切槽式鋼套管混凝土柱的原理與應用★

劉洪華 韓金生

(1．青島地質工程勘察院，山東青島 266071;2．山東科技大學土木建筑學院，山東青島 266590)

0 引言

鋼套管混凝土柱是利用外部鋼管對核心混凝土柱產生橫向約束的一種結構形式。從外觀上看鋼套管混凝土柱與普通的鋼管混凝土相近，但是從承載機理上來講兩者有明顯的差異。鋼管混凝土柱的鋼管在澆筑混凝土前可以作為承重骨架，澆筑混凝土時可以作為模板，混凝土硬化后又能對混凝土產生橫向的套箍約束作用，與混凝土共同工作。鋼管的橫向約束作用是鋼管混凝土柱承載性能優越的一個重要原因。但是鋼管混凝土柱的鋼管同時還要承受很大的縱向壓力，處于雙向受力狀態，根據Mises屈服準則，較大的縱向壓力導致其對混凝土的橫向約束能力顯著降低。也就是說，鋼管混凝土柱的鋼管對混凝土柱具有一定的約束作用，但是約束能力并沒有完全發揮。出于某些使用目的或者在某些特殊的工程情況下，有時需要盡可能地發揮鋼管的約束作用，因此部分學者提出了鋼套管混凝土柱的概念。鋼套管混凝土柱中的鋼套管通過采取一定的措施以減小其承受的縱向壓力，而主要起約束混凝土橫向變形和抗剪的作用，稱之為“套管”效應。鋼套管內部的混凝土柱承受縱向壓力和鋼套管的橫向約束，處于三向受壓狀態，套管效應越強，混凝土柱的抗壓能力和變形能力越好。

1985年，日本的Tomii，Sakino和我國的肖巖等學者最早提出了外部包裹鋼管的鋼筋混凝土柱的概念［1］。與鋼管混凝土柱的主要區別就是鋼套管只起到約束混凝土柱的作用而在縱向并不受力［2］。廣義上來講所有具有顯著的外部橫向約束的柱子都可以稱為套管柱，包括FRP約束的結構柱。但是通常所講的套管柱還是以鋼套管混凝土柱為主。目前為止，只有個別學者對鋼套管混凝土柱進行了少量的研究［3-5］，研究范圍比較有限。

傳統的鋼套管混凝土柱有兩種形式:截斷式和穿孔式的鋼套管混凝土柱。截斷式鋼套管混凝土柱如圖1a)所示，鋼管在柱端被截斷并縮短一段，這樣可以使得柱子在受壓后鋼管并不直接承受縱向壓力，以期實現套管效應。日本的Sato等提出了如圖1b)所示的穿孔式鋼套管混凝土柱，并申請了專利。穿孔式鋼套管混凝土柱通過在柱端附近的鋼管上加工一排穿孔形成薄弱部位。薄弱部位在承受壓力后提前屈服，同樣可以減小鋼管承受的縱向壓力，實現橫向約束為主的套管效應。

但是截斷式鋼套管混凝土柱和穿孔式鋼套管混凝土柱都存在一些明顯的缺點:1)截斷或穿孔處鋼套管承受的縱向壓力會顯著減小，但是由于粘結力和摩擦力的存在使得鋼套管的中間部分仍然承受較大且沿高度分布不均的縱向壓力;2)鋼套管截斷或穿孔后澆筑混凝土時容易漏漿，增加了施工難度，鋼套管很難再用作澆筑混凝土的模板;3)鋼套管截斷后不再是完整的整體，不能作為施工時的承重結構。這些問題是限制鋼套管混凝土柱廣泛應用和方便施工的關鍵問題，因此目前只有少量的試驗性應用［2］。套管柱在工程中的首次應用是在日本某建筑公司承建的大阪的一棟高層鋼筋混凝土結構中［6］。1999年，美國阿拉斯加州交通局進行了一個采用套管柱的橋柱結構的足尺試驗［7］，進行套管柱在橋柱結構設計中的嘗試應用。Priestley等人對鋼套管混凝土柱在加固工程中的應用進行了研究［8］，指導了加利弗尼亞等地區的大量橋梁的加固工程。

圖1 鋼套管混凝土柱

為了克服傳統鋼套管混凝土柱存在的問題，更好地在工程中得到推廣和應用，課題組提出了一種新型的利用圓形或螺旋形切槽來實現套管效應的切槽式鋼套管混凝土柱，并申請了專利［9］。本文對切槽式鋼套管混凝土柱的基本概念、基本原理、基本性能和應用前景與應用價值進行簡單的探討。

1 切槽式鋼套管混凝土柱的原理

1．1 切槽的作用原理

切槽式鋼套管混凝土柱利用鋼套管上加工的切槽來實現套管效應，如圖1c)所示。鋼套管上的切槽可以采用多道具有一定間隔的環形切槽，也可以采用螺旋形切槽。受壓后切槽處的鋼管率先屈服，從而減小荷載向鋼套管的傳遞，而主要起到約束混凝土柱的作用。圖2給出了普通鋼管混凝土柱的鋼管與鋼套管混凝土柱的鋼套管在受壓后豎向應變和橫向應變的對比。除了鋼套管上有多道環向切槽外，兩個試件的尺寸和材料等完全相同。通過對比可見，在相同的豎向荷載作用下鋼套管的豎向應變要明顯小于鋼管的豎向應變，而橫向應變的差異很小。因此，通過在鋼管上切槽是可以實現套管約束的目的的。

圖2 鋼套管與鋼管的應變對比

1．2 切槽式鋼套管混凝土柱的優點與存在的問題

采用切槽形式的鋼套管混凝土柱相比傳統的鋼套管混凝土柱有許多優點:

1)鋼套管上有多道切槽，可以使得鋼套管的削弱更充分，得到更理想的套管效應;

2)鋼套管切槽處未截斷時可以作為澆筑混凝土的模板，且切槽處的剩余承載能力使得鋼套管仍然可以作為施工中的支撐體系，因此施工方法與鋼管混凝土柱類似，沒有額外增加施工難度和費用;

3)截斷式鋼套管混凝土柱主要應用在已有結構的加固中，由于施工上的問題難以在現澆結構中得到大范圍的應用，而切槽式鋼套管混凝土柱則能夠克服施工上的困難，因此可以方便地應用于現澆結構工程中，應用前景樂觀。

切槽后鋼套管混凝土柱的承載機理與鋼管混凝土柱相比產生了一定區別，切槽后鋼套管雖然能夠增加對混凝土柱的橫向約束能力，但是也減小了自身的縱向承載能力。因此與鋼管混凝土柱相比，切槽式鋼套管混凝土柱存在兩個問題:1)切槽部位成為鋼套管混凝土柱的薄弱截面，在開始受力后是否很快就被壓壞，導致鋼套管的作用來不及發揮。2)切槽對鋼套管混凝土柱的作用到底是利大于弊還是弊大于利。切槽式鋼套管混凝土柱的整體承載能力和變形能力與普通的鋼管混凝土柱相比有什么差異。為了了解這些問題需要加強切槽式鋼套管混凝土柱承載機理和性能的相關研究。

1．3 切槽式鋼套管混凝土柱的性能

文獻［10］給出了4個切槽式鋼套管混凝土柱與鋼管混凝土柱軸心受壓荷載作用下的試驗結果，見表1。試驗結果表明:在達到極限荷載之前切槽式鋼套管混凝土柱的整體外觀沒有出現顯著變化，切槽處的薄弱截面也并沒有發生顯著的壓縮變形或破壞;切槽式鋼套管混凝土柱與鋼管混凝土柱的受壓變形全過程類似，沒有明顯的差異;雖然鋼套管的縱向承載能力被削弱，但是其提供的更強的橫向約束作用會使得內部混凝土柱的縱向承載能力顯著提高，因此切槽式鋼套管混凝土柱的整體承載能力不僅沒有降低反而略有提高，平均提高幅度約5%。

表1 試件參數表

總之，切槽對鋼套管混凝土柱的承載能力、彈性階段的剛度和塑性變形能力均未造成明顯不利的影響，甚至對承載能力產生了一定的有利影響。

2 切槽式鋼套管混凝土柱的應用

切槽式鋼套管混凝土柱的形式比較靈活。鋼套管可以預先在工廠內制作完成也可以后期在施工現場包裹到混凝土柱上;鋼套管可以是一體的形式也可以由小的板肋拼接而成;切槽處的鋼套管可以完全斷開也可以保留一定的厚度。因此切槽式鋼套管混凝土柱形式新穎，性能優越，施工便利，應用范圍廣泛，有較好的應用前景。

切槽式鋼套管混凝土柱的工程實用價值和優勢主要體現在兩個方面:

1)既有結構的加固。加固是鋼套管混凝土柱的一個主要應用領域，截斷式和穿孔式鋼套管混凝土柱最初就是用于混凝土柱加固的。但是這兩種鋼套管混凝土柱都是利用整個的鋼套管來包裹混凝土柱的，施工難度很大，不易實現。而切槽式鋼套管混凝土柱的鋼套管可以在切槽處斷開，這樣整體的鋼套管即由多個小的板肋組成，加工制作和現場包裹到混凝土柱上都比較容易實現，因此用于加固工程方便靈活，有較大優勢。

2)現澆結構中代替普通的鋼管混凝土柱。從制作、施工和使用上來講切槽式鋼套管混凝土柱都可以取代鋼管混凝土柱。大部分尺寸較大的鋼管混凝土柱的鋼管都是由鋼板卷制后焊接而成的，通常要求采用對接焊縫并與鋼材等強，加工難度大造價高。實際上卷制鋼板的接縫處只進行簡單焊接，即相應于鋼套管的切槽位置，成為切槽式鋼套管混凝土柱。根據初步的研究結果，切槽式鋼套管混凝土柱與普通鋼管混凝土柱的承載性能基本相當甚至略有提高。同時，當切槽處沒有斷開時鋼套管混凝土柱與鋼管混凝土柱的施工過程完全相同。因此，在工程實際中采用切槽式鋼套管混凝土柱代替普通的鋼管混凝土柱具有很大的實用價值和經濟價值。

3 結語

1)提出了切槽式鋼套管混凝土柱這種改進的套管混凝土柱。切槽可以更好地減小鋼套管承受的縱向壓力，從而充分發揮其對內部混凝土的橫向約束能力，更好的實現套管約束效應。

2)切槽處并沒有成為切槽式鋼套管混凝土柱明顯的薄弱部位;切槽的鋼套管對內部混凝土柱約束能力的增加彌補了鋼套管縱向承載能力降低的損失;切槽式鋼套管混凝土柱的彈性剛度和塑性變形能力與普通的鋼管混凝土柱基本相當，而極限承載能力則略有提高。

3)切槽式鋼套管混凝土柱用于既有結構的加固或現澆結構的基本構件，都是方便可行的。根據初步研究結果，在實際工程中利用卷制鋼板簡單焊接形成的鋼套管混凝土柱代替普通的鋼管混凝土柱是合理可行的，并有很高的實用價值和經濟價值。

［1］TomiiM，Sakino K，Xiao Y，et al．Earthquake resisting hysteretic behavior of reinforced concrete short columns confined by steel tube［C］//Proceedings of the International Specialty Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures．Harbin，August，1985:119-125．

［2］肖 巖．套管鋼筋混凝土柱結構的發展和展望［J］．土木工程學報，2004，37(4):8-12，69．

［3］Xiao Y，TomiiM，Sakino K．Experimental study on designmethod to prevent shear failure of reinforced concrete short circular columns by confining in steel tube［J］．Transactions of Japan Concrete Institute，1986(8):535-542．

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

［5］Aboutaha R S，Machado R I．Seismic resistance of steel tubed high strength reinforced concrete columns［J］．ASCE Journal of Structural Engineering，1999，125(5):458-494．

［6］Takeda K．Experimental studies on square steel tube and concrete filled steel tubular columns under high axial load［C］//Proceedings of JCI Annual Conference．October，1987:1285-1286．

［7］Silva P，Sritharan S，Seible F，et al．Fullscale test of the Alaska cast-in-place steel shell three column bridge bent［R］．Research Report of Charles Lee Powell Structural Research Laboratories，No SSRP 98P13．February，1999:157．

［8］Priestley MJN，Seible F，Calvi M．Seismic Design and Retrofit of Bridges［M］．New York:John Wiley ＆Sons，1996:686．

［9］韓金生，孫其臥．切槽式鋼套管混凝土柱［P］．中國專利:201220153717．6，2013-01-30．

［10］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］．山東科技大學學報(自然科學版)，2013，32(4):80-85．