高強鋼管混凝土柱研究現狀

謝玉芳

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900)

0 引言

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構件。工程中最常用的三種混凝土構件橫截面形式主要是圓形、方形和矩形。在鋼管中填充混凝土形成鋼管混凝土后，鋼管約束了混凝土，可延緩其受壓時的縱向開裂，而混凝土可以延緩或避免鋼管過早發生局部屈曲。兩種材料相互彌補了彼此的弱點，充分發揮了各自的長處。鋼管混凝土由于具有承載力高、抗震性能好和施工方便等優點，在工程實踐中應用越來越廣泛。

隨著鋼材性能的不斷發展，高強鋼在鋼管混凝土中的應用已是國內外工程界關心的熱門課題之一。鋼管混凝土若采用高強鋼，可以節約鋼材、減小構件截面面積和減輕結構自重等。高強鋼管混凝土可用于荷載很大的結構，如高層建筑、地下工程和大跨結構的支柱等，但目前相關規程規定的鋼材屈服強度均沒有超過460 MPa，因此研究高強鋼管混凝土構件承載力的計算方法是十分必要的。

1 寶鋼產高強鋼板

寶鋼具備生產結構用高強鋼產板的能力。寶鋼5 m厚板軋機工程是寶鋼股份公司“十五”規劃建設的最大項目，厚板軋機產品定位是高強度船板、大口徑油氣輸送管線用鋼板、高強度建筑結構板、鍋爐和壓力容器用鋼板等高難度厚板產品。寶鋼4.2 m厚板軋機工程以特殊專用板為主，兼顧船板、高強度結構板和高強度容器板。

部分高強度建筑板產品見表1。

表1 寶鋼《結構用高強鋼板》產品規格

該系列高強度鋼板在不預熱或低預熱的情況下焊接不出現裂紋，具有較低的Pcm值、低碳當量、優異的焊接性，同時具有低C含量、高純凈度、高強度和高韌性等特點。寶鋼產建筑結構用鋼已被應用于中央電視臺新臺址、上海環球金融中心和日經大廈等重大工程。

2 國內研究現狀

1997年方麗蓓等對國外有關高層建筑高強鋼箱形混凝土柱特性和設計進行了調研。分析表明，高層建筑中采用高強鋼箱形柱，可獲得非常可觀的經濟效益，同時由于結構重量極大減少，抗震性能也可獲得改善。

2007年堯國皇等采用數值計算方法對高強鋼管混凝土壓彎構件荷載—變形關系進行了分析，并與日本AIJ，美國AISC-LRFD，歐洲EC4和國內規程進行比較。材料的本構關系采用韓林海模型。

分析結果表明:

1)該文采用的數值模型具有良好的適用性。

2)在計算高強圓鋼管混凝土構件承載力時，DBJ 13-51-2003和EC4(1994)方法的計算值與試驗值最為接近。

公路工程中的冷接縫施工技術則主要是以直接對工作縫進行實時連接來體現，比如在攤鋪新攤鋪帶之前，將攤鋪帶邊緣要做切平刨毛處理，碾壓前將新鋪攤鋪帶做接縫側邊靠近設置，并對側邊緣進行鏟齊削直作業，碾壓期間讓碾壓機做靜壓一遍后再進行振壓，以此完成冷接縫施工[2]。

3)計算高強方、矩形鋼管混凝土構件承載力時DBJ 13-51-2003，AIJ(1997)，AISC-LRFD(1999)計算值與試驗值比較接近。

3 國外研究現狀

B.Uy等進行了高強箱形鋼管混凝土短柱和長柱承載力的試驗研究和數值分析。

3.1 短柱研究

1)試驗構件鋼管屈服強度為750 MPa，混凝土圓柱體抗壓強度為28 MPa～32 MPa;鋼管截面寬厚比分別為20，30和40。

2)試驗破壞模式包括局部屈曲，焊縫斷裂等。鋼管局部屈曲發生在混凝土壓潰以后，處于非彈性階段。

3)基于混凝土完全壓潰和鋼管全截面屈服的EC4模型高估了試件承載力。

4)假設混凝土壓潰和鋼管截面部分彈性，將EC4模型進行了修改，修改后的EC4模型可用于設計。

3.2 長柱研究

1)試驗構件鋼管屈服強度為761 MPa，混凝土圓柱體抗壓強度為20 MPa;鋼管截面寬厚比分別為22，32，42和52。

2)采用修改后的EC4模型，同時結合有效的寬度，可以用于設計。

Varma等進行了高強箱形鋼管混凝土壓彎構件抗震性能試驗分析。

研究情況如下:

1)試驗構件鋼管屈服強度分別為600 MPa(屈強比0.89)和660 MPa(屈強比0.90)，混凝土圓柱體抗壓強度為110 MPa;軸壓比分別為0.11和0.21;實測鋼管截面寬厚比分別為34和50。

2)循環加載對于構件的彎曲剛度和抗彎承載力沒有顯著影響，但循環加載下，峰值荷載后承載力退化加劇。

3)ACI和修改后的AIJ方法可用于預測高強箱形鋼管混凝土壓彎構件承載力。

BRI的NO.147報告拓展了AIJ中鋼管混凝土柱的研究范圍，具體參數詳見表2，主要結果如下。

表2 研究范圍(NO.147，BRI)

1)圓鋼管混凝土軸心受壓短柱承載力。圓鋼管軸心受壓短柱承載力可按以下公式進行計算:

其中，f'c為混凝土圓柱體抗壓強度;As為鋼管橫截面面積;Ac為內填混凝土面積;σsy為鋼管屈服強度。

2)軸心受壓方鋼管混凝土短柱承載力。方鋼管軸心受壓短柱承載力可按以下公式進行計算:

其中，S為方鋼管局部屈曲影響系數;B，t分別為方鋼管截面寬度和壁厚。

3)圓鋼管混凝土偏心受壓短柱承載力。圓鋼管混凝土偏心受壓短柱承載力可按圖1進行解析。

圖1 圓鋼管混凝土偏心受壓短柱截面應力圖

4)方鋼管混凝土偏心受壓短柱承載力。方鋼管混凝土偏心受壓短柱承載力可按圖2進行解析。

圖1中混凝土強度可按以下公式計算:

圖2 方鋼管混凝土偏心受壓短柱截面應力圖

圖2中各參數可按以下公式計算:

4 初步結論

為了指導設計，采用圖2方法解析了相關文獻［9］中的試件，結果表明(見表3)，該方法可用于設計。

表3 抗彎承載力對比

對于處于復合受力狀態的高強鋼管混凝土柱的抗彎承載力可采用前述偏心受壓柱的公式進行計算。

［1］韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐［M］.第3版.北京：科學出版社，2004.

［2］DBJ 13-51-2003，鋼管混凝土結構技術規程［S］.

［3］AISC-LRFD.Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings.American Institute of Steel Construction(AISC)，Chicago：1999.

［4］Eurocode 4.Design of Composite Steel and Concrete Structures.Part1.1：General Rules and Rules for Buildings(Together with United Kingdom National Application Document).DD ENV 1994-1-1：1994，British Standards Institution，London：1994.

［5］AIJ.Recommendations for Design and Construction of Concrete Filled Steel Tubular Structures.Archit ectural Institute of Japan(AIJ)，Tokyo：1997.

［6］American Concrete Institute(ACI).(1999).Building code requirements for structural concrete(ACI 318-99)and commentary(ACI 318R-99)，ACI，Farmington Hills，Mich.

［7］Uy B.Strength of short concrete filled high strength steel box columns.Journal of Constructional Steel Research 2001(57)：113-134.

［8］Uy B.Strength of slender concrete filled high strength steel box columns.Journal of Constructional Steel Research 2004(60)：1825-1848.

［9］Varma，A.H.，Ricles，J.M.，Sause，R.，et al.(2004).Seismic behavior and design of high-strength square concrete-filled steel tube beam columns.Journal of Constructional Steel Research 2004(130)：169-179.

［10］BRI Research Paper NO.147(ISSN 0453-4972).Building Research Institute，2002，JAPAN.

［11］YB/T 4137-2005，低焊接裂紋敏感性高強度鋼板［S］.