复合实腹式钢管混凝土柱的研究进展及设计探讨

2018-07-24张飞燕浙江广厦建设职业技术学院浙江东阳322100

中国建材科技 2018年2期

张飞燕（浙江广厦建设职业技术学院，浙江东阳 322100）

混凝土具有较好的抗压承载力和刚度、价格较低廉的优点，但其抗拉强度低。钢材具有较高的抗拉、抗弯强度，及优异的延性的特点，但其价格相对昂贵，在制作成厚度较薄的构件时其稳定性差。钢管混凝土充分利用了这两种材料的优点，解决了两种材料的不足之处，且钢管对核心混凝土的约束效果好，使混凝土与钢材组合在一起起到了“1+1大于2”的效果。在外层钢管内放置一圆钢管，组成内圆外方的复合钢管混凝土柱，形成一种新型的组合结构，如图1所示。

图1 复合钢管混凝土截面

1 复合钢管混凝土柱的研究背景

随着国内外经济及城市化的快速发展，建筑结构的高度及难度不断增大，普通的钢筋混凝土结构已经难以满足要求，需要高效的建筑材料及高性能的结构形式，高效的计算机设计功能与施工模拟技术。钢-混凝土组合结构的应用使高层建筑的发展更加易于实现。

我国有广大地区处于地震带，国土面积约有750万平方公里处于抗震设防6度及以上的地区。对于一般的高层及超高层建筑，其自重大，且风荷载对其影响较大，当结构遇到高于当地设防的罕遇地震时，若采用钢筋混凝土结构，混凝土柱将受到较大的破坏，且其需要设计成较大的截面，牺牲了大量的建筑使用面积。钢-混凝土组合结构有着比普通钢筋混凝土结构好的承载力、刚度和延性，甚至在震后能够快速修复。

钢管混凝土组合结构，结合利用了混凝土抗压强度高、刚度大、价格低廉和钢材抗弯、抗拉强度高、延性好的优点，避免了钢结构失稳及混凝土结构变形能力差的问题，且钢管对核心混凝土具有较好的约束效果，提高了混凝土的承载力，特别改善了混凝土的延性。在超高层建筑中，在不改变柱子数量的情况下，巨大的荷载效应必然需要提高结构柱的性能，从而需要增大柱子的截面面积，当钢管混凝土截面较大时，钢管对中心区混凝土的约束效果不佳，此时，在钢管内部再安置一个圆形钢管，形成内圆外方复合钢管混凝土柱（以下简称复合柱），将大大提高钢管对混凝土的约束能力，在不增大柱子截面面积的情况下对组合柱的承载力及延性有较大的提高。复合柱最早是由国内学者蔡绍怀[1]提出。复合柱主要有内圆外方和内圆外圆两种形式。研究表明，复合柱主要有以下优点：

钢管对混凝土的约束效果较箍筋好；

充分利用了两种建筑材料的优点并避免了其不足，提高了截面的轴心抗压承载力，有效减小框架柱的截面尺寸，能够有效避免在地震中发生的剪切脆性破坏；

在钢管中放置圆钢管，增强了中心区域混凝土的约束效果，同时，内部钢管将混凝土分割成两部分，可以减小混凝土的收缩，具有更强的内力重分布来抵抗徐变等不利因素；

钢结构的抗高温性能较差，两层钢管中间的混凝土能够有效隔绝温度传递，使内部圆钢管的温度不至迅速升高，有效保证了内部钢管混凝土的承载力；

外层方形钢管能够与钢梁方便地连接在一块，提高了建筑结构的施工速度。

2 复合柱的抗压性能研究进展

2.1 轴压性能

在超高层建筑中，框架柱作为主要的受力构件，其承担了大量的竖向荷载作用。轴压性能作为框架柱的重要性能，有必要对复合柱的轴心受压性能进行研究。

裴万吉[2]考虑了不同内圆钢板壁厚、不同内圆钢板直径及不同柱长，制作了6个内圆外方的复合柱，并对其进行轴压性能研究，认为内圆钢管改善了方钢管对核心区混凝土的约束效果，从而提高了构件的承载力，且内圆钢管能够限制圆钢管内的混凝土发生横向变形，从而提高了复合柱的弹性区域。钱稼茹[3]等将复合钢管结合高强混凝土，考虑了方、圆钢管壁厚、混凝土强度等不同因素的影响，完成了23个试件的轴压性能试验，发现复合柱的轴压承载力在应变已达到0.1左右的情况下仍能够承担约70%的极限承载力，说明其变形、延性性能较好。在文章中，还讨论了复合柱的承载力计算值，建议忽略方钢管对混凝土的约束效果但能承担轴压，按其方法得到的承载力计算值略小于试验值，但误差较小。

林斯嘉[4]在其学位论文中阐述了内圆外圆复合高强混凝土柱的轴压承载力，其完成了不同高度，内、外径之比及不同套箍指标的26个试件的轴压试验，值得注意的是，其采用了C80及C100强度等级的混凝土。在文章中，作者根据弹性力学半逆解法提出了内圆、外圆、复合柱的轴压下的刚度解析解，与试验结果吻合较好，在此基础上做了参数分析，为复合柱的刚度研究奠定了理论基础。最后还提出了简化的极限承载力计算方法，其方法简单实用且较为准确。张志权、王钦亭、王志浩等均在其文章[5][6][7]中讨论了复合柱的轴压承载力的机理及其计算方法，所提出的计算方法均有较好的结果。

新型组合结构的出现必然需要计算机辅助设计的跟进，目前国内外针对复合钢管混凝土柱轴压性能的数值模拟研究，主要是采用有限元分析软件来实现。王卫华、丁启荣等[8][9]基于非线性有限元软件ABAQUS对内圆外方复合柱的轴压性能进行了有限元分析并与试验结果进行了比对，结果表明，模型得到的极限轴压力、荷载-位移曲线均与试验结果吻合良好。在此模型的基础上，进行了扩展参数分析，得到了在钢板壁厚不变的情况下，内部圆钢管的直径增大，复合柱的轴压承载力及剩余承载力将先增大后减小。文献[10][3][11]等做了不同情况下的复合柱轴压性能的有限元分析，结果表明，ABAQUS、ANSYS、OpenSees等有限元分析软件均能够很好地模拟复合柱的轴心受压性能，这将为复合柱在超高层建筑中的应用提供有利参考。

2.2 偏压性能

裴万吉[2]在其研究中同时考虑了复合柱的偏心受压性能，其根据不同的圆钢管型号进行了4个复合短柱的偏压试验，结果显示，由于圆钢管对核心区混凝土的约束增强，使得其偏压承载力提高。周蓉等[12]基于双剪统一强度理论，考虑了偏心率和长细比参数，提出了复合柱的偏心受压承载力计算公式，所得结果较为可行。

马淑芬[13]考虑不同尺寸及壁厚完成了9个复合柱的偏压试验，结果表明：内置圆钢管对偏压下的核心区混凝土的约束效果增强，增强效果随内径增大更加显著。

钱稼茹等[14]为研究复合钢管高强混凝土短柱的偏心受压性能，完成了16个偏心率在0.2～0.6情况下的复合柱静力试验，从试验分析中可以得知复合柱的破坏形态均为整体弯曲及外层钢管局部鼓曲，复合柱的剩余承载力为极限承载力的3/4以上，具有优异的延性性能。最后提出采用叠加法原理计算复合柱的偏心受压承载力，其计算结果与试验结果相比较为准确。

考虑到钢材的耐腐蚀性能较差，在先前复合柱研究的基础上提出了将外层钢管置换成不锈钢管，丁启荣在其学位论文[15]中完成了15个外层不锈钢方钢管内层普通钢管组合柱的偏心受压试验，分析了其力学性能，并将ABAQUS有限元模型与试验进行对比，结果较为吻合。

2.3 复合柱的抗震性能研究进展

在高层及超高层建筑中，特别是在地震设防烈度较高的地区，构件特别是框架柱的抗震性能尤为重要。为了推广复合柱的应用，国内外的许多学者针对不同形式下的复合柱展开了深入研究。钱稼茹、李宁波等[16][17][18][19]考虑不同轴压比、外层放钢管壁厚、内圆钢管套箍系数，进行了12个复合柱试件的拟静力试验。结果表明：复合柱试件的破坏形态基本一致，柱底约1/4柱高处发生外方钢管屈曲，两层钢管间的混凝土发生局部破坏，复合柱有着饱满的滞回曲线，没有发生明显的捏拢现象。最后，在平截面假定的基础上分别计算方钢管及圆钢管混凝土柱在轴压时的正截面抗弯承载力，将二者叠加得到复合柱在轴压时的正截面抗弯承载力，其结果与试验值相比误差较小。文章中，还讨论了复合柱在遭受大震破坏后快速修复的可能性。同时，基于OpenSees软件对复合柱进行了有限元分析，讨论了不同参数对复合柱抗震性能的影响。文章[16]中作者将复合柱进行了改进，即在两层钢管之间设置加劲肋，如图2，改进后的复合柱的滞回性能更加稳定，且具有更高的承载力、更好的耗能性能及延性，改进后的复合柱在地震后更容易进行快速修复。

图2 改进后的复合柱

白杨[20]将外层钢管设置为不锈钢，进行了6个复合柱的抗震滞回性能试验并基于ABAQUS软件进行了有限元分析，结果表明不锈钢管复合柱试件的滞回曲线饱满，具有良好的抗震滞回性能。周云[21]完成了5个复合高强混凝土柱的低周反复水平荷载试验，在试验的基础上讨论了试件的压弯承载力的计算方法及其适用性。刘永超[22]在其学位论文中对复合柱的抗震性能进行了有限元分析，系统地研究了不同钢管强度、尺寸、混凝土强度、轴压比、长细比、对复合柱抗震性能的影响。

3 复合柱的设计

3.1 正截面受压承载力

由文献[3][4]中的试验结果可知：内部圆钢管对圆钢管内的混凝土具有较强的约束效果，而外部的方形钢管无法对圆钢管内的混凝土起到约束效果，仅提供轴压承载力。参考文献[1][3][4][5][6][23]中的计算方法，为安全考虑，忽略外部方钢管对混凝土的约束效果，同时考虑规范[24]中的要求，提出复合柱的正截面受压承载力计算方法：

式中：N为柱轴压承载力设计值；Nu为截面轴压承载力设计值；Nuc为内圆钢管混凝土柱截面的轴压承载力设计值；θ为内部圆钢管的套箍指标，，当混凝土强度等级小于C50时，取，否则取fac,Aac和fao,Aao分别为内外钢管的屈服强度、截面面积；fcc,Acc和fco,Aco分别为内圆钢管内约束混凝土和内圆钢管外约束混凝土的轴心抗压强度、截面面积；γ可根据规范标准[25][26]取值。轴心受压构件的稳定系数ϕ可根据规程[24]中提供的方法计算：