钢管混凝土柱优化设计方法研究进展

2023-08-02孙玉涛胥献忠

中国建筑装饰装修 2023年13期

孙玉涛胥献忠

近年来，方（矩）形钢管混凝土结构在工程应用日益广泛。但是，对于方钢管混凝土结构来说，方钢管提供的约束力较不均匀，角部混凝土受到的约束较强，边中部混凝土受到的约束较弱，在轴压荷载下，管壁易较早出现局部屈曲。为了改善方钢管混凝土这一缺陷，研究者对其进行了添加不同构造措施的探索。本文主要从方钢管混凝土柱、带肋方钢管混凝土柱和带约束拉杆方钢管混凝土柱这三大方面的研究现状进行总结和分析。

1 方钢管混凝土柱的研究现状

1.1 方钢管膨胀混凝土柱研究现状

为了改善普通钢管混凝土在受力时紧箍力出现较晚的情况，在配置混凝土的时，加入适量的膨胀剂，使方钢管和混凝土受力前就产生紧箍力，二者作为一个整体一同承受荷载，从而提高试件的极限承载力。

卢方伟等[1]研究显示，在轴压荷载下，当荷载接近极限荷载时，钢管对核心混凝土开始产生约束效应，且约束效应主要集中在两对角区域；在偏压荷载下，方钢管膨胀混凝土柱表现出良好的弹塑性工作性能和延性性能，其极限承载力比普通方钢管混凝土柱提高了3%～12%，且承载力随着偏心率增大而降低，当偏心率一定时，试件极限承载力随含钢率增大而增大。

但是，与普通方钢管类似，方钢管膨胀混凝土柱的约束效应也集中在角部区域，并没有增强其对核心混凝土的约束作用，易产生局部屈曲的问题也并没有得到改善。

1.2 内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土柱研究现状

内置CFRP 圆管的方钢管高强混凝土柱指的是将CFRP 圆管的圆心置于方钢管的几何中心，再浇筑高强混凝土而形成的结构。

李帼昌等[2]研究表明，内置CFRP 圆管有效约束了核心混凝土，改善了方钢管易出现角部应力集中的现象，使3 种材料能够较好地协同工作；试件承载力随CFRP 圆管与钢管配置率的增加而增大；当承载力相同时，与方套圆中空夹层钢管混凝土柱相比，内置CFRP 圆管的方钢管高强混凝土柱的经济性能更为优越。

但在实际工程施工时，一方面要确保CFRP 圆管几何中心和方钢管的几何中心重合，且在浇筑混凝土时不移位，另一方面要确保试件内浇筑混凝土的质量，在一定程度上，增大了施工难度，对施工质量要求较高。此外，内置的CFRP 圆管不利于核心混凝土的散热。

1.3 型钢—方钢管自密实高强混凝土柱研究现状

型钢—方钢管自密实高强混凝土柱是在方钢管中填充自密实高强混凝土和型钢而形成。

王清湘等[3]研究结果表明：设置型钢能有效地延缓高强混凝土中剪切裂缝的产生，从而提高了构件的延性；自密实混凝土不用振捣也可以达到自密实的效果，并不影响构件力学性能的实现。此外，还推导出了型钢—方钢管自密实高强混凝土轴心受压短柱的承载力计算公式。朱美春等[4]试验研究发现，在试件轴压比相同的前提下，加入型钢可以大幅度提高组合柱的耐火极限；与内置CFRP 圆管不同，内置型钢并不能有效改善方钢管对核心混凝土的约束作用，且内置型钢需要的用钢量较大，其经济性有待进一步研究。

2 带肋钢管混凝土柱研究现状

2.1 带肋方钢管混凝土柱

带肋方钢管混凝土柱是在截面内每边焊接纵向加劲肋形成的结构，其截面形式如图1 所示。

图1 带肋方钢管混凝土柱（来源：作者自绘）

赵均海等[5]根据统一强度理论，推导出了带肋方钢管混凝土短柱的极限轴压承载力计算公式，并利用公式对相关试验进行计算，计算结果与试验结果者吻合较好。此外，与普通钢筋混凝土柱相比，带肋方钢管混凝土柱的综合效益良好。

通过对方钢管内部焊接纵向加劲肋，削弱了方钢管的角部应力，提高了钢管对混凝土的约束作用，减小试件局部屈曲的波长，显著提高了方钢管混凝土柱的极限承载力和延性。

2.2 开孔钢板（PBL）加劲型方钢管混凝土短柱

开孔钢板加劲型方钢管混凝土柱是加劲肋沿纵向等距开孔，其截面形式如图2 所示。

图2 开孔钢板加劲型方钢管混凝土短柱（来源：作者自绘）

刘永健等[6]研究表明：PBL 加劲型方钢管混凝土轴压短柱破坏模式与加劲肋刚度有关，当不完全加劲时，管壁呈“单波”鼓曲，与无肋钢管混凝土柱的破坏模式相近；当完全加劲时，管壁呈“双波”鼓曲；未加劲、PBL 加劲肋、钢板加劲肋的构件承载力依次增大。

通过对加劲肋开孔，增强钢管混凝土界面黏结强度，防止钢管混凝土界面的脱空和减小二者之间相对滑移，有效改善节点性能和钢板抗局部屈曲性能，提高套箍效应。与一般带肋方钢管混凝土相比，PBL 加劲型方钢管混凝土的施工要复杂一些，其经济性还有待研究。

2.3 带肋的异形钢管混凝土柱

在普通T 形、L 形钢管混凝土柱截面的中部或薄弱区增设加劲肋，形成带肋的异形钢管混凝土柱，其截面形式如图3 所示。

图3 带肋的异形钢管混凝土柱（来源：作者自绘）

沈祖炎等[7]对L 形钢管混凝土短肢柱进行了轴压研究，指出加劲肋的设置可以有效延缓管壁屈曲发生，减少屈曲波数，从而改善柱子的延性，但不能提高其承载力。林震宇等[8]研究表明，加劲肋的设置对L 形钢管混凝土长肢柱的承载力及延性均无明显影响。

与带肋方钢管相似，加劲肋的设置将增强管壁的侧向刚度，延缓管壁局部屈曲的发生，提高对核心混凝土的约束作用，从而提高构件的延性。由于对异形钢管混凝土设置只能改善构件的延性，而对其承载力提高基本不起作用，在工程中使用比较局限，且不够经济。

3 带约束拉杆钢管混凝土柱研究现状

3.1 带约束拉杆方钢管混凝土柱

为了弥补方钢管混凝土的不足，沿构件纵向截面上等间距设置一定数量的约束拉杆，带约束拉杆方钢管混凝土柱截面形式如图4 所示。

图4 带约束拉杆方钢管混凝土柱（来源：作者自绘）

何振强等[9]研究结果表明，设置水平约束拉杆不仅能延缓甚至避免钢管在达到屈服前发生失稳性的局部屈曲，而且能使钢管对核心混凝土的约束作用得到提高；随着约束拉杆纵向间距的缩小，试件极限承载力和对应的应变随之增大。蔡健、何振强等[10]基于能量变分法并假定非载荷边为弹性约束边对钢管局部屈曲强度计算公式进行了推导，并给出了约束拉杆纵向间距的合理设置值和外钢管的宽厚比限值，以便工程使用。

通过对方钢管设置水平约束拉杆可延缓管壁在钢管屈服前发生鼓曲变形，增强对核心混凝土的约束作用，从而提高了试件的极限承载力和延性。但在约束拉杆之间的区域会出现弹塑性局部屈曲现象，削弱对内填混凝土的约束作用，从而影响构件后期的力学性能。

3.2 带约束拉杆的异形钢管混凝土柱

在普通T 形、L 形和十字形钢管混凝土柱各边等间距设置横向拉杆组成带约束拉杆的异形钢管混凝土柱，其截面形式如图5 所示。

图5 带约束拉杆的异形钢管混凝土柱（来源：作者自绘）

龙跃凌等[11]试验研究表明，设置约束拉杆不仅能限制钢板侧向变形，提高了构件的极限承载力；而且能显著改善钢管阴、阳角边及短边对核心混凝土约束的不均衡性，延缓或甚至避免钢管在达到屈服前发生局部屈曲，明显提高了试件的延性。孙刚等[12]在试验研究的基础上，并通过分析带约束拉杆L 形钢管混凝土柱的受力机理，建立了带约束拉杆L 形钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式。

赵均海等[13]对带约束拉杆十字形钢管混凝土短柱进行了轴心受压试验，指出构件承载力随拉杆间距和钢管宽厚比的增大而减小；拉杆横向间距越大，纵向间距对承载力影响越小；拉杆直径对承载力的影响不明显，这与龙跃凌等[11]研究得到的结论一致。

王培友等[14]数值模拟分析表明，设置约束拉杆的T 形钢管混凝土短柱可以减小阴角处应力较大的范围，减轻构件管壁的鼓曲现象，提高对核心混凝土的约束作用，从而提高构件整体的极限承载力和刚度。

通过对异形钢管设置拉杆，增强管壁对核心混凝土的约束作用，延缓管壁的局部鼓曲，提高构件的承载能力及延性。但是，凸出于管壁的拉杆和螺栓会影响建筑的美观性，后期需要进行处理。

3.3 劲化方钢管混凝土柱

仅设置约束拉杆的钢管混凝土柱约束拉杆之间的区域会出现弹塑性局部屈曲现象，削弱对内填混凝土的约束作用。为改善仅设拉杆钢管混凝土柱的不足，提出劲化方形截面钢管混凝土柱，其立面图和截面形式如图6所示。

图6 劲化方钢管混凝土柱（来源：作者自绘）

蔡健等[15]研究结果表明：劲化带的设置使钢管壁对核心混凝土的约束作用更趋均匀，改变了钢管的局部屈曲变形状态，明显提高了方钢管混凝土柱的轴压承载力和变形能力。根据劲化方形截面钢管混凝土短柱的受力分析，提出了劲化方形截面钢管混凝土短柱轴压承载力计算式。郑新志等[16]研究发现：劲化带宽厚比对带约束拉杆方形钢管混凝土试件的轴压性能影响显著，随着劲化带宽厚比的减小，试件的承载力增大，试件发生局部屈曲时对应的纵向应变增大，延性系数增大。

与其他对方钢管混凝土柱的改进措施相比，通过对方钢管混凝土柱合理设置劲化带与约束拉杆，可以在增加较少用钢量又不增加施工难度的前提下，最大限度地减缓约束拉杆之间弹塑性屈曲，提高管壁的侧面约束能力，改善柱的力学性能，是比较理想的一种组合结构。

4 工程应用

钢管混凝土是一种具有相当长历史的组合结构。英国在1879 年修建的Severn 铁路桥桥墩是最早采用钢管混凝土的工程之一，当时内填混凝土的目的是为了防止钢管内部锈蚀。直到20 世纪60 年代初，钢管混凝土结构在我国修建北京地铁站台柱时才首次被应用。从20 世纪80 年代开始，我国对钢管混凝土结构的研究工作进一步深入，并增加其在实际工程中的应用。其中，带约束拉杆的钢管混凝土在实际工程中应用较为广泛，如在名汇商业大厦建造过程中，采用了带约束拉杆的异形钢管混凝土柱，既充当剪力墙内的暗柱，又与剪力墙混凝土复合成为核心筒的一部分。在新中国大厦的结构设计中，为改善较小直径的圆柱其截面惯性矩及刚性偏小、与剪力墙核心筒刚度欠协调的情况，采用了带约束拉杆方钢管混凝土柱。这种改进型的带约束拉杆方钢管混凝土柱不仅减少了钢结构的防火费用，而且与普通钢筋混凝土柱相比，极大缩减了柱占用面积，增大了使用空间。