新型薄壁钢管混凝土柱静力性能研究

张峰

（湖北工业大学，湖北 武汉430068；烟台市消防救援支队，山东 烟台264000）

1 薄钢组合结构的特点

近年来，由于建筑形式的多样化、工程环境的超复杂化以及应用领域的不断扩大，人们对结构工程的研究提出了更高的要求，使新的结构形式不断涌现。在众多的结构形式中，钢―混凝土组合结构以其突出的特点和良好的使用效果，被广泛应用于高层与大型桥梁等建筑中。随着研究的不断深入和应用领域的不断扩展，钢―混凝土组合结构已形成一个独立的结构体系，成为继传统的四大结构（木结构、砌体结构、钢结构、钢筋混凝土结构）之后的第五大结构。在使用过程中，由于钢材与混凝土两种不同性质的材料可以充分发挥各自特长，组合结构具有一系列的优点。目前研究比较成熟且实际应用比较广泛的几种钢与混凝土组合构件的截面形式，如图1所示，在工程设计中，与这些构件配套的相应规范、规程也比较齐全。

图1 几种常见组合构件

在实际工程中，评价一种新的结构形式是否具有生命力，应同时具备三个基本属性，如图2所示，即结构是否可用，可用的结构是否可靠，可用、可靠的结构是否经济，三个属性的交集才是最具发展前景的结构体系。传统的钢—混凝土组合结构在前两个属性上十分优异，但由于第三个属性在一些建筑类型中应用的不足（如在中、低层建筑中），使其在结构工程中全面普及受阻。在这种情况下，新型薄钢―混凝土组合结构应运而生。

图2 判断新的结构形式生命力的三个基本属性

薄钢―混凝土组合结构（简称薄钢组合结构）是一种由薄壁板材、冷弯薄壁型钢（包括薄壁钢管）与混凝土组合而成的新型结构。混凝土的存在，提高了薄壁构件的局部屈曲承载力和抗火及防腐蚀性能；薄壁型钢的存在，可兼作梁、柱模板，还可起到部分受力纵筋或约束箍筋的作用。由于该结构形式同时具备了薄钢结构和混凝土结构的优点，近年来，在国内外受到了越来越多学者的关注。

我国年钢产量已超过2亿t，居世界首位，然而钢材在建筑结构中的应用却相对较少，与发达国家相比存在很大差距。为实现我国现代化建设中可持续发展的战略目标，改善我国已经远远低于世界人均水平的耕地资源现状，响应国家大力提倡开发绿色建筑、环保建筑的号召，最终取代以粘土砖为主要建筑材料的房屋建造方式，应加大具有轻质、高强并可重复利用的建筑用钢比例。但仅仅依靠在大中城市建造为数不多的高层、超高层钢结构或钢―混凝土组合结构建筑，显然难以实现上述目标。因此应将推广钢结构、钢―混凝土组合结构的重点放在占建筑物比例最大的中低层建筑上，特别是住宅建筑上。

考虑到我国的实际情况，薄钢组合结构是一种能满足中低层建筑要求，尤其是住宅建筑的结构形式。该组合结构除具有传统钢―混凝土组合结构的一系列优点之外，还可以根据具体受力特点选择合理的薄钢截面形式，使构件受力更合理；薄壁型钢构件重量较轻，可方便人力搬运和安装；又由于钢构件的多样性和可选择性，可通过不同的节点构造形式，组成多种合理结构体系，降低建造成本，其综合经济指标有望接近砖混结构体系。因此可以推断，在我国薄钢组合结构的应用前景十分广阔。

2 新型薄壁钢管混凝土柱施工问题

对施工期间薄壁箱形钢管混凝土结构中的钢柱在浇筑混凝土时的情况进行有限元分析，发现在满足施工对侧向位移要求的前提下，由于浇筑的混凝土对钢管产生侧向压力，随着一次浇筑混凝土楼层数的增加，对底层钢管管壁的宽厚比（b/t）要求越来越严格，甚至小于使用荷载下的限值，所以研究如何加强薄钢构件施工时的刚度，减小施工时钢管的侧向变形是非常必要的。由于薄钢构件的壁厚很薄，施工时焊接质量不易保证，产生的焊接变形和残余应力对构件承载力有一定影响。因此需要研发便于工厂大批量机械化加工及适于现场人工操作的焊接设备。为从根本杜绝焊接给生产和施工带来的不便，还应进一步研究用机械连接来替代焊接连接的制作与施工方法。通过研究发现，混凝土振捣方式对普通钢管混凝土柱强度会产生一定的影响，因此也需对薄壁钢管混凝土构件的混凝土浇筑方式进行研究。

3 新型薄壁钢管混凝土柱静力性能研究试验分析

3.1 短柱试件设计与制作

为便于比较分析不同设肋形式对方形薄壁钢管混凝土短柱性能的改善效果，探索其力学行为和极限承载力的增强机制，在试件设计上安排了普通、单向、双向设置直肋和单向、双向设置斜肋的5种截面形式，构件截面外轮廓尺寸分为200mm×200mm和300mm×300mm两种，总共10种试件形式，每种3个，共30个试件。普通薄壁钢管混凝土短柱，由冷弯槽钢通过对接焊成型；其余截面形式均由带卷边加劲的冷弯槽钢或等边角钢通过焊接组成。在制成的方形钢管底部焊接10mm厚的钢板作为底模，灌入混凝土并用振捣棒振捣密实后抹平，自然条件下养护2周后用砂浆找平，再焊接10mm厚的钢板作为顶盖板，最终形成组合构件。

3.2 新型薄壁钢管混凝土短柱静力测试结果

通过对不同形式新型薄壁钢管混凝土短柱的轴压试验，可以得出以下结论：①试验中的薄壁钢管混凝土轴压短柱试件的破坏模式，主要表现为剪切破坏，剪切破坏面的剪切角在30°～54°之间。SC200和SC300设肋柱分别在荷载达到极限承载力的60%～70%和45%～55%时，先在柱某一钢板表面出现可观察到的微曲，说明随着试件宽厚比的增加，钢管屈曲发生的时间越来越早；②在所有设肋或设对拉片构件中，肋板或对拉片均能与混凝土保持良好粘结，直至试件破坏；③设置直肋与斜肋均可有效提高薄壁钢管混凝土轴压短柱的极限承载力和轴向变形能力。与普通薄壁钢管混凝土柱相比，SC200短柱单向设置直肋与斜肋的效果基本相同，分别提高了极限承载力的15%、18%；双向设置直肋与斜肋的效果更显著，分别提高了26%、29%，提高程度约为单向设肋的2倍。

3.3 不同形式薄壁钢管混凝土试验研究

3.3.1 长柱试件设计制作

长柱采用了与短柱相同的截面形式，截面尺寸均为200mm×200mm正方形，截面形式为普通薄壁钢管混凝土长柱，截面形式2～5为单向、双向设置直肋或斜肋的薄壁钢管混凝土长柱，每种截面形式3个试件，共15个。截面形式6、7为单向、双向设置对拉片的薄壁钢管混凝土长柱，按不同的对拉片设置间距分为4种长柱，每种3个试件，共12个。每种长柱相同的3个试件分别安排偏心距70mm、40mm和轴压3种加荷方式。长柱钢管的制作过程与短柱基本相同。在形成的空钢管一端焊接上盖板，另一端盖板待混凝土灌满、养护和打磨平整之后再焊接，盖板和钢管的几何中心对中；然后在上、下盖板表面的柱截面形心处焊上长度20mm的钢榫，并保证其与盖板垂直。

3.3.2 新型薄壁钢管混凝土长柱静力测试结果

在试验期间主要获得了以下方面的结果：①设肋或设对拉片薄壁钢管混凝土偏压长柱均表现为极值点整体失稳破坏模式，破坏部位发生在柱中挠度最大处。轴压长柱均表现为局部弯曲引起的分枝点或极值点整体失稳破坏模式，破坏位置发生在柱中与柱四分点之间；②试验完毕后，剖开表面钢板，在所有设肋或设对拉片的轴压、偏压长柱中，不论受压区还是受拉区的肋板或对拉片均与混凝土保持良好粘结，没有屈曲现象发生，表明肋板或对拉片均能与混凝土很好地共同工作直到试件破坏；③设置直肋与斜肋均可有效提高薄壁钢管混凝土长柱的极限承载力。对于偏压长柱，随着加载偏心距的增大，单、双向设肋长柱的极限承载力提高幅度有接近的趋势。对于轴压长柱，由于承载力主要受整体稳定控制，且制作难度高，导致的初始偏心距也较大，故轴压长柱的极限承载力提高幅度没有短柱大；④设置对拉片可在一定程度上提高薄壁钢管混凝土轴压长柱的极限承载力。对于偏压长柱，随着偏心距的增大，对拉片提高长柱极限承载力的效果减小，最终降至与普通薄壁钢管混凝土柱基本相同的承载力。

总之，针对新型薄壁钢管混凝土柱静力性能进行研究是极为有必要的，其可以更好地保证施工建设的安全性，优化建筑质量，对于我国施工事业的发展和进步有极为重要的推动作用，必须要提高对相关工作的重视度，科学实施相关工作。