鋼管約束混凝土的研究應(yīng)用與發(fā)展

馮兆琦 余志偉 段方正

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.中建三局集團(tuán)有限公司,北京 100097；3.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

·建筑材料及應(yīng)用·

鋼管約束混凝土的研究應(yīng)用與發(fā)展

馮兆琦1余志偉2段方正3

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.中建三局集團(tuán)有限公司,北京 100097；3.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

介紹了鋼管約束混凝土的概念、類型及研究現(xiàn)狀，結(jié)合在建筑工程中的應(yīng)用，分析了其所具有的優(yōu)勢和不足，并提出了未來的研究方向，有利于促進(jìn)鋼管約束混凝土在工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用。

鋼管約束混凝土，抗震性能，承載能力

0 引言

在當(dāng)今社會中，隨著高層建筑以及大跨度結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn)，鋼管混凝土這一結(jié)構(gòu)得到了極大的推廣，并且現(xiàn)在有了長遠(yuǎn)的發(fā)展。其中，鋼管約束混凝土作為鋼管混凝土的一個重要分支，更是吸引了眾多研究者和研究機構(gòu)的關(guān)注。影響鋼管約束混凝土承載能力的因素較多，國內(nèi)外學(xué)者雖然對其做過許多研究，但是往往只側(cè)重于單一方面，不可能考慮到所有的問題。系統(tǒng)的總結(jié)鋼管約束混凝土的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，對于加深當(dāng)前人們對其性能的了解，并以此為基礎(chǔ)開展下一步工作具有重要意義。

1 鋼管約束混凝土的概念及分類

鋼管混凝土是一種鋼管和混凝土組合結(jié)構(gòu)，自19世紀(jì)80年代被首次應(yīng)用于橋墩以來，以其優(yōu)越的性能和經(jīng)濟(jì)的造價獲得了極大的認(rèn)可。鋼管混凝土通過套在混凝土外側(cè)的鋼管的包箍作用使混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)，因而限制混凝土的開裂，同時利用混凝土高于鋼管的承載力來限制鋼管的內(nèi)屈曲變形。通過這一結(jié)構(gòu)形式使二者的優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮，并且最大化的彌補了各自的劣勢。

根據(jù)鋼管混凝土不同的受力機理，我們可以將其定義為以下兩種類型：一種是組成鋼管混凝土的鋼管和混凝土受荷初期，即共同受力的類型；第二種是外加荷載反作用在核心混凝土上，鋼管只起到約束其核心混凝土的作用的類型。鋼管約束混凝土則輸入上述第二種類型。

一般情況下，我們可根據(jù)削弱鋼管承擔(dān)縱向壓力的方式，將鋼管約束混凝土分為三類：截斷式鋼管約束混凝土構(gòu)件、穿孔式鋼管約束混凝土構(gòu)件和切槽式鋼管約束混凝土構(gòu)件。截斷式鋼管約束混凝土構(gòu)件是最先被提出的一類設(shè)想，它通過在構(gòu)件的節(jié)點端截斷一段鋼管，使未截斷鋼管不直接承受縱向壓力。日本的Soto等提出了穿孔式鋼管約束混凝土構(gòu)件這一概念，該概念中沒有通過截斷的方式，而是在節(jié)點附近的鋼管上打上一圈孔洞，當(dāng)鋼管最初承受縱向壓力時，孔洞部位鋼管因為受到了削弱而率先發(fā)生屈曲，從而使傳向起約束作用的鋼管的縱向壓力大幅降低。綜合以上兩種方法，我國的韓金生提出了切槽式鋼管約束混凝土構(gòu)件，將鋼管整體設(shè)置環(huán)形或螺旋形切槽，使鋼管受壓時既能通過屈曲降低其縱向壓力，又會使鋼管不至于因變形喪失橫向約束能力。目前，截斷式鋼管約束混凝土構(gòu)件得到了較大推廣，后兩者則更多的處于理論分析階段。

2 鋼管約束混凝土的優(yōu)點

關(guān)于鋼管約束混凝土的優(yōu)點，主要從其結(jié)構(gòu)性能、工程應(yīng)用以及構(gòu)件連接三個方面進(jìn)行論述。

1)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越。鋼管與混凝土相比，其泊松比在達(dá)到一定的限值后不會繼續(xù)變化，而混凝土泊松比在達(dá)到這一限值后會繼續(xù)增大，因此鋼管會對混凝土起到橫向約束作用，使結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的塑性和抗震性能。鋼管約束混凝土對鋼管的節(jié)點周圍都進(jìn)行了弱化處理，由于混凝土明顯高于鋼管的抗壓承載力，所以可避免鋼管因承受過大的縱向壓力發(fā)生屈曲，喪失約束能力。

2)工程應(yīng)用性強。當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)越來越向超高層以及大跨度發(fā)展，受此影響，單柱的承載力也在不斷增高。但是由于繼續(xù)采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱需要的尺寸過大，因而會對建筑的外觀及使用產(chǎn)生負(fù)面的影響。若采用鋼管約束混凝土柱，由于相同截面的柱的承載力較鋼筋混凝土柱有大幅的提高，這對于減小結(jié)構(gòu)對使用空間的占用，保證結(jié)構(gòu)的靈活性具有重要的意義。同時，鋼管可以作為混凝土的模板，也會節(jié)省澆筑混凝土?xí)r模板制作、安裝、拆除的費用，降低工程造價。

3)構(gòu)件連接方便?，F(xiàn)有的研究大多是以鋼管混凝土柱單體作為研究對象，忽略了節(jié)點處與梁的連接。鋼管約束混凝土柱特別是截斷式鋼管約束混凝土柱因為在節(jié)點區(qū)采用了截斷，很好的解決了梁與柱連接的問題。

3 鋼管約束混凝土的研究現(xiàn)狀

雖然鋼管混凝土早在19世紀(jì)末就已經(jīng)出現(xiàn)并被應(yīng)用于工程當(dāng)中，但是鋼管約束混凝土這一概念直到20世紀(jì)中期以后才逐漸被人們提出。前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn)arenin和Renskiy最早進(jìn)行了鋼管混凝土軸壓試件在不同加載模式下的實驗，我國的陳肇元和蔡紹懷也分別展開了類似的研究。1985年，日本的Tomii，Sakino和我國的肖巖等首先提出了鋼管約束混凝土這一概念，并將其命名為超級鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或套管柱。隨后，國外學(xué)者對這一結(jié)構(gòu)展開了大量的研究，他們對加載方式、混凝土等級、軸壓比、鋼管的徑厚比、削弱鋼管縱向壓力的方式、尺寸效應(yīng)等方面都展開了討論，論述了其對鋼管約束混凝土性能的影響。我國的孫玉平、肖言、于清、韓林海等也陸續(xù)展開過對鋼管約束混凝土的研究。2003年以來，哈爾濱工業(yè)大學(xué)對鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也進(jìn)行了深入和系統(tǒng)的研究。通過分析總結(jié)過去的成果，目前國內(nèi)外關(guān)于鋼管約束混凝土的研究可分為以下三類：

1)鋼管約束混凝土的靜力性能研究：國內(nèi)外的眾多學(xué)者在近幾十年來針對鋼管約束混凝土的靜力性能開展了大量的實驗并進(jìn)行了理論分析，分別提出了各類鋼管約束混凝土柱的承載力的計算方法，將其成功推廣到工程設(shè)計當(dāng)中。

2)鋼管約束混凝土的抗震性能研究：鋼管約束混凝土這一結(jié)構(gòu)可以得到推廣，除了具有更高的承載能力，優(yōu)秀的抗震性能也是一個重要的原因。眾多的學(xué)者通過實驗發(fā)現(xiàn)，鋼管約束混凝土可以有效提高柱的延性、變形能力和耗能能力，使其具有良好的抗震性能。

3)節(jié)點區(qū)的研究：在實際工程中，鋼管約束混凝土柱往往是同梁連接共同受力的，但是柱的性能過強，便會造成“強構(gòu)件弱節(jié)點”這一與設(shè)計規(guī)則相悖的問題。因此，國內(nèi)外學(xué)者對節(jié)點區(qū)的連接構(gòu)造也展開了研究，得出了一系列行之有效的方法。

4 鋼管約束混凝土的應(yīng)用

在鋼管約束混凝土被應(yīng)用之前，其他更多的應(yīng)用集中于建筑加固這一層面，在近年來才開始運用于新的工程中。1987年，在大阪建設(shè)一幢高層建筑時，日本大林組建筑公司就首次將鋼管約束混凝土應(yīng)用于施工當(dāng)中，在其底層各柱采用了方鋼管約束鋼筋混凝土柱。在1991年，Yoshimura在方鋼管約束混凝土短柱抗震性能試驗研究的基礎(chǔ)上，對一棟加層的教學(xué)樓底部鋼筋柱進(jìn)行加固，效果顯著。同樣，在1999年，美國阿拉斯加交通局也采用了鋼管約束混凝土橋墩，首次將鋼管約束混凝土柱概念應(yīng)用于橋墩。在日本，于2006年建成的東京中央?yún)^(qū)的超高層住宅，為保證底部承擔(dān)很大荷載的超高強度混凝土柱的抗震性能，同樣采用了方鋼管約束混凝土柱。

近年來，隨著鋼管約束混凝土理論的完善，我國也出現(xiàn)了一批采用這一結(jié)構(gòu)的建筑。在2010年年底投入使用的大連市體育館因支撐上部大跨度屋面的框架柱截面較大，不能滿足抗震要求，且節(jié)點區(qū)連接復(fù)雜，所以采用了鋼管約束鋼筋混凝土柱。次年，在大連建成的大連中國石油大廈為滿足經(jīng)濟(jì)和建筑使用要求，也采取了鋼管約束混凝土柱。在黑龍江省博物館自然展廳項目中，為了滿足一組斜柱的承載能力和防火要求，采用了矩形和圓形鋼管約束混凝土斜柱。此外，丹東市體育場和大連市體育場的懸臂柱結(jié)構(gòu)也應(yīng)用了鋼管約束混凝土這一形式。

5 鋼管約束混凝土的不足

鋼管約束混凝土雖然具有良好的承載能力和抗震性能，但這些性能的增強也產(chǎn)生了相應(yīng)的缺點，亟待我們解決。首先，雖然可以通過在梁兩端加腋以及在節(jié)點區(qū)加密箍筋的方式來強化整體建筑中的梁柱邊節(jié)點和普通節(jié)點，但角節(jié)點也會因此出現(xiàn)整體剛度嚴(yán)重不均勻，需要我們提出更好的辦法進(jìn)一步加強。其次，因為鋼管約束混凝土澆灌屬于隱蔽工程，所以內(nèi)部混凝土的質(zhì)量無法直接檢查，且若通過超聲波檢測法或低應(yīng)變法檢測出結(jié)構(gòu)存在不密實，只能通過鉆孔壓漿的辦法進(jìn)行補強，整體工序相對復(fù)雜。因此采用鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)時，需要對施工、工藝以及檢測進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)。

6 結(jié)論與展望

鋼材和混凝土是現(xiàn)代建筑業(yè)中使用最多的兩種材料，使其在結(jié)構(gòu)中合理有效的結(jié)合，對于在當(dāng)前這個社會中實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和結(jié)構(gòu)安全的統(tǒng)一具有重要的意義。綜合過去的成果以及工程中的應(yīng)用需求分析，今后有關(guān)鋼管約束混凝土的研究可以從以下四個方面開展：

1)鋼管約束混凝土在火災(zāi)中及火災(zāi)后的性能研究。2)鋼管約束混凝土長柱壓彎構(gòu)件的靜力性能及抗震性能的研究。3)長期荷載作用下鋼管約束混凝土構(gòu)件的性能研究。4)鋼管約束混凝土與其他構(gòu)件協(xié)同受力作用下的性能研究。

[1] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2000:1.

[2] 周緒紅，劉界鵬.鋼管約束混凝土柱的性能與設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2010:13-16,284-304.

[3] Sato T. Studies on un-bond concrete filled steel tubular structures[C].Proceedings of JCI Annual Conference.August,1986：1417-1424.

[4] 韓金生，王立一，王雪雯.切槽式鋼套管混凝土柱的承載性能研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,32(4):80-85.

[5] 劉景云，孫建波.粘貼對鋼管約束混凝土短柱軸壓力學(xué)性能影響[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010,42(8)：1211-1215.

[6] 周緒紅，閆 標(biāo).圓鋼管約束鋼筋混凝土梁柱水平加腋節(jié)點軸壓力學(xué)性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2013,34(S8)：59-65.

The research application and development of steel tube confined concrete

Feng Zhaoqi1Yu Zhiwei2Duan Fangzheng3

(1.CivilEngineeringandArchitectureCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.ChinaRailwayThirdBureauLimitedCompany,Beijing100097,China;3.ChinaConstructionEighthEngineeringBureauLimitedCompany,Shanghai200120,China)

This paper introduced the concept,types and research status of steel tube confined concrete,combining with the application in construction engineering,analyzed the advantages and disadvantages of it,and put forward the future research direction,was conducive to promote the promotion and application of steel tube confined concrete in engineering construction.

steel tube confined concrete,seismic performance,bearing capacity

2015-10-16

馮兆琦(1991- )，男，在讀碩士；余志偉(1991- )，男；段方正(1992- )，女

1009-6825(2015)36-0105-03

TU528 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

A