钢管混凝土短柱轴压性能研究现状综述

2020-10-15王思宇

四川建材 2020年9期

王思宇

(成都理工大学，四川成都 610059)

0 前言

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成且钢管及其核心混凝土能共同受外荷载作用的结构构件。该组合结构是考虑钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，由于核心混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥。随着学者对钢管混凝土研究的不断深入，钢管混凝土被越来越广泛地应用于建筑、桥梁、大跨及高耸结构中，并取得了良好的经济效益和建筑效果。

如今地震是危及人类生命财产最严重的突发性自然灾害之一。近二十年来发生的强烈地震，如1994年的北岭地震、1995年的阪神地震、2008年的汶川地震等，造成了大量的人员伤亡、惨重的工程结构破坏和巨大的经济损失。在大地震背景下，组合结构具有比混凝土结构更好的抗震性能，并且在结构中柱作为竖向承力的主要构件，是避免地震下结构倒塌的最后一道防线，柱的抗震性能的好坏直接决定着整体结构的抗震性能，地震来临时，柱的坍塌则会引起整体结构的坍塌。但在地震作用下，钢管混凝土柱可能发生端部钢管壁屈曲，管内混凝土被压碎而失去承载能力。基于前人的研究，若在方钢管混凝土柱的端部采取加强措施，延缓或阻止端部钢管壁的局部屈曲，将显著提高方钢管混凝土柱的承载力，改善柱的延性和抗震性能。因此，提高钢管混凝土柱的抗震性能的研究显得尤为重要。

1 钢管混凝土轴压破坏模式研究现状

1.1 国内研究现状

蔡绍怀等[1]在1984年提出了钢管混凝土轴压短柱的工作机理，对57根钢管混凝土轴心受压短柱(L/D≤4)进行研究，并推导了短柱极限强度的计算公式。试验表明，钢管混凝土短柱强度很高且具有很好的塑性，套箍指标是影响短柱强度承载能力和变形能力的主要因素。

钟善桐[2]在1994年为了进一步研究了钢管混凝土的工作性能和承载力，首次提出了钢管混凝土统一理论，推荐了统一设计公式，试验表明计算结果是偏安全的。

为了研究钢管径向变形对钢管高强混凝土极限承载力的影响，周绪红等[3]2000年进行了21根不同套箍系数和不同混凝土强度等级的圆钢管混凝土轴压短柱的试验研究。试验表明，当套箍系数较小时，钢管高强混凝土柱的极限承载力几乎没有提高；从混凝土剪切滑移变形的角度分析了钢管对高强混凝土的约束效果低于普通混凝土的约束效果。

为了进一步分析约束效应系数和矩形截面长宽比对钢管混凝土柱轴压力学性能的影响，韩林海等[4]2001年通过对24根矩形截面焊接钢管混凝土短柱的轴压试验研究，得到了钢管混凝土短柱的抗压承载力的提高程度与约束效应系数之间没有明显的规律，但是承载力的提高程度会随着截面长宽比的减小而增加；而延性则随着约束效应系数的增大或者截面长宽比的减小，呈现增大的趋势。Han L H等[5]2008年对28根钢管混凝土短柱轴向局部受压性能进行了研究，如图1所示，试验表明，局部压缩效应会导致构件柱承载力降低，而上端板通过抑制柱端截面的变形和扩展局部受压力可以改善局部受压柱的整体性能。在2014年，Ren Q X[6]研究了具有异形截面包括钢管混凝土柱和空心钢管柱在内的44个试件，分析了异形钢管混凝土短柱在轴压作用下的性能。试验表明，组合柱在中部附近呈现出向外的局部屈曲模型，由于钢管对填充混凝土具有明显的约束作用，构件柱的截面强度和延性均有显著提高。

图1 钢管混凝土柱轴向局部受力示意图

张素梅等[7-8]2004年在试验中提出轴压下钢管混凝土短柱破坏模式存在腰鼓形和剪切性破坏，并且通过对12根圆钢管普通混凝土和24根圆钢管高强混凝土轴心受压短柱的试验，得出钢管普通强度混凝土多成腰鼓型破坏,钢管高强混凝土多成剪切型破坏，如图2所示。王玉银和张素梅[9]在对轴心受压下圆钢管高强混凝土短柱的试验研究中发现：钢管对核心混凝土约束作用强,则易发生腰鼓型破坏,反之则易发生剪切型破坏；且径厚比不仅影响钢管对核心混凝土的约束作用，而且决定了钢管是否发生局部屈曲以及局部屈曲发生的位置和钢材所处的应力状态。

(a)典型的腰部鼓屈破坏

王玉银团队[10-12]在2011年做了一批在钢管中填充再生混凝土的试验，研究表明钢管再生混凝土轴心受压试件均发生剪切破坏现象；钢管的约束作用使得核心再生混凝土性能有所提高。在2014年，又采用剥离分析的方法，针对混凝土尺寸效应对于钢管混凝土柱的承载力、延性、峰值应变、横向变形系数等参数的影响规律，得出了在钢管约束下核心混凝土的荷载-应变曲线。试验表明，钢管混凝土柱的峰值应变存在随尺寸的增加而增大的趋势；延性系数存在随尺寸的增加而减小的趋势；结合承载力的分析认为：尺寸越大的构件在达到峰值承载力时刻塑性发展越充分。2017年，研究了钢管混凝土短柱在轴压作用下的尺寸效应，研究了尺寸对峰值轴向应力、峰值轴向应变、复合弹性模量和延性系数的影响。试验表明，轴向应力峰值随柱径的增大而减小；随着试件直径的增大，复合弹性模量基本保持不变，说明尺寸对复合弹性模量的影响不明显。

1.2 国外研究现状

随着对钢管混凝土的进一步研究，发现钢管的局部屈曲对钢管混凝土柱的影响包括了钢管本身的几何缺陷、残余应力和应变、对混凝土的约束作用等。O’Shea、Bridge[13]在1994年进行了采用高强度混凝土(抗压强度为110 MPa)填充的薄壁钢管(宽厚比为165)的试验，分析发现，各国的规范对局部屈曲强度的计算差别不大且与试验结果较为吻合；而薄壁钢管对高强混凝土的约束不显著，钢对轴向抗压承载力贡献最大约4%。D.O’Shea和Q.Bridge[14]在1998年研究了填充混凝土的薄壁方钢管短柱和中空薄壁方钢管短柱在轴向荷载作用下的性能。试验证明：由于方钢管内用无粘结混凝土填充，对于薄壁钢管混凝土，钢管的极限承载力的提升(相对中空钢管)在于核心混凝土的侧向支撑。其中薄壁方钢管的效果更好。

由于工程中对高强度材料应用的需要，Toshiaki Fujimoto和Kenji Sakino等[15]1997年进行了大量方钢管混凝土短柱在轴压下的性能的试验研究。试验结果表明，钢管混凝土短柱主要有三种破坏模式；钢管对混凝土的约束作用是影响破坏模式、最大承载力的主要因素。

Hiroyuli Nakahara和Kenji Sakino[16]在1998年对4根方钢管高强混凝土柱进行了轴压下的试验研究，对比了中空钢管与钢管混凝土在轴压下钢管局部屈曲的模式。之后，Kenji Sakino等[17]，发表了对114根受轴压下的圆形和方形中空钢管短柱和钢管混凝土短柱的研究试验，在考虑尺寸效应和钢管约束对混凝土强度提高的条件下，建立了钢管混凝土柱中混凝土的应力-应变模型和钢管的应力—应变模型。

Stephen P.Schneider[18]在1998年对14根轴压下钢管混凝土短柱破坏行为进行了试验研究，分析了钢管形状和壁厚对构件柱极限承载能力的影响，并讨论了由不同钢管形状提供的对核心混凝土的约束问题。试验表明，圆形钢管柱比方形或矩形钢管柱具有更好的延性。大多数方形和矩形钢管柱在屈服前，钢管并没有对核心混凝土提供显著的约束。

P.K.Gupta，S.M.Sarda和M.S.Kumer[19]在2007年做了81根圆形钢管混凝土柱试件的试验研究，研究了钢管径厚比、混凝土强度等级等参数对钢管混凝土柱承载力的影响。试验表明，混凝土柱的破坏基本上是由局部屈曲引起的；在径厚比较小的情况下，钢管对混凝土具有良好的约束作用。