鋼管混凝土構件有效工作機理研究

熊　彬

（成都建筑材料工業設計研究院有限公司）

鋼管混凝土構件有效工作機理研究

熊彬

（成都建筑材料工業設計研究院有限公司）

鋼管混凝土具有強度高、自重輕、塑性好、抗震性能優良等特性。形成鋼管混凝土這一系列良好力學性能的關鍵是鋼管和混凝土在受力過程中可以相互作用，從而充分發揮材料性能。本文對鋼管混凝土共同工作的機理進行了研究和討論。

鋼管混凝土；共同工作；剪力傳遞

1　引言

鋼管混凝土桿件，是指在鋼管內灌填混凝土所形成的組合桿件，是借鑒鋼筋混凝土圓柱中螺旋箍筋對核心混凝土的約束作用，結合型鋼混凝土組合桿件特征，融合演變而來[1]。

其力學性能特點兼有混凝土與鋼管二者的長處，管內混凝土受到鋼管的約束，抗壓強度顯著提高，不致過早壓碎；而鋼管又反過來受到管內混凝土的作用，可以有效阻止或延緩鋼管的局部屈曲，從而保證兩者的材料得以充分利用，并能保證較好的塑性性能。

2　工作機理

鋼管混凝土有效工作的前提是避免鋼管與混凝土脫開。一般而言，鋼管混凝土構件在實際工程中的應用主要為柱子，其承受荷載方式一般有兩種，一是荷載直接作用于柱端，二是作用于柱側承受梁端剪力。在鋼管豎向應力達到比例極限之前，鋼管的泊松比要比混凝土的泊松比大，而兩者的豎向變形相同，故鋼管的橫向變形大于混凝土的橫向變形，因此鋼管和混凝土之間存在脫開的趨勢。當鋼管的豎向應力達到比例極限時，二者的泊松比較接近，應力繼續增大，混凝土的泊松比將超過鋼管的泊松比，此時，混凝土的橫向變形將大于鋼管的橫向變形，鋼管對混凝土提供橫向約束，套箍效應發生作用，管內混凝土處于圍壓狀態，其承載力繼續提高，鋼管的豎向應力將降低而環向應力將增加，當環向應力達到屈服強度時，豎向應力下降到接近0，此時鋼管對混凝土的圍壓達到最大，之后承載力下降直到鋼管在柱腳處發生鼓包而破壞。

以Q345鋼為例，比例極限f=295MPa，彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比μs=0.3，混凝土泊松比μc=0.2，取鋼管外直徑D=920mm，管壁厚度t=25mm，則有：

在鋼管豎向應力達到比例極限前鋼管與混凝土之間的縫隙為：

由于鋼管由卷板鋼材焊接而成，而鋼板不可能是光滑的，這個微小的縫隙可以由鋼板的凹凸填補，鋼管與混凝土之間的分離趨勢將有鋼管和混凝土之間的機械咬合力克服，所以可以認為鋼管在豎向應力達到比例極限之前，鋼管和混凝土是貼合在一起的。同時，為避免因混凝土收縮等原因，鋼管與混凝土脫開，可以采用在混凝土中添加微膨脹劑，膨脹混凝土會增加二者界面的粘結強度，抵抗脫開趨勢。并且隨著時間推移，混凝土徐變導致混凝土的變形增大，混凝土將受到鋼管環向約束，處于三向受壓狀態。另外，主動施加預應力，也可以使管內混凝土盡可能處于三向受壓的約束狀態，促使鋼管與混凝土共同作用。

3　鋼管混凝土受壓存在兩種極端狀況

⑴鋼管和混凝土在縱向受力，達到各自的抗壓強度，鋼管的切向應力很小，可認為無約束應力。此時，鋼管混凝土的抗壓強度：

⑵鋼管的切向應力達到屈服強度，但豎向應力會減小到很小，可以忽略，混凝土受到的約束力達到最大，即：為螺旋箍筋柱核心區混凝土三軸抗壓強度：

σ2——箍筋屈服時，核心混凝土的最大約束應力。

有計算表明，鋼管混凝土在第二類情況下，混凝土的抗壓強度可以提高4.76倍（此時鋼管的縱向應力為0）。

一般而言，對于采用了鋼管混凝土的結構，樓面的荷載是通過梁構件傳遞給鋼管的外壁，為保證鋼管混凝土柱作為整體受力，需要通過鋼管與管內混凝土的相連界面傳遞給管內的混凝土。界面剪力的傳遞可以通過兩種途徑：鋼管與管內混凝土的粘結力以及管內的抗剪連接件，當粘結力不足以傳遞界面剪力時，需要設置抗剪連接件。連接件的形式可以是環形隔板、鋼筋環、內襯管或栓釘等，鋼管接長時的襯管，也可以單獨設置。

4　鋼管圍壓作用的考慮

混凝土與鋼管之間的粘結力沿著二者的接觸面都是存在的，但依據規范條文，其剪力傳遞區的長度只取2D（D為鋼管的外直徑）。這是因為規范中的粘聚力是鋼管和混凝土之間的機械咬合力，水泥膠著力以及鋼管和混凝土之間摩擦力的一個綜合反映。在鋼管的豎向應力達到比例極限之前，混凝土沒有受到鋼管的圍壓作用，整個接觸面也就沒有摩擦力。若僅作用豎向力，鋼管的豎向變形是一致的摩擦力；當加入彎矩作用后，這種豎向的相等變形即被打破，當彎矩達到足夠大時，鋼管與混凝土之間會發生錯動，二者接觸面的膠著力將破壞而消失，此時鋼管與混凝土之間的粘聚力將只剩下摩擦力，而摩擦力并非沿整個接觸面都有，摩擦力只在有圍壓的地方存在，即只有鋼管豎向應力大約達到比例極限的地方才存在摩擦力，而這個區域只在豎向力和彎矩均大的區域，即在梁柱連接中心線上下大概1D。其余范圍因豎向應力未達到比例極限，鋼管圍壓非常小，可以忽略。故計算時，僅考慮2D范圍內，通過界面粘結力聯系鋼管與混凝土，保證二者協同工作。

5　結語

鋼管混凝土以其優越的力學性能有效降低了建筑成本，大量工程實踐表明，承壓構件采用鋼管混凝土比普通鋼筋混凝土可節約混凝土50%，構件截面面積可減少一半[2]。隨著現代建筑業的發展，鋼管混凝土必然具有廣闊的發展空間。●

[1]劉大海.型鋼鋼管混凝土高樓計算和構造[M].中國建筑工業出版社,2003.

[2]廖歡,何明勝.鋼管混凝土的結構特性及應用展望[J].建筑技術開發,2012,39(6):76-77.