钢骨—钢管混凝土组合柱的研究进展

许惠清 温宇平

(南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063)



钢骨—钢管混凝土组合柱的研究进展

许惠清 温宇平

(南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063)

介绍了钢骨—钢管混凝土组合柱的研究背景，论述了其结构形式，并探讨了钢管外置及内置型新型组合柱的受力性能，分析了该新型组合柱的研究进展，指出该新型组合柱在结构设计中具有一定的发展前景。

钢骨—钢管混凝土，结构形式，力学性能，组合柱

0 引言

现代建筑结构高度和跨度的增加对承重柱的力学性能提出了更高的要求，钢—混凝土组合结构以其承载能力高、轻型大跨、截面尺寸小、抗震性能好等优点，迎合着现代建筑结构的发展[1]。

基于结构设计应对高轴压的情况，目前工程上广泛应用的是钢—混凝土组合柱，大量的国内外研究表明：型钢与混凝土组合成的柱子具有承载力高、延性好等优点[2]。常用的钢—混凝土组合柱有钢骨混凝土柱(如图1a)所示)和钢管混凝土柱(如图1b)所示)。钢骨混凝土柱是用混凝土把钢骨包裹起来，提高了柱子的抗剪能力[3]，同时混凝土也增加了钢骨的刚度和提高了柱子的耐火性能，缺点是施工需支护模板和配钢筋以防混凝土剥落。钢管混凝土柱浇混凝土时无需模板和箍筋，利用钢管对混凝土的约束作用使核心混凝土具有更高的抗压和抗变形能力，缺点是如果要提高其防火性能，需在其内加入钢筋等[2]。

综合考虑这两种钢—混凝土组合柱优缺点，有学者于2002年首先提出了一种钢管外置型组合柱的新模式——钢骨—钢管混凝土组合柱[4](如图2a)所示)。这是在钢管混凝土柱内埋设钢骨后浇灌混凝土而形成的一种新型组合柱。其后，有学者于2005年开始对这类新型组合柱开展了研究，并提出了另一种钢管内置型的钢骨—钢管混凝土柱[13](形式如图2f)所示)。鉴于此，本文总结现有的研究成果，阐述了该新型组合柱的提出背景、结构形式和抗压、抗震等力学性能，并对其研究作出总结分析。

1 结构形式及特点

在总结现有研究成果的基础上，钢骨—钢管混凝土组合柱的结构形式主要有钢管外置型(如图2a)～图2e)所示)和钢管内置型(如图2f)所示)两种[4，9，11-13]。

目前研究的新型组合柱结构形式主要如图2所示。其主要特点归纳如下：

1)钢管外置型组合柱优点[4-12]：

a.集合实腹式钢骨和钢管混凝土柱的优点，可减少柱截面尺寸，增大建筑物使用空间；b.利用约束混凝土的概念来提高管内混凝土的强度和变形能力，从而提高了柱子的抗震性；c.柱内无需配箍筋，施工上优于钢骨混凝土柱；d.能在一定程度上提高柱的耐火性；e.适用于高轴压情况。

2)钢管内置型组合柱优点[13-15]：

a.可在未增加材料用量情况下，增加柱受力性能，减少柱截面尺寸，增大建筑物使用空间，有利于抗震；b.可方便施工，在一定程度上减少梁柱节点处的施工难度；c.利用约束混凝土的概念来提高柱中混凝土的强度和变形能力，从而提高了柱子的抗震性和承载力；d.外包钢骨—钢管混凝土柱，非常适用于柱上有较多预埋件的建筑；e.改进了空腹式钢骨混凝土柱的应用。

2 力学性能

2.1 钢管外置型新型组合柱力学性能

2002年开始，有学者先后进行不少于33根钢骨—钢管混凝土组合柱力学性能的试验研究[4-7]，试验模型如图3所示。

综合研究结果表明[4-7]：

1)该组合柱轴压承载力及延性：随混凝土强度等级、套箍指标、配骨指标的增加而增大；随长细比的增加而下降。

2)该组合柱偏压承载力及延性：随套箍指标、配骨指标增大而提高；随长细比及偏心距增大而下降。

3)建议该组合短柱轴压承载力计算公式如式(1)所示；长柱轴压承载力计算公式如式(2)所示；抗弯承载力计算公式如式(3)所示；压弯承载力简化计算公式如式(4)所示。

N0=fcAc(1+2θ+ρ)

(1)

其中，fc，Ac分别为混凝土的轴心抗压强度和截面面积；fvs，As分别为钢骨材料屈服强度和截面面积；fvt，At分别为钢管材料屈服强度和截面面积；配骨指标ρ=Asfvs/Acfc；套箍指标θ=Atfvt/Acfc。

Nu=φN0

(2)

Mu=ζ·r·N0

(3)

(4)

4)该组合柱具有很好的延性，特别适用于高地震烈度区的结构设计，设计时可不对轴压比做限制。

5)影响组合柱压弯力学性能的主要因素是配骨指标、套箍指标、轴压比和长细比，其中压弯承载力随长细比的增大而下降。

6)当剪跨比一定时，该组合柱延性的主要影响因素是混凝土强度、配骨指标及轴压比，其中其耗能能力和延性会随着轴压比增大而下降。

2007年开始，有学者对该形式组合柱节点设计方法和抗震性能进行了探索，试件模型如图4所示。其通过制作组合柱与钢梁、组合柱与钢筋混凝土梁共32个节点试件进行试验研究[8]。

研究结果表明[8]：1)重载柱与钢梁和混凝土梁连接节点的破坏形态共6种；2)研究的四类节点试件滞回曲线丰满，具有较好的承载力和良好的抗震性；3)轴压比对试件的延性影响不大，但应避免柱在高轴压下的压曲破坏；4)重载柱节点核心区的抗剪承载力计算公式如式(5)所示。

V=Vs1+Vc+Vs2

(5)

该组合柱的节点抗剪承载力计算由钢管Vs1、核心混凝土Vc和钢骨Vs2这三部分组成。

2005年开始，有学者先后进行不少于39根钢骨—方钢管混凝土组合柱力学性能的试验研究[9，10]，试验模型如图5所示。

综合研究结果表明[9，10]：

1)浇筑达标的自密实混凝土可以不用振捣，适当的振捣也不会引起自密实混凝土力学性能的劣化。

2)组合柱的承载力和延性：随着混凝土强度提高而有所降低；随着方钢管的宽厚比和钢骨含量的增加而提高。

3)推出该组合短柱轴压承载力计算公式如式(6)所示；长柱轴压承载力计算公式如式(7)所示,同时验证了可采用叠加法和极限状态设计法来计算其受弯承载力。

N0=fcAc(1+1.2θ+ρ)

(6)

Nu=φN0

(7)

4)长细比在3～12范围内构件延性表现较好。

5)轴压比是影响该组合柱延性主要影响因素，要对轴压比作出限制。

2006年，有学者通过8根内置工字型钢骨的组合柱进行轴压试验研究和有限元分析，模型简图如图6所示。

研究结果表明[11]：

1)内置钢骨能有效提高组合柱的承载力和延性；轴压组合柱的弹性极限随着混凝土强度的提高而提高。

2)轴压组合柱的承载力随套箍系数的增加而提高。

3)推导出了轴压组合柱承载力计算公式如式(8)所示。

N0=fckAc(1+αξ+ρ)

(8)

4)有限元软件ANSYS可以很好地对试验进行数值模拟。

2014年，有学者[12]通过4根内置十字型钢骨的组合柱对其抗震性能进行拟静力试验研究，模型简图如图7所示。

研究结果表明[12]：1)该组合柱具有很好的耗能和抗震性能；2)当钢骨含量增加，承载力和延性明显改善；当轴压比增加，强度退化速率加快，构件延性相应变差。

2.2 钢管内置型新型组合柱力学性能

2005年，有学者提出了外包钢骨内置圆钢管形式的新型组合柱概念并通过多次试验对其力学性能展开研究[13-15]，试件模型如图8所示。

通过学者们对该新型组合柱的多次试验及理论分析得到了很好的成果[13，15]：

1)当含钢骨率大于0.36%时，钢管内混凝土柱与管外混凝土能共同工作直至破坏；2)构件的承载力和延性随含钢骨率的增加而增加；3)建议该组合柱承载力计算公式如式(9)所示，并对比计算结果与实验数据吻合良好；4)建议用考虑环箍效应的叠加方法计算该新型组合柱的正截面承载力，且计算得出其承载力比钢管混凝土核心柱(如图9所示)高出约15%。

Nu=As1fs1+φAc1fc1+Ac2fc2(1+1.8Φ)

(9)

其中，钢管套箍系数Φ=As2fs2/Ac2fc2；Ac1，fc1分别为外围混凝土的净面积和强度；Ac2，fc2分别为钢管内混凝土的面积和抗压强度；As1，fs1分别为钢骨截面积和屈服强度；As2，fs2分别为钢管截面积和屈服强度；影响系数φ=1.2+0.3x，x为含钢率。

2008年，有学者[14]通过3根含钢骨率不同的轴压短柱试验来探讨用折减系数法和套箍约束法计算组合柱的组合刚度(见式(10))，研究表明：用套箍约束法计算的组合刚度值稍大于试验值；而用折减系数法计算的组合刚度值偏保守小于试验值。

EscAsc=EoAo+EIAI

(10)

其中，Eo，Ao分别为外围混凝土部分的组合弹性模量及截面面积；EI,AI分别为管内混凝土部分的组合弹性模量及截面面积。

2009年以来，有学者进一步通过对该新型组合柱力学性能进行试验研究，探讨了其抗震性能等方面的影响。研究结果表明[15]：1)试件开裂荷载随含骨率、轴压比的增大而增大；试件极限荷载和极限位移随含骨率的增大而增大，随轴压比的增大而减小；2)含骨率越大，试件的累计耗能越大；轴压比越大，试件的累计耗能越小；3)增加含骨率或减小轴压比有利于减缓组合柱的刚度退化；4)该组合柱的延性随轴压比的增大而降低明显，随含骨率的增大而有所提高，经分析建议含骨率设计在2%～2.5%；5)具有较好的抗震性能，在高轴压比下的延性仍能满足抗震设计的要求。

3 结语

钢骨—钢管混凝土组合柱是一种重载柱设计的新模式，其集合了钢骨及钢管混凝土柱的优点且具有很高承载力和良好的延性，可有效减少柱截面尺寸，增加建筑物使用空间，迎合现代工程结构大跨度、大柱网、高耸及功能复杂的发展。在高层结构或桥梁等工程应用上具有很好的应用前景。进一步加强对新型组合柱的受力性能、节点处理等方面的研究将有助于钢—混凝土新型组合结构整体水平的提高，进而为其应用于工程实践提供强有力的理论依据具有重要的意义。

[1] 王连广.钢与混凝土组合结构理论与计算[M].北京:科学出版社,2005.

[2] 周起敬,姜维山,潘泰华.钢与混凝土组合结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1991.

[3] 叶列平.钢骨混凝土构件的受力性能研究综述[J].土木工程学报，2000,33(5):1-12.

[4] 王清湘,赵大洲,关 萍.轴心受压钢骨—钢管高强混凝土组合柱力学性能的研究[J].东南大学学报,2002,32(5):710-714.

[5] 王清湘,赵大洲,关 萍.钢骨—钢管高强混凝土轴压组合柱受力性能的试验研究[J].建筑结构学报,2003,24(6):45-49.

[6] 王清湘,赵大洲,关 萍.轴心受压钢骨—钢管混凝土组合短柱力学性能研究[J].中国公路学报,2004,17(3):36-40.

[7] 赵大洲.钢骨—钢管高强混凝土组合柱力学性能的研究[D].大连:大连理工大学土木工程学院,2003.

[8] 温宇平.钢骨—钢管混凝土组合重载柱节点抗震性能研究[D].大连:大连理工大学土木工程学院,2010.

[9] 朱美春.钢骨—方钢管自密实高强混凝土柱力学性能研究[D].大连:大连理工大学土木工程学院,2005.

[10] 朱美春,刘建新,王清湘.钢骨—方钢管高强混凝土柱抗震性能试验研究[J].土木工程学报,2011,44(7):55-63.

[11] 杨包生.钢骨—钢管混凝土组合柱受力性能的研究[D].包头:内蒙古科技大学,2006.

[12] 杨德山.钢骨—钢管混凝土柱的抗震性能研究[D].包头:内蒙古科技大学,2014.

[13] 徐亚丰,赫 芳,向常艳,等.轴心受压下钢骨—钢管混凝土组合短柱承载力研究[J].沈阳建筑大学学报,2005,21(6):640-643.

[14] 徐亚丰,赵敬义,张世宪,等.钢骨—钢管混凝土柱抗震性能研究[J].建筑钢结构进展,2009,11(3):4-11.

[15] 徐亚丰,贾连光.钢骨—钢管混凝土结构技术[M].北京:科学出版社,2009.

The research progress of steel-reinforced concrete filled steel tube composite column

Xu Huiqing Wen Yuping

(CivilEngineering&ArchitectureCollegeofNanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

This paper introduced the research background of steel-reinforced concrete filled steel tube composite column, discussed its structure type, and discussed the force performance of steel pipe external and internal new composite column, analyzed the research progress of this new composite column, pointed out that the new type composite column had certain development prospects in structure design.

steel-reinforced concrete filled steel tube, structure type, mechanical property, composite column

1009-6825(2016)05-0034-03

2015-12-05

许惠清(1990- )，男，在读硕士； 温宇平(1975- )，男，博士，硕士生导师，讲师

TU375.3

A