鋼管混凝土短柱軸壓性能研究現(xiàn)狀綜述

王思宇

(成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

0 前 言

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成且鋼管及其核心混凝土能共同受外荷載作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。該組合結(jié)構(gòu)是考慮鋼管和混凝土兩種材料在受力過(guò)程中的相互作用，即鋼管對(duì)其核心混凝土的約束作用，使混凝土的強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性性能大為改善。同時(shí)，由于核心混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，從而可以保證其材料性能的充分發(fā)揮。隨著學(xué)者對(duì)鋼管混凝土研究的不斷深入，鋼管混凝土被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于建筑、橋梁、大跨及高聳結(jié)構(gòu)中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和建筑效果。

如今地震是危及人類生命財(cái)產(chǎn)最嚴(yán)重的突發(fā)性自然災(zāi)害之一。近二十年來(lái)發(fā)生的強(qiáng)烈地震，如1994年的北嶺地震、1995年的阪神地震、2008年的汶川地震等，造成了大量的人員傷亡、慘重的工程結(jié)構(gòu)破壞和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在大地震背景下，組合結(jié)構(gòu)具有比混凝土結(jié)構(gòu)更好的抗震性能，并且在結(jié)構(gòu)中柱作為豎向承力的主要構(gòu)件，是避免地震下結(jié)構(gòu)倒塌的最后一道防線，柱的抗震性能的好壞直接決定著整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，地震來(lái)臨時(shí)，柱的坍塌則會(huì)引起整體結(jié)構(gòu)的坍塌。但在地震作用下，鋼管混凝土柱可能發(fā)生端部鋼管壁屈曲，管內(nèi)混凝土被壓碎而失去承載能力?；谇叭说难芯?，若在方鋼管混凝土柱的端部采取加強(qiáng)措施，延緩或阻止端部鋼管壁的局部屈曲，將顯著提高方鋼管混凝土柱的承載力，改善柱的延性和抗震性能。因此，提高鋼管混凝土柱的抗震性能的研究顯得尤為重要。

1 鋼管混凝土軸壓破壞模式研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

蔡紹懷等[1]在1984年提出了鋼管混凝土軸壓短柱的工作機(jī)理，對(duì)57根鋼管混凝土軸心受壓短柱(L/D≤4)進(jìn)行研究，并推導(dǎo)了短柱極限強(qiáng)度的計(jì)算公式。試驗(yàn)表明，鋼管混凝土短柱強(qiáng)度很高且具有很好的塑性，套箍指標(biāo)是影響短柱強(qiáng)度承載能力和變形能力的主要因素。

鐘善桐[2]在1994年為了進(jìn)一步研究了鋼管混凝土的工作性能和承載力，首次提出了鋼管混凝土統(tǒng)一理論，推薦了統(tǒng)一設(shè)計(jì)公式，試驗(yàn)表明計(jì)算結(jié)果是偏安全的。

為了研究鋼管徑向變形對(duì)鋼管高強(qiáng)混凝土極限承載力的影響，周緒紅等[3]2000年進(jìn)行了21根不同套箍系數(shù)和不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)的圓鋼管混凝土軸壓短柱的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，當(dāng)套箍系數(shù)較小時(shí)，鋼管高強(qiáng)混凝土柱的極限承載力幾乎沒(méi)有提高；從混凝土剪切滑移變形的角度分析了鋼管對(duì)高強(qiáng)混凝土的約束效果低于普通混凝土的約束效果。

為了進(jìn)一步分析約束效應(yīng)系數(shù)和矩形截面長(zhǎng)寬比對(duì)鋼管混凝土柱軸壓力學(xué)性能的影響，韓林海等[4]2001年通過(guò)對(duì)24根矩形截面焊接鋼管混凝土短柱的軸壓試驗(yàn)研究，得到了鋼管混凝土短柱的抗壓承載力的提高程度與約束效應(yīng)系數(shù)之間沒(méi)有明顯的規(guī)律，但是承載力的提高程度會(huì)隨著截面長(zhǎng)寬比的減小而增加；而延性則隨著約束效應(yīng)系數(shù)的增大或者截面長(zhǎng)寬比的減小，呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。Han L H等[5]2008年對(duì)28根鋼管混凝土短柱軸向局部受壓性能進(jìn)行了研究，如圖1所示，試驗(yàn)表明，局部壓縮效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件柱承載力降低，而上端板通過(guò)抑制柱端截面的變形和擴(kuò)展局部受壓力可以改善局部受壓柱的整體性能。在2014年，Ren Q X[6]研究了具有異形截面包括鋼管混凝土柱和空心鋼管柱在內(nèi)的44個(gè)試件，分析了異形鋼管混凝土短柱在軸壓作用下的性能。試驗(yàn)表明，組合柱在中部附近呈現(xiàn)出向外的局部屈曲模型，由于鋼管對(duì)填充混凝土具有明顯的約束作用，構(gòu)件柱的截面強(qiáng)度和延性均有顯著提高。

圖1 鋼管混凝土柱軸向局部受力示意圖

張素梅等[7-8]2004年在試驗(yàn)中提出軸壓下鋼管混凝土短柱破壞模式存在腰鼓形和剪切性破壞，并且通過(guò)對(duì)12根圓鋼管普通混凝土和24根圓鋼管高強(qiáng)混凝土軸心受壓短柱的試驗(yàn)，得出鋼管普通強(qiáng)度混凝土多成腰鼓型破壞,鋼管高強(qiáng)混凝土多成剪切型破壞，如圖2所示。王玉銀和張素梅[9]在對(duì)軸心受壓下圓鋼管高強(qiáng)混凝土短柱的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)：鋼管對(duì)核心混凝土約束作用強(qiáng),則易發(fā)生腰鼓型破壞,反之則易發(fā)生剪切型破壞；且徑厚比不僅影響鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，而且決定了鋼管是否發(fā)生局部屈曲以及局部屈曲發(fā)生的位置和鋼材所處的應(yīng)力狀態(tài)。

(a)典型的腰部鼓屈破壞

王玉銀團(tuán)隊(duì)[10-12]在2011年做了一批在鋼管中填充再生混凝土的試驗(yàn)，研究表明鋼管再生混凝土軸心受壓試件均發(fā)生剪切破壞現(xiàn)象；鋼管的約束作用使得核心再生混凝土性能有所提高。在2014年，又采用剝離分析的方法，針對(duì)混凝土尺寸效應(yīng)對(duì)于鋼管混凝土柱的承載力、延性、峰值應(yīng)變、橫向變形系數(shù)等參數(shù)的影響規(guī)律，得出了在鋼管約束下核心混凝土的荷載-應(yīng)變曲線。試驗(yàn)表明，鋼管混凝土柱的峰值應(yīng)變存在隨尺寸的增加而增大的趨勢(shì)；延性系數(shù)存在隨尺寸的增加而減小的趨勢(shì)；結(jié)合承載力的分析認(rèn)為：尺寸越大的構(gòu)件在達(dá)到峰值承載力時(shí)刻塑性發(fā)展越充分。2017年，研究了鋼管混凝土短柱在軸壓作用下的尺寸效應(yīng)，研究了尺寸對(duì)峰值軸向應(yīng)力、峰值軸向應(yīng)變、復(fù)合彈性模量和延性系數(shù)的影響。試驗(yàn)表明，軸向應(yīng)力峰值隨柱徑的增大而減小；隨著試件直徑的增大，復(fù)合彈性模量基本保持不變，說(shuō)明尺寸對(duì)復(fù)合彈性模量的影響不明顯。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

隨著對(duì)鋼管混凝土的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)鋼管的局部屈曲對(duì)鋼管混凝土柱的影響包括了鋼管本身的幾何缺陷、殘余應(yīng)力和應(yīng)變、對(duì)混凝土的約束作用等。O’Shea、Bridge[13]在1994年進(jìn)行了采用高強(qiáng)度混凝土(抗壓強(qiáng)度為110 MPa)填充的薄壁鋼管(寬厚比為165)的試驗(yàn)，分析發(fā)現(xiàn)，各國(guó)的規(guī)范對(duì)局部屈曲強(qiáng)度的計(jì)算差別不大且與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合；而薄壁鋼管對(duì)高強(qiáng)混凝土的約束不顯著，鋼對(duì)軸向抗壓承載力貢獻(xiàn)最大約4%。D.O’Shea和Q.Bridge[14]在1998年研究了填充混凝土的薄壁方鋼管短柱和中空薄壁方鋼管短柱在軸向荷載作用下的性能。試驗(yàn)證明：由于方鋼管內(nèi)用無(wú)粘結(jié)混凝土填充，對(duì)于薄壁鋼管混凝土，鋼管的極限承載力的提升(相對(duì)中空鋼管)在于核心混凝土的側(cè)向支撐。其中薄壁方鋼管的效果更好。

由于工程中對(duì)高強(qiáng)度材料應(yīng)用的需要，Toshiaki Fujimoto和Kenji Sakino等[15]1997年進(jìn)行了大量方鋼管混凝土短柱在軸壓下的性能的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管混凝土短柱主要有三種破壞模式；鋼管對(duì)混凝土的約束作用是影響破壞模式、最大承載力的主要因素。

Hiroyuli Nakahara和Kenji Sakino[16]在1998年對(duì)4根方鋼管高強(qiáng)混凝土柱進(jìn)行了軸壓下的試驗(yàn)研究，對(duì)比了中空鋼管與鋼管混凝土在軸壓下鋼管局部屈曲的模式。之后，Kenji Sakino等[17]，發(fā)表了對(duì)114根受軸壓下的圓形和方形中空鋼管短柱和鋼管混凝土短柱的研究試驗(yàn)，在考慮尺寸效應(yīng)和鋼管約束對(duì)混凝土強(qiáng)度提高的條件下，建立了鋼管混凝土柱中混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變模型和鋼管的應(yīng)力—應(yīng)變模型。

Stephen P.Schneider[18]在1998年對(duì)14根軸壓下鋼管混凝土短柱破壞行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了鋼管形狀和壁厚對(duì)構(gòu)件柱極限承載能力的影響，并討論了由不同鋼管形狀提供的對(duì)核心混凝土的約束問(wèn)題。試驗(yàn)表明，圓形鋼管柱比方形或矩形鋼管柱具有更好的延性。大多數(shù)方形和矩形鋼管柱在屈服前，鋼管并沒(méi)有對(duì)核心混凝土提供顯著的約束。

P.K.Gupta，S.M.Sarda和M.S.Kumer[19]在2007年做了81根圓形鋼管混凝土柱試件的試驗(yàn)研究，研究了鋼管徑厚比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等參數(shù)對(duì)鋼管混凝土柱承載力的影響。試驗(yàn)表明，混凝土柱的破壞基本上是由局部屈曲引起的；在徑厚比較小的情況下，鋼管對(duì)混凝土具有良好的約束作用。

2 結(jié) 論

1)鋼管混凝土柱在1 倍塑性鉸區(qū)域易發(fā)生局部屈曲，套箍系數(shù)、材料性能對(duì)鋼管混凝土柱軸壓力學(xué)性能的影響較大。

2)鋼管混凝土軸壓破壞模式主要是腰鼓型破壞和剪切型破壞。

3)建議在今后的研究方向中應(yīng)對(duì)鋼管混凝土柱的塑性鉸區(qū)域采取加強(qiáng)措施，延緩或阻止鋼管壁的局部屈曲，將顯著提高方鋼管混凝土柱的承載力，改善柱的延性，并且準(zhǔn)確評(píng)估在大震響應(yīng)下鋼管混凝土柱的抗震性能的研究顯得尤為重要。

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