中空夾層鋼管混凝土結構力學性能研究綜述

摘 要：綜合論述了中空夾層鋼管混凝土結構的國內外研究狀況，提出了需要進一步深入開展的研究工作，以便更好地為這一新型的鋼管混凝土結構的工程應用打下基礎。

關鍵詞：中空夾層鋼管混凝土；力學性能；綜述

1 引言

中空夾層鋼管混凝土，是將內外兩根鋼管以相同的形心放置后，在兩鋼管夾層間灌注混凝土而形成的整體受力構件。作為一種新型的鋼管混凝土結構形式，它是在實心鋼管混凝土的基礎上發展而來的。中空夾層鋼管混凝土內、外鋼管可采用不同的截面形式，常用的鋼管截面形式有圓形、方形和矩形，將其中任意兩種兩兩組合，可以得出該類構件的多種截面類型。目前，海內外的專家學者主要研究的是以下五類截面。相比方、矩形截面來講，圓形截面更不易發生局部屈曲，因此將圓形截面作為中空夾層鋼管混凝土的鋼管更有利，同時方形鋼管作為外管有利于梁柱節點的連接。

2 研究現狀

文獻[1]進行了圓中空夾層鋼管混凝土軸壓短試件的力學性能試驗，其截面形式如圖1-3（a）所示，其鋼管的徑厚比（D/t，D為圓鋼管的外徑，t為圓鋼管的壁厚）范圍為43~169。構件在兩層鋼管之間灌注的混凝土為樹脂混凝土，混凝土的圓柱體抗壓強度為58.6Mpa。試驗中進行的一次軸壓加載的試驗結果表明：試驗時構件的荷載—變形關系在加載后期基本都出現了下降段，其軸壓極限承載力比鋼管和混凝土二者疊加的承載力要高出10~30%，同時在承載力峰值點處的應變值達到了1%，大于鋼管或混凝土單獨加載時各自峰值點處的應變值。試驗結果還表明，鋼管和混凝土之間的相互作用使得鋼管的局部屈曲大大延遲，在鋼管發生局部屈曲后，由于混凝土的存在使得鋼管的屈曲發展較慢，這種情況一直保持到混凝土被壓碎。對中空夾層鋼管混凝土軸壓構件的荷載-變形關系進行了初步分析，分析時考慮了鋼管和混凝土之間的相互作用力。由于采用的分析方法無法考慮混凝土破壞后的情況，因而提供的方法僅能計算出構件的荷載-變形關系至峰值點處，無法更進一步準確的模擬出構件荷載—變形關系的下降段。

文獻[2]報道了6個圓中空夾層鋼管混凝土試件軸壓力學性能的試驗研究結果。試驗過程中的主要變化參數為內管和外管所用的鋼管尺寸大小，其鋼管徑厚比的變化范圍大致為19~57。試驗結果表明：試件具有很好的延性和能量吸收性能。試件的外管在試驗過程中的破壞形態和普通鋼管混凝土的外包鋼管相類似，呈象腿狀，但內管的破壞情況卻有所不同，呈扭曲的鉆石狀。

文獻[3]共進行了8個方中空夾層鋼管混凝土軸壓短試件的試驗研究。在制作試件時，其所用的方管為冷彎薄壁型鋼，方管的寬厚比（B/t，B為方鋼管的外邊長，t為方鋼管的壁厚）范圍為11~50。試驗結果表明方中空夾層鋼管混凝土試件與空鋼管相比具有很好的延性和能量吸收性能。

文獻[4]進行了5個中空夾層鋼管混凝土試件的試驗研究，表明中空夾層鋼管混凝土試件在破壞時的跨中撓度要比空鋼管試件高2倍左右。

文獻[5]對圓中空夾層鋼管混凝土壓彎構件的滯回性能進行了試驗研究。試驗是以一個實橋的橋墩為原始模型，按1:10的比例共制作了4個中空夾層鋼管混凝土試件和2個鋼管混凝土對比試件。試驗結果表明，中空夾層鋼管混凝土試件的截面中空并未影響其變形能力，其極限承載力比相同外管的鋼管混凝土試件高。

文獻[6]對寬厚比為62.2、46.6、40的方中空夾層鋼管混凝土構件固定軸力施加循環荷載時，發現當寬厚比為40時，中空夾層鋼管混凝土試件不論在強度、延性及自重減輕上都有很好的效果。

文獻[7]的研究表明中空夾層鋼管混凝土柱的峰值應變約為無約束混凝土的1.6到2.3倍，表明混凝土受到了良好的約束。而中空夾層鋼管混凝土柱的綜合彈性模量為實心鋼管混凝土柱的1.5倍以上，表明中空夾層鋼管混凝土有著良好的軸向剛度。另外中空夾層鋼管混凝土的抗彎能力也高于實心鋼管混凝土。

3 研究展望

作為一種新型結構，有關中空夾層鋼管混凝土的研究還有許多急需解決的課題，應開展以下幾方面的研究工作。：

（1）中空夾層鋼管混凝土節點、框架和結構體系的研究。作為一種新型的結構形式，要在工程中將其推廣應用的話，需要對節點、框架和結構體系進行系統的研究。

（2）長期荷載作用和復雜受力狀態下的影響。在橋梁、高層和超高層建筑結構中使用中空夾層鋼管混凝土時，需要考慮長期荷載以及壓彎剪扭等復雜受力作用下對其力學性能的影響。

（3）耐火性能和抗火設計方法的研究。在建筑結構中使用中空夾層鋼管混凝土時，需要考慮突發火災事故后承載力降低和整體結構安全性降低等問題，因此要對它的耐火性能和抗火設計方法進行研究。

（4）界面損傷與承載力的關系。由于具有外管和內管，中空夾層鋼管混凝土中混凝土與鋼之間的界面面積比實心鋼管混凝土大，因此應該對中空夾層鋼管混凝土的界面損傷與承載力的關系進行研究。

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