程中一般取λt=0.2～0.4［4］

随着约束指标的提高，钢管混凝土的极限抗压强度亦随之提高。

式中：

Ac——核芯混凝土的截面面积；

As——钢管的截面面积；

Nu——作用在混凝土上的极限轴力；

σcp——在极限轴力Nu下，核心混凝土的纵向压应力；

σzp——在极限轴力Nu下，钢管的纵向压应力。

工程上常用经验公式：

3　钢管混凝土的抗震性能

钢管对混凝土的约束作用大大提高了核心混凝土的抗压强度，另一方面，混凝土的存在也使钢管的稳定性有了提高，塑性和韧性大大增加，对结构抗震有利。下面对圆钢管混凝土边框剪力墙的抗震性能进行研究分析。

SW-1为普通钢筋混凝土剪力墙；

SW-2为钢管混凝土剪力墙；

CCFT-1为钢管混凝土柱。

3.1 荷载

表1数据说明：

表1　开裂荷载、明显屈服荷载、极限荷载实测值［8］

圆钢管混凝土边框剪力墙相对于普通边框剪力墙，开裂荷载提高了29.59%，屈服荷载提高了53.84%，极限荷载提高了57.43%，体现了圆钢管剪力墙具有较高的水平承载能力［8］。

3.2 刚度

表2　刚度实测值［8］

表2数据说明：

分析可知，钢管混凝土框架的水平侧移一般较小，水平抗力较大，且在弹塑性阶段的强度和刚度衰减较慢，滞回曲线没有明显的捏缩现象，其抗震性能明显优于普通钢筋混凝土框架结构；同时钢管混凝土能够满足“强柱弱梁”关系，达到延性框架的要求，比钢框架结构具有明显的优势。

在进行钢管混凝土框架设计时，由于地震波的方向不确定，所以应尽量保证结构在水平两个方向的刚度一致。［12］

3.3 延性

表3　位移及延性系数实测值［8］

其中：

Uc——与Fc对应的开裂位移；

Uy——与Fy对应的屈服位移；

Ud——弹塑性最大位移，其取值为荷载下降至极限荷载的85%时所对应的位移；

μ=Ud/Uy，为试件的延性系数；

sp——试件的弹塑性位移角。

上述数据说明：

圆钢管混凝土柱框架结构CFST-1的延性较好，因此在和普通混凝土剪力墙组合以后，普通混凝土剪力墙延性差的缺点得到了改善。SW-2的弹塑性最大位移比SW-1提高了38.70%，SW-2的延性系数比SW-1提高了20.00%。圆钢管混凝土边框剪力墙的弹塑性变形能力和延性比普通混凝土剪力墙明显提高。［7］

4　钢管混凝土优越性能

4.1 良好的耐火性能

相对于钢结构，钢管混凝土除了拥有较好的强度和延性，更拥有突出的耐火性能，另外，温度降低后，处于屈服的钢管强度可以得到恢复，使截面的力学性能比高温下有所改善。

4.2 经济效果好

相比起普通钢筋混凝土承压构件，钢管混凝土承压构件可以节约50%左右的混凝土，使自重大幅度降低，从而降低钢材用量，使造价下降。［15］

4.3 优越的稳定性能

钢管混凝土结构的阻尼比，介于钢结构和钢筋混凝土结构之间，在高层建筑中具有优于钢结构的动力性能，能减轻风致摆动。［8］

4.4 方便施工

钢管是劲性承重骨架，其焊接工作量比一般型钢少，质量轻，易于吊装，因此可简化施工工艺、节省脚手架、缩短工期等。［11］

5　钢管混凝土设计

为切合建筑抗震的要求，钢管混凝土设计必须符合抗震的概念设计原则——强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件。因此在钢管混凝土设计中必须注意以下要点：

5.1 节点

节点设计是抗震设计的关键。钢管混凝土的梁柱节点主要有铰接节点、半刚接节点、刚接节点这几类。而粘结强度则是衡量节点的重要因素之一。设计人员务必保证作用在节点上的荷载强度不大于节点的粘结强度，同时保证结构的破坏发生在梁端节点。具体做到以下几点措施：

⑴在地震区采用钢梁加强环节点或内隔板节点；

⑵遵循《建筑抗震设计规范》GB 50011；

⑶节点加强环板的加工应保证外形曲线光滑、无裂纹、刻痕，管段与柱段间的水平焊缝应与母材等强，加强环板与钢梁翼缘的对接，应采用剖口焊；

⑷可能产生塑性铰的最大应力区内，避免布置焊接焊缝。［14］

5.2 构件

钢管与核心混凝土的协同工作，保证了混凝土具有较高的抗震性能，其抗震性能与其它因素密切相关，具体表现为：

⑴含钢量越高，钢材强度越大，延性越好；

⑵混凝土强度越大，柱轴压比越小，长细比越小，延性越好；

5.3 结构体系

钢管混凝土结构体系，是由几种不同的结构构件混合而成的机构体系，它是在充分考虑了各结构构件的特性后，进行的合理地混合。这样能充分发挥各自的优势和特点，起到协同互补、共同工作的特点，达到“强强联合”，使结构体系具有优越的整体力学特征。［15］

6　新型钢管混凝土结构

随着建筑事业的发展，在传统普通钢管混凝土结构的基础上，近些年国内外开始出现了一些新型的钢管混凝土结构，主要有高性能钢管混凝土结构、薄壁钢管混凝土结构、FRP约束钢管混凝土结构等。

6.1 高性能钢管混凝土结构

采用高性能材料，如高强钢材、高强高性能混凝土的钢管混凝土，起到了节约钢材、减小构件截面面积和减轻结构自重等目的，常用于高层建筑、地下工程和大跨度结构。

表4是相关学者在此领域内的研究概况。

表4　高性能钢管混凝土研究概况［13］

6.2 薄壁钢管混凝土

薄壁钢管混凝土是相对通常管壁较厚的普通钢管混凝土而言的。采用薄壁钢管混凝土，可以减少钢材用量，减轻焊接工作量，达到降低工程造价的目的。

薄壁钢管混凝土构件的承载力会受到局部屈曲的影响。主要体现在：

⑴屈曲部分的钢管部分截面提前退出工作；

⑵降低里钢管对混凝土的约束作用。

因此，在对薄壁钢管混凝土结构的设计时，根据其自身的工作原理，应合理确定薄壁钢管的径厚比D/t，以考虑钢管局部屈曲对钢管与核心混凝土组合作用的影响。同时亦可采用约束拉杆的形式，在钢管的对边按一定的间距设置约束拉杆，借助约束拉杆的拉结作用使钢管壁的外向屈曲变形减少，以增强钢管壁的稳定性和延性。［16］

6.3 FRP约束钢管混凝土

FRP约束钢管混凝土是在钢管混凝土外包FRP材料，从而使钢管内的核心混凝土处于FRP和钢管的双重约束之下。FRP约束钢管混凝土是FRP约束混凝土和钢管混凝土二者的有机结合，不仅提高钢管混凝土的承载力，还能利用钢管混凝土延性较好的特点，弥补FRP约束混凝土这方面的不足［14］。

但是，随着钢管混凝土的不断推广运用，其发生火灾的危害性也日益增加；此外，由于腐蚀等其它环境因素的影响，也对钢管混凝土的修复加固提出了新的要求。目前，FRP钢管混凝土是国内外土木工程界的研究热点，发展空间很大。

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