约束钢管混凝土柱研究进展

许一斐， 贾艳东

（辽宁工业大学土木建筑工程学院，锦州 121001）

随着建筑高度、跨度、安全性等要求的提高，传统建筑物柱的尺寸越来越大，占用空间也增加，为解决这种问题，钢管混凝土柱（简称CFST，Concrete Filled Steel Tube） 组合结构形式的使用日益增长。CFST 是指在钢管中填充混凝土，并且由钢管和混凝土共同承受外荷载的组合结构构件。 一方面，钢管约束内部核心混凝土变形，从而使核心混凝土从单向受压变为多向受压的形式， 增加了承载能力，另一方面，核心混凝土对外部钢管起支撑作用， 减弱钢向内屈曲， 同时防止内部钢管的锈蚀。 在施工方面，钢管可以代替混凝土柱的模板，在进行浇筑后，无需拆模，在提升力学性能的同时也减少了施工步骤。 CFST 有同承载力条件下体积小、延性好、抗震性能优异、施工便捷等优势[1-2]，在高层建筑、工业厂房、桥梁等工程中广泛应用[3]。

但是，钢管混凝土受压初期，钢管处于弹性阶段，此时钢管与核心混凝土的相互作用较小，只有当钢管进入弹塑性阶段， 才对核心混凝土起约束作用，提供的约束作用有限，尤其是当核心混凝土采用高强混凝土时， 因高强混凝土破坏前形变较小，导致钢管对核心混凝土提供的约束更小。 为了改善这种情况， 国内外许多学者采用多种形式对CFST 进行约束，统称为约束钢管混凝土，本文统一简 称 为CCFST （Confined Concrete Filled Steel Tube）。

CCFST 以改善CFST 承载能力、延性、耐用性等为目标，国内哈尔滨工业大学[4-6]、吉林大学[7-8]等开展了相应的研究， 表明CCFST 具有很高的技术可行性，应用前景非常广阔，但CCFST 在实际工程中应用较少，基础理论研究比较薄弱，未有相应的技术标准，需开展应用基础的研究。 为此本文梳理了CCFST 不同类型的约束方法、 改变的性能等研究现状， 分析了存在的问题和今后CCFST 发展的方向。

1 在CFST 内部进行约束

1.1 在核心混凝土区设置螺旋箍筋

CFST 在钢管的约束下， 对核心混凝土有套箍作用，能提高构件的承载能力，但当使用高强度混凝土填充时，混凝土的套箍作用虽仍然存在，但其延性和抗剪性能都有所欠缺，对于这种情况，一般可以选择增加钢管管壁厚度， 但增加钢管厚度使工程造价大幅提高， 所以一般采用内置钢筋的办法来改善， 以此来平衡力学性能和工程造价之间的关系。 阿里甫江·夏木西[9]等较早做了在钢管混凝土中加设配筋的试验，发现增加配筋后，CFST 的延性和承载能力都有显著提升， 增加配筋后的延性相较普通钢管混凝土普遍增加为16%以上，且随着混凝土强度等级的提升， 配筋对延性的提升效果越明显。 配筋后，与原钢管混凝土的套箍系数相比，最小增加38%，最大增加量为145%，且套箍系数的提升随着混凝土强度等级增加而增加，在混凝土强度等级为C70 时，原CFST 的套箍系数已经低于当前的行业规范，发生脆性破坏，但增加配筋后的CCFST 均表现出较好的延性与强度。

方形和矩形CFST 对核心混凝土虽然有套箍作用，但约束并不均匀，体现在由于角部混凝土刚度大， 且两侧垂直方向上钢板提供的拉力对核心混凝土形成强约束，所以角部约束能力较强。 截面中部主要依靠钢管中部的抗弯刚度和钢管边的拉力，但拉力的合力较小，所以截面中部的约束作用较弱。 郑亮[10]等在方钢管混凝土中内置螺旋箍筋，提高对核心混凝土的约束能力， 进一步提高较方钢管混凝土的极限承载能力和变形能力， 由于方钢管对核心混凝土的约束作用不明显， 增加螺旋箍筋后的承载能力普遍能提升20%—40%。且试验表明， 提升箍筋的直径对试件的承载力提升仅仅4%以内， 但减小箍筋间距却能提升15%左右的承载能力， 显然后者是提升试件承载能力更为有效的方法。 当圆形钢管填充高强度混凝土时，薄壁钢管容易发生局部失稳破坏， 导致钢管无法对核心混凝土起到应有的约束作用。侯敏[11]等在圆钢管和方钢管中分别设置环形螺旋箍筋和方形螺旋箍筋，具体为方管加方箍，圆管加圆箍和方管加圆箍三种类型。 试验结果显示，圆形钢管最终破坏形态一般均为剪切破坏，随着混凝土强度等级的上升，钢管发生的变形越小。 方形钢管破坏一般沿钢管上部发生两三处局部鼓曲，但发生形变位置各异，混凝土强度变化对方钢管的变形影响较小。CCFST破坏时螺旋箍筋均发生明显形变， 在混凝土压碎区能观察到箍筋发生断裂。 当构件的含钢率提高时，可以发现延性改善，构件的弹塑性阶段明显延长，且峰值后下降速度放缓，残余承载力也有所提高，方形构件的变化速率高于圆形，设置螺旋箍对试件在弹塑性阶段的影响明显， 体现在含钢率越高，变化发展速率越低。 试验中，所有构件的承载力均随着混凝土强度和含钢率增大而提升， 含钢率对承载力的提升效率低于混凝土强度， 内部配置圆形箍筋的构件承载力也明显优于方形箍筋。

林佳鑫[12]等在方钢管中填充超高强混凝土，测试了三根填充为112MPa 高强混凝土的含螺旋箍筋的SCCFST 和一根普通CFST 的轴压性能，试验结果证明在混凝土强度达到112MPa 后，增加螺旋箍筋已经几乎不能改变构件的承载峰值， 但能有效的提升构件在承载力达到峰值后的残余性能，普通CFST 在达到承载力峰值后，破坏形态呈现出明显的脆性， 螺旋箍筋对核心混凝土的约束效果使得核心混凝土对方钢管的焊缝的挤压延缓。 混凝土在破坏后的残余性能有所提高， 提升螺旋箍筋的体积配筋率和屈服强度对峰值后性能也有所提高。 陈宗平[13]等对比23 个内置螺旋箍筋的方钢管CCFST 的轴压性能后， 提出了工程中较为合理的配筋方式， 试验发现当螺旋箍筋的箍直径D 和方钢管宽度B 的比值D/B 在0.6—0.9 之间时，承载力几乎随着比值的增大而增大，但在0.8 时的贡献效率高于0.9，所以合适的比值在0.8—0.9。箍筋的间距s 在20—60mm 之间时，承载力随着间距的增大而减小，在60—100mm 之间，承载力几乎不发生太大变化，一般取20—60mm 之间。 对应的箍环直径D 和间距S 的比值D/S=3—9。谭秋虹[14]等对多根方钢管螺旋箍筋柱进行了偏压试验， 试验结果表明增加螺旋箍筋后的CCFST 与普通CFST 的承载性能和破坏形态相似， 表现为整体的压弯破坏和局部钢管的屈曲， 增加螺旋箍筋可以改善承载和变形的能力，延缓钢管壁发生屈曲的速度。 钢管的壁厚和偏心率对CCFST 承载力影响较大， 偏心率越大，承载力越差，增加钢管的壁厚，承载能力和延性都随之明显改善。 改变螺旋箍筋间距，径宽比及长细比，对承载力的影响较小。

部分国内对于内置螺旋箍筋CCFST 承载力计算可见表1。

表1 内置螺旋箍筋CCFST 承载力计算

图1 公式中符号解释

以上公式都给出了公式适用的参数范围，作为经验公式， 仍然需要大量试验和工程案例进行分析。 张玉芬与陈宗平均将螺旋箍筋与钢管提供的约束分组进行计算后汇总， 但陈宗平提出的方钢管“拱”效应的分区方法更细致，侯敏将螺旋箍筋约束等效外部钢管计算，公式更加简洁。 上述公式很少考虑螺旋箍筋对钢管约束后的混凝土和普通混凝土约束作用的差异， 大多都是将CCFST 割裂成几个部分承载力相加， 部分公式未能全面考虑钢管混凝土统一理论[1，3]中认为的钢管混凝土柱的整体性和连续性。 实际试验中构件各个组成部分组合后的相互作用考虑不够充分， 可以利用数值模拟等技术，模拟各部分材料之间的相互作用，将CCFST 作为一个整体去考虑而不是分区考虑承载力， 设计更精确的公式有利于提高实际工程中的安全性和造价控制。

根据现有的研究可以认为， 增加螺旋箍筋可以认为在普通CFST 内部增加一个有空腹的钢管，缩小箍筋间距和增加箍筋的直径都可以认为是对此钢管的“壁厚”增加或“空腹”减少，理想化的螺旋箍筋间距缩小为0 时就是一个“钢管”，对钢管壁厚的增加是最直接增加CFST 轴压能力和偏压能力的方法。 此外还可以改善延性，而增加螺旋箍筋不仅改善了CFST 的承载能力和延性，还节约了钢材的用量，但研究表明偏压情况下，还是增加壁厚是最有效提升承载力的方式，在轴压情况下，使用螺旋箍筋是更优的选择。

1.2 方钢管中设置加劲肋

CFST 在受压状态下容易发生钢管的局部屈曲，很多学者为了改善这种情况，在CFST 中设置约束拉杆、 角部隅撑和设置纵向加劲肋等构造措施，对CFST 进行再约束，但约束拉杆和角部隅撑等施工工艺比较复杂， 在实际工程中应用比较困难， 所以在此对设置纵向加劲肋这种比较易于施工的方法进行总结。 设置纵向加劲肋可以在对部分非一体成型钢管的焊接时， 如四个内扣U 型钢板焊接而成的方钢管， 其部分向内弯曲部分作为加劲肋，帮助钢管焊接更具整体性，更加充分发挥钢管抗压、抗弯等力学性能。

近10 年，比较常用的约束措施是在方钢管的CFST 中设置加劲肋，李斌[21]等对比了26 根不同的带肋CCFST 和普通CFST，发现带肋的承载能力普遍提升，且最高能达到25%，试验还设置了钢管壁单侧单、双以及三肋的对照，试验证明，加劲肋的数量对发生破坏时的变形形态影响较大，无肋CFST 会发生横向鼓曲变形， 单双肋则变成发生半波形鼓曲，三肋时加劲肋和管壁一起向外发生鼓曲。在钢管宽厚比小于80 时，加劲肋的宽度对承载力影响较大，且宽度越大，承载力越高。 在钢管宽厚比达到100 以后，加劲肋的个数影响较大，双加劲肋的承载力明显优于单肋， 对钢管的屈曲有明显的延缓。

杨有福[22]等在方钢管中填充高强混凝土，分别设置了多种加劲，在进行了轴压试验后，发现设置了约束措施的CCFST 的承载力均比普通CFST 要高，最高可达到28.4%，相对较好的改善方式是T形钢板肋和带圆孔斜拉钢板肋。 除了承载力，延性和弹性模量也均有提升， 其中改善效果显著的方式是设置单排钢板肋。李斌[23]等又将加劲肋设置在方钢管长柱中， 设置加劲肋的CCFST 相对于普通CFST 承载力提升可达到15%，设置加劲肋不仅延缓了方钢管的局部屈曲变形， 还提升了整体中长柱的稳定系数。 对中长柱来说，宽厚比对承载力的影响最为明显， 承载力会随着宽厚比的增大而降低， 加劲肋的长细比和高厚比也对承载力有所影响，表现为长细比增大承载力降低，高厚比增大承载力增大， 而柱长细比在目前数据中对承载力影响不大。 徐兵[24]等对比方钢管中直肋和开孔肋，提出二者均能提高构件承载力， 开孔肋相比直肋的延性更优，使核心混凝土损伤范围变大。

设置加劲肋是一种简单高效的约束方法，作者认为在加劲肋的种类和材料选择也可以是一个新的研究方向， 传统观念上加劲肋一般都选择与管壁同种材料的钢材， 但现在越来越多的新型材料被发明出来，部分非钢材加劲肋[25]已经在其他构件中有所应用， 可以以将不同材料制作的加劲肋用于约束CCFST，研究其强化的效果。

1.3 内置FRP 约束

随着材料科学技术的发展， 新型纤维增强复合材料（FRP 材料）因为其各类优秀的性能被做成布状、筒状、筋状等形态被运用于建筑施工中，在CFST 中， 也有很多FRP 材料被运用设置在其内部，对核心混凝土进行加强约束。

李帼昌[26-27]等最早在方钢管CFST 中放置圆形CFRP 管并浇筑高强混凝土，将截面面积中含钢率和CFRP 管与钢管截面面积之比作为变量进行轴压试验， 试验结果表明CCFST 的承载力随着含钢率和CFRP 管与钢管截面面积之比的增大而提高，并推导出承载力公式。 之后，又以偏心距，含钢率和CFRP 管材制作时层数（相对设置率）作为变量进行了偏压试验，试验结果表明CFRP 材料线性很好，抗压抗拉能力强，但相对钢筋延性较差。 大偏压构件压侧内外管协同工作较好， 小偏心受压构件拉侧内外管协同工作性能较好。 偏心距不变的构件在不同的荷载下，中和轴在较小的区域移动，并向加载侧靠近，随着偏心距增加，中和轴位置和受压位置越发靠近。构件的含钢率和CFRP 层数增大，承载力越强，钢管壁厚小于6mm 及CFRP 在2层以内，每提升1mm 壁厚或1 层CFRP，二者对承载力的影响都在10%以上。 偏心距越大，承载能力越差，偏心距增加7.5%，承载力下降20%。 刘耀明[28]等在方钢管中设置了CFRP 管并填充了再生混凝土，在对其进行轴压试验后发现，CCFST 在轴压试验中出现两次峰值承载力， 分别出现在整体弹塑性阶段末尾Nb 和核心混凝土增强末尾Nd，钢管壁厚的宽厚比尽可能小于2.03， 避免过早发生局部屈曲。增加CFRP 管有效提升了构件承载力和延性，内部管断裂后构件整体承载力没有骤降，其CFRP 柱破坏显示脆性被改善，再生骨料的取代率对承载力影响不大， 说明增加CFRP 管提供的约束，使其力学性能得到改善，试验提及两个峰值若能通过调整，做到靠近或重合，承载力可能进一步得到提升。

刘昕鹤[29-30]等将工字形CFRP 型材放入方钢管CFST 中，轴压试验后发现对极限力有显著的提升，该试验类似钢骨钢管混凝土的原理，由CFRP 型材和方钢管共同约束混凝土， 工字形型材的腹板和翼缘对核心混凝土起到了约束作用， 对钢管平板处约束较小。 对于中长柱而言，长细比对构件的承载力影响最大，具体为长细比每增加11.5，柱的承载力最大下降10.26%。CFRP 型材能提升构件的变形及承载能力，对刚度影响较小。 张硕[31]等在进行偏压试验时发现， 偏心率对构件的极限承载力及初始刚度影响较大，偏心率越大，二者均下降，加入型材后构件极限承载力显著改善， 约束强弱特征和轴压时基本一致。

目前，FRP 材料在作为筒状和型材都在CFST内部增加对核心混凝土增加约束， 目前还没有很多关于FRP 筋在CFST 内部的应用，结合肖良丽[32-33]等已经将FRP 筋用于提升柱和梁等构件的性能，作者认为相比管材，FRP 筋的造价低，合理布置也能有效提升CFST 性能，因此，FRP 筋应该在CCFST 上具有很好的发展前景。

2 总结与展望

随着科技的进步，人口的日益增长，土地等资源会越发匮乏， 未来对高层建筑或者地下多层建筑的需求一定会日益增长[34]。对建筑物构件的承载力要求提升，却不占据过大空间，在此条件下，提升承载力大致可从材料和结构两方面入手。

在过往实验中，对CFST 的约束往往是较为单一的，对其力学性能的增加也比较有限，如在内部设置螺旋箍筋时， 通常只考虑螺旋箍筋的强度和分布形式， 很少将螺旋箍筋加强的CCFST 和使用额外加强手段的螺旋箍筋CCFST 进行力学性能比较， 如同时设置板上加劲肋与螺旋箍筋的组合方式， 二者在此基础上不同的设置形式如空腹式加劲肋设置于钢管上的同时， 螺旋箍筋是穿过空洞布置的效果好，还是紧贴加劲肋外沿布置效果好？随着科技的进步， 不同组合效果的细分研究也需要推进，在未来更高精度更高要求的工程中，需要具体的组合加强方案。

在混凝土强度较高的CFST 中， 增加配筋、螺旋箍筋等内部约束的方法和外包FRP 等外部约束的方法都能提高构件的性能， 作者认为内外同时进行约束的不同组合，可以实现1+1>2 的效果，是未来努力研究的方向之一。 钢筋在CCFST 内部也有更多形式，比如高强箍筋[41]在今天工程中也大量应用，对构件的承载力提升十分显著。 再者，多重螺旋箍筋[42]的设置形式的研究也表明能提升构件的承载能力， 将来多重螺旋箍筋设置在CCFST 中提高其承载能力与延性是可以期待的。

在倡导环保的今天， 土木工程近千年的发展历程中产生了大数量的建筑垃圾， 对于再生混凝土的利用备受瞩目，针对再生混凝土[43-46]的力学性能上的缺点如强度低等， 可以通过外包钢筋或FRP 的CCFST 来进行强化其承载力、抗震等性能。为了保护淡水资源， 对海水海砂的利用也越发受人瞩目， 作者认为可以使用FRP 制作的筋和管材来替代CCFST 中的钢筋和钢管， 防止海水海砂对钢筋锈蚀，增加港口工程的耐久性和安全性。

目前投入工程使用的CCFST 案例仍然数量较少，需要进一步探索CCFST 的使用方法，以期在未来的建筑中更广泛的使用。