方钢管珊瑚混凝土轴压构件设计应用探讨

赵鹤　李浩阳

摘 要：基于圆钢管珊瑚混凝土柱结构化应用研究成果，分析方钢管珊瑚混凝土轴压短柱的可行性具有一定现实意义；本文通过已有试验比较圆钢管混凝土柱与方钢管混凝土柱轴压作用下破坏形态、荷载-变形规律的不同；探究各种计算理论的适用性。为方钢管珊瑚混凝土轴压性能与计算理论的深入研究奠定基础。

关键词：方钢管；珊瑚混凝土；轴压短柱；计算理论

中图分类号：TP393.0 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0076-02

以因地制宜为原则，结合远海岛礁地理位置及工程建设承载力和耐久性要求，圆钢管珊瑚混凝土结构应运而生。通过系列试验及理论分析，现已基本掌握其材料性能、轴压承载力性能等方面的情况。结合工程实际需求，改变构件截面形式，進一步考虑方形截面钢管珊瑚混凝土也能够提供约束作用，一定程度上仍具备圆钢管珊瑚混凝土的优点，如承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能较好及经济效果好等。此外，方钢管珊瑚混凝土还具有截面抗弯刚度大、梁柱节点处理较容易等特点。因此，开展方钢管珊瑚混凝土承载力性能的研究具有一定现实意义。

1 珊瑚混凝土应用

哈尔滨工业大学王芳[1]在2013年对圆钢管珊瑚混凝土进行了初步研究，但试验所选用的珊瑚礁砂为大陆近海体量较小的珊瑚碎屑、支角状珊瑚碎块，与远海岛礁的珊瑚礁石成因不同，所以在强度、孔隙率与骨料粘结性能方面有所区别。

海军勤务学院课题组[2-6]在2013年围绕解决南海工程建设方面问题，以南海岛礁航道开挖与礁盘吹填得到的沉积岩石型珊瑚礁为原材料开展系列研究。在材料性能方面完成珊瑚骨料制备，基本性能参数测试及配合比设计正交试验；对珊瑚混凝土实施硫酸盐侵蚀试验，从孔隙结构角度研究其受侵蚀破坏机理。

继而，该课题组在2016年对圆钢管珊瑚混凝土短柱承载力性能进行研究。揭示了圆钢管珊瑚混凝土轴压试件相互协同的工作机理，核心珊瑚混凝土因受到钢管约束而形成三向受压的应力状态，珊瑚混凝土的变形和开裂得到控制，同时珊瑚混凝土对钢管的支撑作用也延缓了钢管局部屈曲发生的时间，最终使珊瑚混凝土强度和钢材的抗拉强度都得到了明显提高。

以前期的试验为基础，该课题组提出利用CFRP外包钢管珊瑚混凝土组合柱构件形式。实验结果发现，钢管的壁厚每增加0.5mm，钢管珊瑚混凝土承载力的提高系数可以增长0.05，而外包单层以及双层CFRP的钢管珊瑚混凝土试件的承载力提高系数增长分别为0.07和0.11，证明外包CFRP的约束作用相比增加壁厚对承载力有更好的提升效果。

现已有圆钢管珊瑚混凝土系列研究成果，证明钢管套箍珊瑚混凝土使轴压承载力明显提高，将其用于结构构件是可行的。这对实现珊瑚混凝土结构化应用，拓展钢管混凝土应用领域具有重要意义。据此，根据建筑施工需要考虑改变截面形式，探究方形截面钢管珊瑚混凝土是下一步研究的方向。

2 方钢管混凝土短柱基本性能特点

2.1 承载能力高

方钢管混凝土柱相比圆钢管混凝土柱，其套箍作用明显较弱，轴压承载力的提高程度相对较小。但试验结果表明，方钢管混凝土短柱的轴压极限承载力，仍比空钢管柱与混凝土柱轴压承载力之和大10%～50%，即强度提高系数约为1.1～1.5。

方钢管混凝土柱轴压承载力的提高，主要取决于两个方面：一是方钢管角部对核心混凝土具有较强的约束作用，在三向受压状态下核心混凝土的轴向承载力提高；二是管内混凝土的存在抑制钢管局部变形的发展，从而提高钢管的局部稳定性。

2.2 延性较好

钢管内核心混凝土不仅提高了钢管的局部临界应力，在一定程度上抑制了其局部屈曲变形的发展；与此同时，由于钢管的约束作用，核心混凝土由脆性破坏转变为塑性破坏，构件整体延性得到显著改善。大量试验表明，轴压作用下方钢管核心混凝土短柱的轴向荷载-变形曲线属下降型，但曲线的下降段具有较长的水平段，说明其延性较好。

2.3 节点形式简单

与圆形截面钢管混凝土构件相比，方形截面钢管混凝土结构节点形式简单，便于加工，同时结构节点构造可以采用标准化生产方式，满足现代施工技术工业化的要求，节约施工费用，降低工程造价。

3 方钢管混凝土轴压性能研究进展

20世纪60年代，方钢管混凝土开始逐渐得到重视。与圆钢管混凝土不同，方钢管混凝土中核心混凝土受到的约束作用主要集中在截面的角部和核心部位，因而约束效果不如圆钢管混凝土显著。随着研究的逐步深入，认识到方钢管混凝土中钢管对其核心混凝土仍能提供较好的约束，尤其是加载后期约束作用的充分发挥可有效提高构件的延性。因而近几十年，国内外对方钢管混凝土的研究工作方兴未艾，有关方钢管混凝土轴压力学性能研究已取得大量研究成果，包括方钢管普通混凝土、薄壁方钢管混凝土和方钢管高强混凝土等。

截面形式的不同使得方钢管混凝土柱与圆钢管混凝土柱轴压破坏形态不同。方钢管混凝土试件轴压破坏时钢管表面出现若干处局部凸曲，且沿四个方向的凸曲程度基本相同[7]；圆钢管混凝土轴压短柱试件的破坏形态则分为剪切型与腰鼓型。

方钢管混凝土轴压短柱荷载-变形关系曲线可简化为强化型和下降型。哈尔滨工业大学张素梅[8-9]在2000年采用剥离的方式给出了方钢管混凝土轴压短柱中钢材和混凝土各自的纵向应力-应变关系曲线。福州大学陶忠[10]在2001年发表方钢管混凝土柱轴压力学性能研究成果。利用数值解法成功地计算出方钢管混凝土轴心受压时的荷载-变形全过程关系曲线，认为套箍系数影响荷载-变形关系曲线。经分析，≥3.2时，曲线才有强化段；而对于圆钢管混凝土轴压短柱，≥1.0时便有强化段。

各国关于方钢管混凝土轴压短柱的设计规范有所不同。湖南大学唐广青[11]在2015年根据收集到的266个方钢管混凝土轴压短柱的试验数据，对各种规范进行了承载力比较，比较结果表明美国规范（AISC）、中国规范（CECS）及日本规范（AIJ）偏于保守，欧洲规范（EC4）稍偏保守的接近于试验结果，而中国规范DL5085、GJB稍高于试验结果。

4 计算理论研究进展

对于钢管混凝土构件的研究存在各种不同的理论方法，区别在于如何估算钢管和核心混凝土之间由于相互作用而产生的“效应”。这种“效应”的存在构成了钢管混凝土的固有特性，也导致其力学性能的复杂性。日本、美国、澳大利亚、英国和我国的数十位研究者从不同的角度对钢管混凝土结构进行了大量理论分析，对其轴压短柱受力性能有了较全面、深入地认识，使得钢管混凝土构件的设计理论逐渐趋于成熟，为规范的制定打下了良好的基础。

4.1 统一理论

钟善桐[7]所提出的统一理论是将钢管混凝土当为一种组合材料，其工作性能具有统一性、连续性和相关性。在回归分析的基础上建立了计算公式，其理论计算结果与实验值比较接近。这一理论成果是创新的，改变了对钢管混凝土的研究方法，使钢管混凝土成为一种全面而系统的新学科，使我国在这一领域位居国际领先地位。目前我国制定的《战时军港抢修早强型钢-混凝土组合结构设计规程》就是采用这种方法。

但该理论在工程应用中有两个具体问题：第一，由于钢管混凝上中的影响因素较多，拟合的公式一般比较复杂，设计人员对每个符号的含义需要清楚后才能使用；第二，对于缺乏试验样本的部分，单纯依靠数值分析结果还值得进一步研究探讨。

长安大学赵均海[12]团队于2010年运用考虑中间主应力影响的统一强度理论，考虑轻骨料混凝土与普通混凝土多轴强度准则差异的影响，推导出圆形薄壁钢管轻骨料混凝土轴压短柱的极限承载力计算公式，并采用等效截面的方法推导出方形钢管轻骨料混凝土轴压短柱的极限承载力计算公式。

4.2 极限平衡理论

蔡绍怀[13]提出的极限平衡理论认为：钢管混凝土是由钢管对混凝土实行套箍强化的一种套箍混凝土。套箍系数是影响套箍作用的重要因素。不管加载历程和变形过程，直接根据结构处于极限状态时的平衡条件算出极限状态的荷载值。

该理论的优点在于避开了复杂的弹塑性阶段，不需确定材料的本构关系。引入套箍效应指标为主要参数，推导出钢管混凝土极限承载力计算公式。

中南大学应小勇、丁发兴等[14]在2010年给出了轻骨料混凝土在不同强度等级下的力学性能指标表达式并解析了轴对称三轴受压状态下的应力-应变关系。在此基础上，借助极限平衡理论和弹塑性全过程分析理论建立了圆钢管轻骨料混凝土组合弹性模量理论计算公式和轴压极限承载力计算公式，通过数值仿真分析验证了有限元模型与试验结果的可靠性。

4.3 拟钢理论

拟钢理论是将混凝土折算成钢，再按照钢结构规范进行设计。LRFD规范就属于这类理论。该理论在结构概念上有两个问题：第一，不易明确混凝土材料的结构行为和分担作用的概念；第二，采用换算模量忽略剪切模量对高层和超高层建筑进行内力分析，对其构件设计有不准确的情况。

4.4 叠加理论

叠加理论是将钢管和填充混凝土两部分的承载力进行叠加，作为钢管混凝土构件整体的承载力。对于受压弯荷载共同作用的钢管混凝土柱，通常将容许弯矩-轴力曲线叠加起来，作为容许承载力曲线。日本的钢骨钢筋混凝土结构计算标准（AIJ规范）中就采用这种方法。

5 方钢管珊瑚混凝土承载力计算假定

通过上文对珊瑚骨料混凝土研究成果的讨论，以及对方钢管普通混凝土柱轴压性能、计算理论的分析，提出基于极限平衡理论的方钢管珊瑚骨料混凝土短柱轴压承载力计算模型。

方钢管珊瑚混凝土短柱在轴压作用下，核心珊瑚混凝土向外扩张，当其变形大于方钢管的扩张变形时，方钢管阻碍其继续扩张，套箍核心珊瑚混凝土，由此方鋼管与核心珊瑚混凝土之间产生相互作用力，使核心珊瑚混凝土处于三向受压应力状态。

对于核心珊瑚混凝土被动产生的侧向应力，采用如下基本假定：

（1）套箍方钢管满足Von Mises屈服准则；（2）通过试验加载方式设置，仅核心珊瑚混凝土受压，钢管不承受纵向应力；（3）由于钢管径厚比较小，按薄壁钢管考虑，认为其环向应力沿着钢管壁厚均匀分布。

从方钢管珊瑚混凝土柱的受压平衡条件入手，考虑在弹塑性全过程分析理论的基础上，通过极限平衡理论和试验数据分析整理，确定侧压系数，建立钢管珊瑚混凝土轴压短柱极限承载力计算公式，并将试验结果和数值模拟结果相比较，为方钢管珊瑚混凝土结构设计提供参考。

6 结语

圆钢管珊瑚混凝土柱已具有一定的应用可行性，根据工程建设对构件截面形式的需要，提出对方钢管珊瑚混凝土短柱轴压作用下力学性能进行研究。方钢管普通混凝土轴压短柱的研究技术路径、设计规范已经成熟，并且得到大量应用，证明方钢管对核心混凝土具有套箍约束作用，能够使轴向承载力得到提高，同时构件延性也得以改善。因此参照方钢管普通混凝土的承载力计算公式，提出方钢管珊瑚混凝土轴压短柱的计算模型。为方钢管珊瑚混凝土柱在远海岛礁建设中的设计应用提供可行性依据。

考虑珊瑚骨料属于轻骨料，因此方钢管珊瑚混凝土受力特征与方钢管轻骨料混凝土相似，但其承载力计算是否可以直接套用方钢管轻骨料混凝土相关研究有待于进一步试验验证，对其核心珊瑚混凝土三向受压状态下套箍强化机理也有待进一步探讨。

参考文献

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