钢管混凝土承载力计算理论分析

陈建城 潘 艳 李 娜

（中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南省长沙市雨花区 410000）

钢管混凝土又称为钢管套箍混凝土，其是一种由混凝土在钢管中填入所形成的特殊材料，在国外也有人称之为混凝土填心钢管，属于套箍混凝土的组合应用形式。钢管混凝土的种类有圆钢管混凝土，方钢管混凝土以及多边形钢管混凝土。

钢管混凝土是高层和大跨中常用的一种结构形式，具有承载力高和经济效益好等居多优点。在19世纪90年代，华盛顿建筑学专家John－Lally在圆形的钢管内填入素混凝土中，当作工程的承重柱。至今，这一施工模式在建筑工程领域已经有100年以上的使用时间了。自从钢管混凝土应用以来，由于其优越的力学性能，迅速的得到了西方国家建筑工程领域的关注。20世纪60年代前后，这一工程技术开始在欧美，苏联及日本受到广泛关注，并开展了大量的研究实验，但由于其浇注困难，另这一工程技术在施工过程中的潜力未没有实现充分的体现。相比之下，人们更加愿意使用普通混凝土结构。

到了80年代后期，因为泵送混凝土技术的出现，以及迅猛进步的高强度混凝土必须使用钢管来调节混凝土的刚性，在许多国家，特别是在高层建筑中，钢管混凝土又得到了重新的发展，以往的钢柱施工方式逐渐转变成为了钢管混凝土柱，这是现代建筑领域的一次技术层面的飞跃。

中国自60年代起开始研究和应用钢管混凝土，已有50年的历史，自20世纪60年代首次把钢管混凝土柱应用于建筑工程之中以来，取得了一系列的成功应用。80年代，按照建设部的政策要求，中国于钢管混凝土方面展开了比较深入的技术科研，使得这一技术结构的信息数字理论以及规划技术实现了一系列的高速发展，并逐渐发展为能够满足实际应用需求的计算原理和计算技术。近年来，更是由于高层建筑、地铁、大跨等高速发展，有力地推动了这一现代化技术结构的新发展。

1 钢管与混凝土承载力计算理论

钢管混凝土与以往的技术类型比较有着非常明确的实际优点，在受力方面同样如此。钢管混凝土在受力为钢筋和混凝土共同受力，由于其套箍作用，对受压承载力有增强的效果。然而，针对其结构组件的轴向受压承载强化的原理，在国际上还没有出现具有广泛共识的观点。

1.1 国外研究理论

在国外主要有以下两种观点：

（1）以日本、美国为首的土木界人士实验研究得出，钢管以及混凝土可以综合发挥作用，以此分担压力荷载，然而二者并不具备互相的制衡能力。它的运算方式同钢筋混凝土柱具有高度的一致性，直接采用钢管的实际承载力以及混凝土的承载力。例如在日本的技术结构规划标准体系之中，它的轴心承载逐渐的运算方法就相对忽略了混凝土于钢管结构侧向制约条件下的强度上升，即：

在这一运算方式中，fsk是钢管服从程度，fck是混凝土的实际抗压值数。

（2）以前苏联为首的部分土木界人士则得出这一技术结构的受力需求以及构成需求都低于钢筋混凝土，他们判定钢管对于混凝土的侧压效果并不明显，但圆柱结构在生产阶段会受到多方面因素的影响，并导致其强度的变化。举例说明：由于钢管中心位置缺少了钢筋，就防止了因为配筋造成的气孔、砂眼、空隙等缺陷问题，进而强化其密实性。由于钢管和核心混凝土相结合，会另加荷阶段的钢管混凝土柱保持相对整体状态，在轴向力作用下，钢管能够负担混凝土形成的双方面应力，可以避免造成圆柱结构表面破坏的剪力以及裂缝，进而有效升高混凝土的实际受压能力。按照实验研究数据，可以总结出其承载力计算方法：

式中，σs表示钢管的服从应力；R表示混凝土的实际抗压能力。

1.2 国内研究理论

在国内，以著名建筑学专家钟善桐，中国建筑科学院蔡绍怀为主的中国学者则将这一技术结构混凝土刚度上升的原因认定为是由于钢管对核心混凝土的套箍作用的结果。混凝土因为钢管的侧向压力影响，处在三方受压的应力状态，有效强化了混凝土的轴向承压能力，并且也让它的破坏形式由脆性转化为塑性。他们通过不同的实验方法和途径，对这一技术结构基础组件的受力能力以及运行机理展开了理论研究以及实践分析，现阶段已经获得了相对统一的意见，即在三方应力的共同影响之下，混凝土刚度的提高能够通过以下公式进行反应：

在这一公式之中，fco表示侧压力条件下，混凝土的轴向承载能力；fck表示混凝土标准承载能力；σr表示混凝土的实际侧压力曾在数值；k3表示混凝土侧压力指数。

2 钢管混凝土承载力不同理论对比

理论1将钢管与混凝土相互区隔进行分析，分别确定两者的承载力，然后进行叠加。这种理论的优点是各种材料受力比较明确，计算简单。但缺点在于忽略了钢管于核心区混凝土的制约效果从对核心区混凝土的增强作用。这种理论与实验有一定的误差，计算结果比实际强度低，造成一定的浪费。但相当于整个柱有一定的强度储备。

理论2则表示钢管于混凝土的侧压力影响相对较小，但由于在制作过程由于钢管之中缺少钢筋，防止了由于配筋造成的气孔、砂眼、空隙等缺陷问题，使密实性得到提高。且钢管与混凝土相结合，令柱结构在加荷的实际作用之下转化为致密的整体，在轴向力作用下，钢管承受了混凝土所形成的拉应力以及剪切应力，可以消除造成柱体表层破坏的剪力以及裂缝，以此有效强化混凝土的受压承载能力。这种理论在某种程度上考量了钢管的制约作用，以此强化了混凝土的实际刚度。但然而，其也忽略了钢管纵应力的实际屈从标准。一般来说，钢管是在纵向受压以及环向受拉的双重影响之下运行的，因此，需要依据应力强度的条件变化来对极限条件进行确定。

理论3之中将多方面受力条件之下的混凝土组件统合于标准的理论环境之中，并使用综合性的办法对承载力进行运算。这种理论指出：设计技术结构组件的工作性状随着材料的物理参数、组件的规格系数、截面状态、应力条件的变化而改变的，其改变具有连续性以及相关性。计算是统一的。因此理论将这一技术结构的组件理解为统一的相同原料，通过组件的规格特点、截面面积、抵抗矩、组合性能对组件的相应受压能力进行运算。这种理论同样存在着一些问题，首先，这种理论计算是建立在理想弹塑性模型假设的基础上的，这对于结构稳定性较强的钢管混凝土结构是具有矛盾性的。并且，混凝土结构按照侧压力的研究结果所获得的纵承载力以及侧压力的相关性进行承载力的明确，这与混凝土的实际运行情况存在差异性。

以上三种理论有各自的区别，其计算理论有各自的优缺点，但三种理论也存在一定的相关性。事实上，这些运算方式之间的差别就是在于估算钢管以及核心混凝土二者互相制约作用而形成的套箍作用。这一作用的影响就形成了结构组件这一特殊组件的实际性特点，以此就造成了组件力学特点的驳杂性。不同理论的研究者们从不同的角度对上述问题进行了研究。但是各研究者由于对钢管和混凝土之间套箍效应的理解不同，因而估计的准确程度也会有所不同，所获得的计算方法和计算结果也就有所出入。此外，像上面对各理论评价中所提到的，在荷载作用下，这一技术结构组件多种材料塑性的发展特点相对繁杂，采用理想的弹塑性体和实际结论有一定出入。因此，在目前的情况下，也不能一概而论，认定哪种理论优越于其他的，各国学者也是仁者见仁，智者见智。从应用实际的角度进行分析，逐渐构建和谐且健全的理论体系是影响混凝土结构未来发展有效途径。

3 目前研究存在问题和建议

钢管混凝土作为一种高承压能力，受力性能好，经济效益高的结构形式，在近十年来，随着经济和建设业的迅速发展，其应用也以惊人的速度增长。目前，国际上的相关学者在钢管混凝土受力特点以及计算理论的科研方面获得了实际性的新的进展，但是仍然存在以下一些关键性的问题：

（1）钢管混凝土承载力计算中采用理想弹塑性模型的假设，这对抗变形能力很强的钢管混凝土是不合理的。

（2）圆钢管混凝土根据定值侧压力的实验结果得到纵向承载力与侧压力的关系从而确定其承载力，这和核心混凝土的工作状态不符。

（3）把钢管普通混凝土和钢管高强混凝土机械地分开进行研究。

（4）对钢管混凝土在动力荷载作用下的性能研究主要以实验为主，这不利于深入系统地了解动力荷载作用下的性能。

除了上述在受力性能和计算理论方面的不足之处，要更好更安全地推广使用钢管混凝土结构，以下不足之处建议进行进一步的研究：

（1）钢管混凝土防火设计规程的制定及防火设计方法的推广。

（2）钢管混凝土施工力学的研究。

（3）钢管混凝土中核心混凝土质量问题的控制和检测。

（4）钢管混凝土的徐变、疲劳及动力性能的进一步深入研究。

（5）钢管混凝土构件及其与梁连接节点制造及构造的标准化和工业化。

以上这些存在和需要改进的问题也是钢管混凝土结构使用和设计中的关键技术问题。钢管混凝土因为结合了钢管以及混凝土的性能，让它达到了相对优势的力学特点，然而，其也形成了这一技术结构在力学特点方面的繁复性，虽然说经过几十年的迅猛发展。然而同钢筋混凝土结构以及钢结构比较，其是一种现代化的新兴结构形式，其性能有待于进一步的研究。

4 结束语

近年来，钢管混凝土结构以其优越的性能以及较好的经济性，在我国高层建筑和超高层建筑中得到迅速的发展，成为了我国可推广的一种理想结构体系。但由于其研究时间还不长，在应用上一定程度上受不完善的理论所限制。我相信随着钢管混凝土方面的研究进一步完善，钢管混凝土在建筑业将会得到空前的发展。要实现这一目标，需要我们共同努力，为钢管混凝土结构的发展作出贡献。

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