钢管混凝土构件有效工作机理研究

熊　彬

（成都建筑材料工业设计研究院有限公司）

钢管混凝土构件有效工作机理研究

熊彬

（成都建筑材料工业设计研究院有限公司）

钢管混凝土具有强度高、自重轻、塑性好、抗震性能优良等特性。形成钢管混凝土这一系列良好力学性能的关键是钢管和混凝土在受力过程中可以相互作用，从而充分发挥材料性能。本文对钢管混凝土共同工作的机理进行了研究和讨论。

钢管混凝土；共同工作；剪力传递

1　引言

钢管混凝土杆件，是指在钢管内灌填混凝土所形成的组合杆件，是借鉴钢筋混凝土圆柱中螺旋箍筋对核心混凝土的约束作用，结合型钢混凝土组合杆件特征，融合演变而来[1]。

其力学性能特点兼有混凝土与钢管二者的长处，管内混凝土受到钢管的约束，抗压强度显著提高，不致过早压碎；而钢管又反过来受到管内混凝土的作用，可以有效阻止或延缓钢管的局部屈曲，从而保证两者的材料得以充分利用，并能保证较好的塑性性能。

2　工作机理

钢管混凝土有效工作的前提是避免钢管与混凝土脱开。一般而言，钢管混凝土构件在实际工程中的应用主要为柱子，其承受荷载方式一般有两种，一是荷载直接作用于柱端，二是作用于柱侧承受梁端剪力。在钢管竖向应力达到比例极限之前，钢管的泊松比要比混凝土的泊松比大，而两者的竖向变形相同，故钢管的横向变形大于混凝土的横向变形，因此钢管和混凝土之间存在脱开的趋势。当钢管的竖向应力达到比例极限时，二者的泊松比较接近，应力继续增大，混凝土的泊松比将超过钢管的泊松比，此时，混凝土的横向变形将大于钢管的横向变形，钢管对混凝土提供横向约束，套箍效应发生作用，管内混凝土处于围压状态，其承载力继续提高，钢管的竖向应力将降低而环向应力将增加，当环向应力达到屈服强度时，竖向应力下降到接近0，此时钢管对混凝土的围压达到最大，之后承载力下降直到钢管在柱脚处发生鼓包而破坏。

以Q345钢为例，比例极限f=295MPa，弹性模量Es=2.06×105MPa，泊松比μs=0.3，混凝土泊松比μc=0.2，取钢管外直径D=920mm，管壁厚度t=25mm，则有：

在钢管竖向应力达到比例极限前钢管与混凝土之间的缝隙为：

由于钢管由卷板钢材焊接而成，而钢板不可能是光滑的，这个微小的缝隙可以由钢板的凹凸填补，钢管与混凝土之间的分离趋势将有钢管和混凝土之间的机械咬合力克服，所以可以认为钢管在竖向应力达到比例极限之前，钢管和混凝土是贴合在一起的。同时，为避免因混凝土收缩等原因，钢管与混凝土脱开，可以采用在混凝土中添加微膨胀剂，膨胀混凝土会增加二者界面的粘结强度，抵抗脱开趋势。并且随着时间推移，混凝土徐变导致混凝土的变形增大，混凝土将受到钢管环向约束，处于三向受压状态。另外，主动施加预应力，也可以使管内混凝土尽可能处于三向受压的约束状态，促使钢管与混凝土共同作用。

3　钢管混凝土受压存在两种极端状况

⑴钢管和混凝土在纵向受力，达到各自的抗压强度，钢管的切向应力很小，可认为无约束应力。此时，钢管混凝土的抗压强度：

⑵钢管的切向应力达到屈服强度，但竖向应力会减小到很小，可以忽略，混凝土受到的约束力达到最大，即：为螺旋箍筋柱核心区混凝土三轴抗压强度：

σ2——箍筋屈服时，核心混凝土的最大约束应力。

有计算表明，钢管混凝土在第二类情况下，混凝土的抗压强度可以提高4.76倍（此时钢管的纵向应力为0）。

一般而言，对于采用了钢管混凝土的结构，楼面的荷载是通过梁构件传递给钢管的外壁，为保证钢管混凝土柱作为整体受力，需要通过钢管与管内混凝土的相连界面传递给管内的混凝土。界面剪力的传递可以通过两种途径：钢管与管内混凝土的粘结力以及管内的抗剪连接件，当粘结力不足以传递界面剪力时，需要设置抗剪连接件。连接件的形式可以是环形隔板、钢筋环、内衬管或栓钉等，钢管接长时的衬管，也可以单独设置。

4　钢管围压作用的考虑

混凝土与钢管之间的粘结力沿着二者的接触面都是存在的，但依据规范条文，其剪力传递区的长度只取2D（D为钢管的外直径）。这是因为规范中的粘聚力是钢管和混凝土之间的机械咬合力，水泥胶着力以及钢管和混凝土之间摩擦力的一个综合反映。在钢管的竖向应力达到比例极限之前，混凝土没有受到钢管的围压作用，整个接触面也就没有摩擦力。若仅作用竖向力，钢管的竖向变形是一致的摩擦力；当加入弯矩作用后，这种竖向的相等变形即被打破，当弯矩达到足够大时，钢管与混凝土之间会发生错动，二者接触面的胶着力将破坏而消失，此时钢管与混凝土之间的粘聚力将只剩下摩擦力，而摩擦力并非沿整个接触面都有，摩擦力只在有围压的地方存在，即只有钢管竖向应力大约达到比例极限的地方才存在摩擦力，而这个区域只在竖向力和弯矩均大的区域，即在梁柱连接中心线上下大概1D。其余范围因竖向应力未达到比例极限，钢管围压非常小，可以忽略。故计算时，仅考虑2D范围内，通过界面粘结力联系钢管与混凝土，保证二者协同工作。

5　结语

钢管混凝土以其优越的力学性能有效降低了建筑成本，大量工程实践表明，承压构件采用钢管混凝土比普通钢筋混凝土可节约混凝土50%，构件截面面积可减少一半[2]。随着现代建筑业的发展，钢管混凝土必然具有广阔的发展空间。●

[1]刘大海.型钢钢管混凝土高楼计算和构造[M].中国建筑工业出版社,2003.

[2]廖欢,何明胜.钢管混凝土的结构特性及应用展望[J].建筑技术开发,2012,39(6):76-77.