钢管混凝土构件轴压比限值确定及其适用范围的综述

庄志有

摘 要：钢管混凝土构件已经成为高层建筑、大跨度桥梁的主要纵向或轴向承载构件。钢管混凝土柱结合钢和混凝土材料的优点，在地震等强动力作用下具有较高的承载能力、刚度和延性，经济效益显著，施工方便。为了更好地发挥钢管混凝土的性能，本文研究了通过分析之前许多学者的研究，探讨钢管混凝土的延性以及轴压比限值对钢管混凝土结构性能的影响。并且研究比较了方钢管混凝土和圆钢管混凝土在轴压比限值的之间存在的不同。限值轴压比是为了提高结构的延性，增强抗震性能。而钢管混凝土由于结构的属性，具有非常好的延性，一般情况无需考虑轴压比限值。研究中表明二者都应该考虑长细比来保证结构的稳定性。当钢管混凝土柱具有较大的长细比时，柱子将越有可能发生失稳破坏，导致柱子的承载能力降低。而由于圆钢管有更好的约束效应，可以不考虑轴压比的限值。

关键词：钢管混凝土；轴压比；限值

引言

钢管混凝土柱结合钢和混凝土材料的优点，在地震等强动力作用下具有较高的承载能力、刚度和延性，经济效益显著，施工方便，钢管混凝土用在建筑结构中，和钢材相比，节约了大量钢材，同钢筋混凝土相比，则减少了截面尺寸并减少了自重，具有更好的抗压强度和变形能力。并且钢管混凝土结构作为一种组合结构具有良好的抗火性能，并且后期的维护成本也相对较低。大截面钢管混凝土柱作为高层建筑中的竖向承载构件，在超高层建筑、大跨度桥梁、地铁车站、工业厂房、港口工程等土木基础设施中得到了广泛的应用[1]。随着我国经济的发展，对结构的安全性能提出了更高的要求，同时在保障结构安全的前提下，尽可能降低成本，从而有利于社会经济的发展。因此研究钢管混凝土的轴压比限值，有助于在设计中参考，利于设计的发展，降低成本。钢管混凝土就是利用钢管和混凝土在受力时结构反应可以互补的特点，将素混凝土灌入钢管而制成的。其中，实心钢管混凝土采用浇灌的方式制作，混凝土完全填满钢管，空心钢管混凝土是采用离心法浇筑内混凝土并通过蒸汽养生制成，混凝土部分为中空[2-3]。钢管混凝土结构的形状多种多样，本文主要研究了方钢管混凝土和圆钢管混凝土的轴压比限值，由于这两种形状在实际工程中采用较多，方钢管混凝土更加便于施工，并且对于节点的连接更加便利，而圆钢管混凝土结构钢管壁对核心混凝土的约束想过更理想，但是施工过程相对复杂。当钢管混凝土柱的轴压比越低时，它的延性越高，当轴压比较大时有必要进行抗震承载力验算。本文研究了钢管混凝土的轴压比限值，以及轴压比限值对钢管混凝土结构性能的影响。由于钢管混凝土比传统的钢筋混凝土结构具有更高的承载能力和稳定性，经过许多学者的研究发现，利用钢管混凝土的优点可以通过控制结构的轴压比来保证延性，由于圆钢管混凝土钢管壁对核心混凝土有良好的约束效果，因此可以减少对轴压比的限值。研究结果表明圆钢管混凝土柱由于受到的约束效应更强，因此其结构的延性可以通过考虑轴压比来保证，使得结构具有更好的安全性能。方钢管混凝土柱的侧向约束能力较弱，建议考虑轴压比来提高结构的安全性。二者都应该考虑长细比来保证结构的稳定性。但钢管混凝土都应该通过控制长细比，保证结构的稳定性。对比了方钢管混凝土和圆钢管混凝土轴压比限值的差异。限值轴压比是为了提高结构的延性，增强抗震性能。研究中表明二者都应该考虑长细比来保证结构的稳定性。当钢管混凝土柱具有较大的长细比时，柱子将越有可能发生失稳破坏，从而降低了柱子的承载能力。而由于圆钢管有更好的约束效应，可以不考虑轴压比的限值。

1 钢管混凝土的优点及前景

钢管混凝土结构具有许多的优点，比如：抗震性能好，承载力高，延性好，施工便捷。由于钢管混凝土结构具有上述许多优点，因此在许多土木工程领域被广泛采用。在超高层建筑中，传统的钢筋混凝土结构难以满足建筑对承载力要求，因此在许多的超高层建筑中，钢管混凝土柱普遍的作为主要的竖向承重构件，发挥着重要的作用，而当需要满足承载力要求时，钢筋混凝土结构的截面变大，使得使用空间大大减小了；而使用全钢结构时结构造价高，且防火性能不如钢混组合结构，并且在后期仍需投入大量资金对结构进行护理。当使用钢管混凝土结构来建造高层建筑时，柱子的截面相比于传统的钢筋混凝土结构更小，同时可以提高高层建筑的抗震性能，后期的维护成本也相对较低。不但可以有效的增加建筑使用空间，有效缩短工期，降低了工程的成本。综上所述，钢管混凝土结构因其高承载力、延性好、成本较低、工期短具有广泛的发展前景，在各种建筑中的应用越来越普遍，会成为未来建筑结构发展的主要力向之一。因此研究不同形状的钢管混凝土结构的轴压比限值，以及相应的轴压比限值对结构的稳定性的影响，并保证结构的延性具有重要的意义。

2 钢管混凝土柱延性研究

轴压比的限值是保证结构的延性的关键。延性的主要概念是指在结构处于屈服状态到最终达到结构的最大承载能力时，结构还能保证其在承载力没有明显降低的情况下还能继续承受一定非弹性变形的能力。也就是在受力状态下，结构处于塑性阶段后，当外力持续作用下，结构变形继续增大，但结构仍未发生破坏。对以往的学者的研究成果进行总结，能快速有效的得出结论，从而提升为理论知识，为建筑设计提供指导，由于对变形存在不同定义，将延性系数分为了曲率延性系数、位移延性系数和转角延性系數[4]。

3 轴压比限值研究

为了算出轴压比限值，我们可以通过混凝土柱正截面破坏的平衡条件，列出公式求出。并且对比许多学者通过钢管混凝土压弯实验的方法，并且将结果与设计轴压比进行了对比。按照理论上的公式，轴压比通常是指轴向压力设计值与柱截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值，即 。在钢管混凝土结构中，根据柱轴压比的规定可知圆钢管混凝土的轴压比计算公式为：

从而得出了方钢管混凝土柱和圆钢管混凝土柱他们之间轴压比的差异，之前许多学者进行的实验结构也表面，圆钢管混凝土相比于方钢管混凝土具有更强的约束效果。对于钢管混凝土梁柱节点存在各种形式的状况，学者们通过试验研究对其轴压比限值开展了不同的研究工作，也取得了相应的的成果[6]。

4 圆钢管混凝土轴压比限值和结构长细比

针对圆钢管混凝土柱，根据之前许多学者的研究，如1996年钟善桐[7]提出保证延性要求的构件长细比限值。通过理论计算和实验研究的方法，提出当对圆钢管混凝土构件进行设计时，可以通过控制构件长细比而不用限值柱子的轴压比，但需要满足下面两个条件，：

（1）构件的套箍系数 ，否则，塑性性能较差；

（2）组合抗压强度设计指标为弹塑性阶段进入强化阶段的交界点，而不是最大承载力，否则，没有后备的强度和塑性。同时文献[8]也给出了同样的结论：考虑到圆钢管混凝土柱更好的约束效果，无需限制轴压比。

在高层建筑中时，可通过限制钢管混凝土构件长细比的方式，而不必限定轴压比。这就有助于提升钢管混凝土的经济效益。

2006年，天津大学杜喜凯[9]通过对方钢管混凝土柱进行压弯试验，分析了轴压比对柱延性的影响，利用公式推导了试验轴压比与设计轴压比的换算关系。

令试验轴压比为 ，设计轴压比为nd=N/NO ，式中，Nt 为试验轴压力，NtO 为柱轴心受压极限承载力，N 为设计轴力，NO 为设计轴心受压极限承载力。

文献[6-7]都指出：钢管混凝土在抗震地区可以不限制轴压比，即不用限制轴压力，但是必须限制构件的长细比。钢管混凝土用在建筑结构中，和钢材相比，节约了大量钢材，同钢筋混凝土相比，则减少了截面尺寸并减少了自重，并且钢管混凝土结构作为一种组合结构具有良好的抗火性能，并且后期的维护成本也相对较低。通过分析了理论轴压比和设计轴压比的关系，在不同抗震等级下对结构有不同的延性要求并且钢管混凝土柱在理论轴压比n=0.8 时，延性系数都大于且接近3.0，得到其设计轴压比在不同抗震等级下都大于1.0，表明了对钢管混凝土结构进行设计时，可以不考虑限制轴压比或可以适当放宽限值。但是对于当轴压比大于1.0的情况，需要验证轴心受压下的稳定承载能力。

结论：

（1）结构的延性受到轴压比的影响，对于钢管混凝土柱具有更好的力学性能，在许多方面均强于钢筋混凝土柱，对圆钢管混凝土柱由于对钢管对混凝土有更好的约束效果，因而文献[5-8]都提出对于圆钢管混凝土柱可以不限制轴压比或者适当放宽限值。研究表明方钢管混凝土柱在抗压强度、变形能力等方面都弱于圆钢管混凝土柱。因此文献[9]给出了方钢管混凝土柱轴压比限值的计算公式，以此作为方钢管混凝土柱轴压比限值参考计算公式。

（2）钢管混凝土柱在实际的受力过程中，一般结构将处于三向受压的状态，这将有利于充分发挥混凝土的抗压强度，从而有助于提高钢管混凝土的极限承载力，内部的混凝土的起到了支撑钢管壁的作用，从而提高了钢管混凝土结构的稳定能力，并且充分发挥了两种材料的优势，使得结构具有良好的延性和稳定性。轴压比的限值是保证结构的延性的关键。研究结果表明圆钢管混凝土柱由于受到的约束效应更强，因此其结构的延性可以通过考虑轴压比来保证，使得结构具有更好的安全性能。方钢管混凝土柱的侧向约束能力较弱，建议考虑軸压比来提高结构的安全性。二者都应该考虑长细比来保证结构的稳定性。对于具有较大的长细比钢管混凝土柱，柱子将越有可能发生失稳破坏，从而导致柱子的承载能力降低。

参考文献：

[1] Zeng L， Parvasi S M， Kong Q， et al. Bond slip detection of concrete-encased composite structure using shear wave based active sensing approach[J]. Smart Materials & Structures， 2015， 24（12）：125026.

[2] 姜宝凤， 姜新新， 梁晨. 我国钢管混凝土的发展概述[J]. 四川水泥， 2017（2）.

[3] 李俊峰. 浅谈钢管混凝土结构的应用与优缺点[J]. 包钢科技， 2001， 27（3）：92-95.

[4] 哈尔滨工业大学. GB 50936-2014 钢管混凝土结构技术规范[M]. 中国建筑工业出版社， 2014.

[5]：刘海峰.轴压比对组合框架抗震性能影响的实验研究与理论分析[D].长沙：中南大学，2010.5

[6] 施刚， 胡方鑫， 石永久. 各国规范钢框架结构抗震设计方法对比研究（Ⅱ）：承载力、延性与侧移要求[J]. 建筑结构， 2017（2）：7-15.

[7] 钟善桐.钢管混凝土结构[M].北京：清华大学出版社，2003.

[8] 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京：人民交通出版社，2003.

[9] 杜喜凯，王铁成，张建辉，等.方钢管混凝土柱轴压比限值的研究[J].河北农业大学学报，2006.29

基金项目：华侨大学研究生科研创新能力培育计划资助项目