約束鋼管混凝土柱研究進(jìn)展

許一斐， 賈艷東

（遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，錦州 121001）

隨著建筑高度、跨度、安全性等要求的提高，傳統(tǒng)建筑物柱的尺寸越來越大，占用空間也增加，為解決這種問題，鋼管混凝土柱（簡稱CFST，Concrete Filled Steel Tube） 組合結(jié)構(gòu)形式的使用日益增長。CFST 是指在鋼管中填充混凝土，并且由鋼管和混凝土共同承受外荷載的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 一方面，鋼管約束內(nèi)部核心混凝土變形，從而使核心混凝土從單向受壓變?yōu)槎嘞蚴軌旱男问剑?增加了承載能力，另一方面，核心混凝土對(duì)外部鋼管起支撐作用， 減弱鋼向內(nèi)屈曲， 同時(shí)防止內(nèi)部鋼管的銹蝕。 在施工方面，鋼管可以代替混凝土柱的模板，在進(jìn)行澆筑后，無需拆模，在提升力學(xué)性能的同時(shí)也減少了施工步驟。 CFST 有同承載力條件下體積小、延性好、抗震性能優(yōu)異、施工便捷等優(yōu)勢(shì)[1-2]，在高層建筑、工業(yè)廠房、橋梁等工程中廣泛應(yīng)用[3]。

但是，鋼管混凝土受壓初期，鋼管處于彈性階段，此時(shí)鋼管與核心混凝土的相互作用較小，只有當(dāng)鋼管進(jìn)入彈塑性階段， 才對(duì)核心混凝土起約束作用，提供的約束作用有限，尤其是當(dāng)核心混凝土采用高強(qiáng)混凝土?xí)r， 因高強(qiáng)混凝土破壞前形變較小，導(dǎo)致鋼管對(duì)核心混凝土提供的約束更小。 為了改善這種情況， 國內(nèi)外許多學(xué)者采用多種形式對(duì)CFST 進(jìn)行約束，統(tǒng)稱為約束鋼管混凝土，本文統(tǒng)一簡 稱 為CCFST （Confined Concrete Filled Steel Tube）。

CCFST 以改善CFST 承載能力、延性、耐用性等為目標(biāo)，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)[4-6]、吉林大學(xué)[7-8]等開展了相應(yīng)的研究， 表明CCFST 具有很高的技術(shù)可行性，應(yīng)用前景非常廣闊，但CCFST 在實(shí)際工程中應(yīng)用較少，基礎(chǔ)理論研究比較薄弱，未有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需開展應(yīng)用基礎(chǔ)的研究。 為此本文梳理了CCFST 不同類型的約束方法、 改變的性能等研究現(xiàn)狀， 分析了存在的問題和今后CCFST 發(fā)展的方向。

1 在CFST 內(nèi)部進(jìn)行約束

1.1 在核心混凝土區(qū)設(shè)置螺旋箍筋

CFST 在鋼管的約束下， 對(duì)核心混凝土有套箍作用，能提高構(gòu)件的承載能力，但當(dāng)使用高強(qiáng)度混凝土填充時(shí)，混凝土的套箍作用雖仍然存在，但其延性和抗剪性能都有所欠缺，對(duì)于這種情況，一般可以選擇增加鋼管管壁厚度， 但增加鋼管厚度使工程造價(jià)大幅提高， 所以一般采用內(nèi)置鋼筋的辦法來改善， 以此來平衡力學(xué)性能和工程造價(jià)之間的關(guān)系。 阿里甫江·夏木西[9]等較早做了在鋼管混凝土中加設(shè)配筋的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)增加配筋后，CFST 的延性和承載能力都有顯著提升， 增加配筋后的延性相較普通鋼管混凝土普遍增加為16%以上，且隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提升， 配筋對(duì)延性的提升效果越明顯。 配筋后，與原鋼管混凝土的套箍系數(shù)相比，最小增加38%，最大增加量為145%，且套箍系數(shù)的提升隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)增加而增加，在混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C70 時(shí)，原CFST 的套箍系數(shù)已經(jīng)低于當(dāng)前的行業(yè)規(guī)范，發(fā)生脆性破壞，但增加配筋后的CCFST 均表現(xiàn)出較好的延性與強(qiáng)度。

方形和矩形CFST 對(duì)核心混凝土雖然有套箍作用，但約束并不均勻，體現(xiàn)在由于角部混凝土剛度大， 且兩側(cè)垂直方向上鋼板提供的拉力對(duì)核心混凝土形成強(qiáng)約束，所以角部約束能力較強(qiáng)。 截面中部主要依靠鋼管中部的抗彎剛度和鋼管邊的拉力，但拉力的合力較小，所以截面中部的約束作用較弱。 鄭亮[10]等在方鋼管混凝土中內(nèi)置螺旋箍筋，提高對(duì)核心混凝土的約束能力， 進(jìn)一步提高較方鋼管混凝土的極限承載能力和變形能力， 由于方鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用不明顯， 增加螺旋箍筋后的承載能力普遍能提升20%—40%。且試驗(yàn)表明， 提升箍筋的直徑對(duì)試件的承載力提升僅僅4%以內(nèi)， 但減小箍筋間距卻能提升15%左右的承載能力， 顯然后者是提升試件承載能力更為有效的方法。 當(dāng)圓形鋼管填充高強(qiáng)度混凝土?xí)r，薄壁鋼管容易發(fā)生局部失穩(wěn)破壞， 導(dǎo)致鋼管無法對(duì)核心混凝土起到應(yīng)有的約束作用。侯敏[11]等在圓鋼管和方鋼管中分別設(shè)置環(huán)形螺旋箍筋和方形螺旋箍筋，具體為方管加方箍，圓管加圓箍和方管加圓箍三種類型。 試驗(yàn)結(jié)果顯示，圓形鋼管最終破壞形態(tài)一般均為剪切破壞，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的上升，鋼管發(fā)生的變形越小。 方形鋼管破壞一般沿鋼管上部發(fā)生兩三處局部鼓曲，但發(fā)生形變位置各異，混凝土強(qiáng)度變化對(duì)方鋼管的變形影響較小。CCFST破壞時(shí)螺旋箍筋均發(fā)生明顯形變， 在混凝土壓碎區(qū)能觀察到箍筋發(fā)生斷裂。 當(dāng)構(gòu)件的含鋼率提高時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)延性改善，構(gòu)件的彈塑性階段明顯延長，且峰值后下降速度放緩，殘余承載力也有所提高，方形構(gòu)件的變化速率高于圓形，設(shè)置螺旋箍對(duì)試件在彈塑性階段的影響明顯， 體現(xiàn)在含鋼率越高，變化發(fā)展速率越低。 試驗(yàn)中，所有構(gòu)件的承載力均隨著混凝土強(qiáng)度和含鋼率增大而提升， 含鋼率對(duì)承載力的提升效率低于混凝土強(qiáng)度， 內(nèi)部配置圓形箍筋的構(gòu)件承載力也明顯優(yōu)于方形箍筋。

林佳鑫[12]等在方鋼管中填充超高強(qiáng)混凝土，測(cè)試了三根填充為112MPa 高強(qiáng)混凝土的含螺旋箍筋的SCCFST 和一根普通CFST 的軸壓性能，試驗(yàn)結(jié)果證明在混凝土強(qiáng)度達(dá)到112MPa 后，增加螺旋箍筋已經(jīng)幾乎不能改變構(gòu)件的承載峰值， 但能有效的提升構(gòu)件在承載力達(dá)到峰值后的殘余性能，普通CFST 在達(dá)到承載力峰值后，破壞形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的脆性， 螺旋箍筋對(duì)核心混凝土的約束效果使得核心混凝土對(duì)方鋼管的焊縫的擠壓延緩。 混凝土在破壞后的殘余性能有所提高， 提升螺旋箍筋的體積配筋率和屈服強(qiáng)度對(duì)峰值后性能也有所提高。 陳宗平[13]等對(duì)比23 個(gè)內(nèi)置螺旋箍筋的方鋼管CCFST 的軸壓性能后， 提出了工程中較為合理的配筋方式， 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)螺旋箍筋的箍直徑D 和方鋼管寬度B 的比值D/B 在0.6—0.9 之間時(shí)，承載力幾乎隨著比值的增大而增大，但在0.8 時(shí)的貢獻(xiàn)效率高于0.9，所以合適的比值在0.8—0.9。箍筋的間距s 在20—60mm 之間時(shí)，承載力隨著間距的增大而減小，在60—100mm 之間，承載力幾乎不發(fā)生太大變化，一般取20—60mm 之間。 對(duì)應(yīng)的箍環(huán)直徑D 和間距S 的比值D/S=3—9。譚秋虹[14]等對(duì)多根方鋼管螺旋箍筋柱進(jìn)行了偏壓試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果表明增加螺旋箍筋后的CCFST 與普通CFST 的承載性能和破壞形態(tài)相似， 表現(xiàn)為整體的壓彎破壞和局部鋼管的屈曲， 增加螺旋箍筋可以改善承載和變形的能力，延緩鋼管壁發(fā)生屈曲的速度。 鋼管的壁厚和偏心率對(duì)CCFST 承載力影響較大， 偏心率越大，承載力越差，增加鋼管的壁厚，承載能力和延性都隨之明顯改善。 改變螺旋箍筋間距，徑寬比及長細(xì)比，對(duì)承載力的影響較小。

部分國內(nèi)對(duì)于內(nèi)置螺旋箍筋CCFST 承載力計(jì)算可見表1。

表1 內(nèi)置螺旋箍筋CCFST 承載力計(jì)算

圖1 公式中符號(hào)解釋

以上公式都給出了公式適用的參數(shù)范圍，作為經(jīng)驗(yàn)公式， 仍然需要大量試驗(yàn)和工程案例進(jìn)行分析。 張玉芬與陳宗平均將螺旋箍筋與鋼管提供的約束分組進(jìn)行計(jì)算后匯總， 但陳宗平提出的方鋼管“拱”效應(yīng)的分區(qū)方法更細(xì)致，侯敏將螺旋箍筋約束等效外部鋼管計(jì)算，公式更加簡潔。 上述公式很少考慮螺旋箍筋對(duì)鋼管約束后的混凝土和普通混凝土約束作用的差異， 大多都是將CCFST 割裂成幾個(gè)部分承載力相加， 部分公式未能全面考慮鋼管混凝土統(tǒng)一理論[1，3]中認(rèn)為的鋼管混凝土柱的整體性和連續(xù)性。 實(shí)際試驗(yàn)中構(gòu)件各個(gè)組成部分組合后的相互作用考慮不夠充分， 可以利用數(shù)值模擬等技術(shù)，模擬各部分材料之間的相互作用，將CCFST 作為一個(gè)整體去考慮而不是分區(qū)考慮承載力， 設(shè)計(jì)更精確的公式有利于提高實(shí)際工程中的安全性和造價(jià)控制。

根據(jù)現(xiàn)有的研究可以認(rèn)為， 增加螺旋箍筋可以認(rèn)為在普通CFST 內(nèi)部增加一個(gè)有空腹的鋼管，縮小箍筋間距和增加箍筋的直徑都可以認(rèn)為是對(duì)此鋼管的“壁厚”增加或“空腹”減少，理想化的螺旋箍筋間距縮小為0 時(shí)就是一個(gè)“鋼管”，對(duì)鋼管壁厚的增加是最直接增加CFST 軸壓能力和偏壓能力的方法。 此外還可以改善延性，而增加螺旋箍筋不僅改善了CFST 的承載能力和延性，還節(jié)約了鋼材的用量，但研究表明偏壓情況下，還是增加壁厚是最有效提升承載力的方式，在軸壓情況下，使用螺旋箍筋是更優(yōu)的選擇。

1.2 方鋼管中設(shè)置加勁肋

CFST 在受壓狀態(tài)下容易發(fā)生鋼管的局部屈曲，很多學(xué)者為了改善這種情況，在CFST 中設(shè)置約束拉桿、 角部隅撐和設(shè)置縱向加勁肋等構(gòu)造措施，對(duì)CFST 進(jìn)行再約束，但約束拉桿和角部隅撐等施工工藝比較復(fù)雜， 在實(shí)際工程中應(yīng)用比較困難， 所以在此對(duì)設(shè)置縱向加勁肋這種比較易于施工的方法進(jìn)行總結(jié)。 設(shè)置縱向加勁肋可以在對(duì)部分非一體成型鋼管的焊接時(shí)， 如四個(gè)內(nèi)扣U 型鋼板焊接而成的方鋼管， 其部分向內(nèi)彎曲部分作為加勁肋，幫助鋼管焊接更具整體性，更加充分發(fā)揮鋼管抗壓、抗彎等力學(xué)性能。

近10 年，比較常用的約束措施是在方鋼管的CFST 中設(shè)置加勁肋，李斌[21]等對(duì)比了26 根不同的帶肋CCFST 和普通CFST，發(fā)現(xiàn)帶肋的承載能力普遍提升，且最高能達(dá)到25%，試驗(yàn)還設(shè)置了鋼管壁單側(cè)單、雙以及三肋的對(duì)照，試驗(yàn)證明，加勁肋的數(shù)量對(duì)發(fā)生破壞時(shí)的變形形態(tài)影響較大，無肋CFST 會(huì)發(fā)生橫向鼓曲變形， 單雙肋則變成發(fā)生半波形鼓曲，三肋時(shí)加勁肋和管壁一起向外發(fā)生鼓曲。在鋼管寬厚比小于80 時(shí)，加勁肋的寬度對(duì)承載力影響較大，且寬度越大，承載力越高。 在鋼管寬厚比達(dá)到100 以后，加勁肋的個(gè)數(shù)影響較大，雙加勁肋的承載力明顯優(yōu)于單肋， 對(duì)鋼管的屈曲有明顯的延緩。

楊有福[22]等在方鋼管中填充高強(qiáng)混凝土，分別設(shè)置了多種加勁，在進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)設(shè)置了約束措施的CCFST 的承載力均比普通CFST 要高，最高可達(dá)到28.4%，相對(duì)較好的改善方式是T形鋼板肋和帶圓孔斜拉鋼板肋。 除了承載力，延性和彈性模量也均有提升， 其中改善效果顯著的方式是設(shè)置單排鋼板肋。李斌[23]等又將加勁肋設(shè)置在方鋼管長柱中， 設(shè)置加勁肋的CCFST 相對(duì)于普通CFST 承載力提升可達(dá)到15%，設(shè)置加勁肋不僅延緩了方鋼管的局部屈曲變形， 還提升了整體中長柱的穩(wěn)定系數(shù)。 對(duì)中長柱來說，寬厚比對(duì)承載力的影響最為明顯， 承載力會(huì)隨著寬厚比的增大而降低， 加勁肋的長細(xì)比和高厚比也對(duì)承載力有所影響，表現(xiàn)為長細(xì)比增大承載力降低，高厚比增大承載力增大， 而柱長細(xì)比在目前數(shù)據(jù)中對(duì)承載力影響不大。 徐兵[24]等對(duì)比方鋼管中直肋和開孔肋，提出二者均能提高構(gòu)件承載力， 開孔肋相比直肋的延性更優(yōu)，使核心混凝土損傷范圍變大。

設(shè)置加勁肋是一種簡單高效的約束方法，作者認(rèn)為在加勁肋的種類和材料選擇也可以是一個(gè)新的研究方向， 傳統(tǒng)觀念上加勁肋一般都選擇與管壁同種材料的鋼材， 但現(xiàn)在越來越多的新型材料被發(fā)明出來，部分非鋼材加勁肋[25]已經(jīng)在其他構(gòu)件中有所應(yīng)用， 可以以將不同材料制作的加勁肋用于約束CCFST，研究其強(qiáng)化的效果。

1.3 內(nèi)置FRP 約束

隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP 材料）因?yàn)槠涓黝悆?yōu)秀的性能被做成布狀、筒狀、筋狀等形態(tài)被運(yùn)用于建筑施工中，在CFST 中， 也有很多FRP 材料被運(yùn)用設(shè)置在其內(nèi)部，對(duì)核心混凝土進(jìn)行加強(qiáng)約束。

李幗昌[26-27]等最早在方鋼管CFST 中放置圓形CFRP 管并澆筑高強(qiáng)混凝土，將截面面積中含鋼率和CFRP 管與鋼管截面面積之比作為變量進(jìn)行軸壓試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果表明CCFST 的承載力隨著含鋼率和CFRP 管與鋼管截面面積之比的增大而提高，并推導(dǎo)出承載力公式。 之后，又以偏心距，含鋼率和CFRP 管材制作時(shí)層數(shù)（相對(duì)設(shè)置率）作為變量進(jìn)行了偏壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明CFRP 材料線性很好，抗壓抗拉能力強(qiáng)，但相對(duì)鋼筋延性較差。 大偏壓構(gòu)件壓側(cè)內(nèi)外管協(xié)同工作較好， 小偏心受壓構(gòu)件拉側(cè)內(nèi)外管協(xié)同工作性能較好。 偏心距不變的構(gòu)件在不同的荷載下，中和軸在較小的區(qū)域移動(dòng)，并向加載側(cè)靠近，隨著偏心距增加，中和軸位置和受壓位置越發(fā)靠近。構(gòu)件的含鋼率和CFRP 層數(shù)增大，承載力越強(qiáng)，鋼管壁厚小于6mm 及CFRP 在2層以內(nèi)，每提升1mm 壁厚或1 層CFRP，二者對(duì)承載力的影響都在10%以上。 偏心距越大，承載能力越差，偏心距增加7.5%，承載力下降20%。 劉耀明[28]等在方鋼管中設(shè)置了CFRP 管并填充了再生混凝土，在對(duì)其進(jìn)行軸壓試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，CCFST 在軸壓試驗(yàn)中出現(xiàn)兩次峰值承載力， 分別出現(xiàn)在整體彈塑性階段末尾Nb 和核心混凝土增強(qiáng)末尾Nd，鋼管壁厚的寬厚比盡可能小于2.03， 避免過早發(fā)生局部屈曲。增加CFRP 管有效提升了構(gòu)件承載力和延性，內(nèi)部管斷裂后構(gòu)件整體承載力沒有驟降，其CFRP 柱破壞顯示脆性被改善，再生骨料的取代率對(duì)承載力影響不大， 說明增加CFRP 管提供的約束，使其力學(xué)性能得到改善，試驗(yàn)提及兩個(gè)峰值若能通過調(diào)整，做到靠近或重合，承載力可能進(jìn)一步得到提升。

劉昕鶴[29-30]等將工字形CFRP 型材放入方鋼管CFST 中，軸壓試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)對(duì)極限力有顯著的提升，該試驗(yàn)類似鋼骨鋼管混凝土的原理，由CFRP 型材和方鋼管共同約束混凝土， 工字形型材的腹板和翼緣對(duì)核心混凝土起到了約束作用， 對(duì)鋼管平板處約束較小。 對(duì)于中長柱而言，長細(xì)比對(duì)構(gòu)件的承載力影響最大，具體為長細(xì)比每增加11.5，柱的承載力最大下降10.26%。CFRP 型材能提升構(gòu)件的變形及承載能力，對(duì)剛度影響較小。 張碩[31]等在進(jìn)行偏壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)， 偏心率對(duì)構(gòu)件的極限承載力及初始剛度影響較大，偏心率越大，二者均下降，加入型材后構(gòu)件極限承載力顯著改善， 約束強(qiáng)弱特征和軸壓時(shí)基本一致。

目前，F(xiàn)RP 材料在作為筒狀和型材都在CFST內(nèi)部增加對(duì)核心混凝土增加約束， 目前還沒有很多關(guān)于FRP 筋在CFST 內(nèi)部的應(yīng)用，結(jié)合肖良麗[32-33]等已經(jīng)將FRP 筋用于提升柱和梁等構(gòu)件的性能，作者認(rèn)為相比管材，F(xiàn)RP 筋的造價(jià)低，合理布置也能有效提升CFST 性能，因此，F(xiàn)RP 筋應(yīng)該在CCFST 上具有很好的發(fā)展前景。

2 總結(jié)與展望

隨著科技的進(jìn)步，人口的日益增長，土地等資源會(huì)越發(fā)匱乏， 未來對(duì)高層建筑或者地下多層建筑的需求一定會(huì)日益增長[34]。對(duì)建筑物構(gòu)件的承載力要求提升，卻不占據(jù)過大空間，在此條件下，提升承載力大致可從材料和結(jié)構(gòu)兩方面入手。

在過往實(shí)驗(yàn)中，對(duì)CFST 的約束往往是較為單一的，對(duì)其力學(xué)性能的增加也比較有限，如在內(nèi)部設(shè)置螺旋箍筋時(shí)， 通常只考慮螺旋箍筋的強(qiáng)度和分布形式， 很少將螺旋箍筋加強(qiáng)的CCFST 和使用額外加強(qiáng)手段的螺旋箍筋CCFST 進(jìn)行力學(xué)性能比較， 如同時(shí)設(shè)置板上加勁肋與螺旋箍筋的組合方式， 二者在此基礎(chǔ)上不同的設(shè)置形式如空腹式加勁肋設(shè)置于鋼管上的同時(shí)， 螺旋箍筋是穿過空洞布置的效果好，還是緊貼加勁肋外沿布置效果好？隨著科技的進(jìn)步， 不同組合效果的細(xì)分研究也需要推進(jìn)，在未來更高精度更高要求的工程中，需要具體的組合加強(qiáng)方案。

在混凝土強(qiáng)度較高的CFST 中， 增加配筋、螺旋箍筋等內(nèi)部約束的方法和外包FRP 等外部約束的方法都能提高構(gòu)件的性能， 作者認(rèn)為內(nèi)外同時(shí)進(jìn)行約束的不同組合，可以實(shí)現(xiàn)1+1>2 的效果，是未來努力研究的方向之一。 鋼筋在CCFST 內(nèi)部也有更多形式，比如高強(qiáng)箍筋[41]在今天工程中也大量應(yīng)用，對(duì)構(gòu)件的承載力提升十分顯著。 再者，多重螺旋箍筋[42]的設(shè)置形式的研究也表明能提升構(gòu)件的承載能力， 將來多重螺旋箍筋設(shè)置在CCFST 中提高其承載能力與延性是可以期待的。

在倡導(dǎo)環(huán)保的今天， 土木工程近千年的發(fā)展歷程中產(chǎn)生了大數(shù)量的建筑垃圾， 對(duì)于再生混凝土的利用備受矚目，針對(duì)再生混凝土[43-46]的力學(xué)性能上的缺點(diǎn)如強(qiáng)度低等， 可以通過外包鋼筋或FRP 的CCFST 來進(jìn)行強(qiáng)化其承載力、抗震等性能。為了保護(hù)淡水資源， 對(duì)海水海砂的利用也越發(fā)受人矚目， 作者認(rèn)為可以使用FRP 制作的筋和管材來替代CCFST 中的鋼筋和鋼管， 防止海水海砂對(duì)鋼筋銹蝕，增加港口工程的耐久性和安全性。

目前投入工程使用的CCFST 案例仍然數(shù)量較少，需要進(jìn)一步探索CCFST 的使用方法，以期在未來的建筑中更廣泛的使用。