鋼管混凝土承載力計算理論分析

陳建城 潘 艷 李 娜

（中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南省長沙市雨花區 410000）

鋼管混凝土又稱為鋼管套箍混凝土，其是一種由混凝土在鋼管中填入所形成的特殊材料，在國外也有人稱之為混凝土填心鋼管，屬于套箍混凝土的組合應用形式。鋼管混凝土的種類有圓鋼管混凝土，方鋼管混凝土以及多邊形鋼管混凝土。

鋼管混凝土是高層和大跨中常用的一種結構形式，具有承載力高和經濟效益好等居多優點。在19世紀90年代，華盛頓建筑學專家John－Lally在圓形的鋼管內填入素混凝土中，當作工程的承重柱。至今，這一施工模式在建筑工程領域已經有100年以上的使用時間了。自從鋼管混凝土應用以來，由于其優越的力學性能，迅速的得到了西方國家建筑工程領域的關注。20世紀60年代前后，這一工程技術開始在歐美，蘇聯及日本受到廣泛關注，并開展了大量的研究實驗，但由于其澆注困難，另這一工程技術在施工過程中的潛力未沒有實現充分的體現。相比之下，人們更加愿意使用普通混凝土結構。

到了80年代后期，因為泵送混凝土技術的出現，以及迅猛進步的高強度混凝土必須使用鋼管來調節混凝土的剛性，在許多國家，特別是在高層建筑中，鋼管混凝土又得到了重新的發展，以往的鋼柱施工方式逐漸轉變成為了鋼管混凝土柱，這是現代建筑領域的一次技術層面的飛躍。

中國自60年代起開始研究和應用鋼管混凝土，已有50年的歷史，自20世紀60年代首次把鋼管混凝土柱應用于建筑工程之中以來，取得了一系列的成功應用。80年代，按照建設部的政策要求，中國于鋼管混凝土方面展開了比較深入的技術科研，使得這一技術結構的信息數字理論以及規劃技術實現了一系列的高速發展，并逐漸發展為能夠滿足實際應用需求的計算原理和計算技術。近年來，更是由于高層建筑、地鐵、大跨等高速發展，有力地推動了這一現代化技術結構的新發展。

1 鋼管與混凝土承載力計算理論

鋼管混凝土與以往的技術類型比較有著非常明確的實際優點，在受力方面同樣如此。鋼管混凝土在受力為鋼筋和混凝土共同受力，由于其套箍作用，對受壓承載力有增強的效果。然而，針對其結構組件的軸向受壓承載強化的原理，在國際上還沒有出現具有廣泛共識的觀點。

1.1 國外研究理論

在國外主要有以下兩種觀點：

（1）以日本、美國為首的土木界人士實驗研究得出，鋼管以及混凝土可以綜合發揮作用，以此分擔壓力荷載，然而二者并不具備互相的制衡能力。它的運算方式同鋼筋混凝土柱具有高度的一致性，直接采用鋼管的實際承載力以及混凝土的承載力。例如在日本的技術結構規劃標準體系之中，它的軸心承載逐漸的運算方法就相對忽略了混凝土于鋼管結構側向制約條件下的強度上升，即：

在這一運算方式中，fsk是鋼管服從程度，fck是混凝土的實際抗壓值數。

（2）以前蘇聯為首的部分土木界人士則得出這一技術結構的受力需求以及構成需求都低于鋼筋混凝土，他們判定鋼管對于混凝土的側壓效果并不明顯，但圓柱結構在生產階段會受到多方面因素的影響，并導致其強度的變化。舉例說明：由于鋼管中心位置缺少了鋼筋，就防止了因為配筋造成的氣孔、砂眼、空隙等缺陷問題，進而強化其密實性。由于鋼管和核心混凝土相結合，會另加荷階段的鋼管混凝土柱保持相對整體狀態，在軸向力作用下，鋼管能夠負擔混凝土形成的雙方面應力，可以避免造成圓柱結構表面破壞的剪力以及裂縫，進而有效升高混凝土的實際受壓能力。按照實驗研究數據，可以總結出其承載力計算方法：

式中，σs表示鋼管的服從應力；R表示混凝土的實際抗壓能力。

1.2 國內研究理論

在國內，以著名建筑學專家鐘善桐，中國建筑科學院蔡紹懷為主的中國學者則將這一技術結構混凝土剛度上升的原因認定為是由于鋼管對核心混凝土的套箍作用的結果。混凝土因為鋼管的側向壓力影響，處在三方受壓的應力狀態，有效強化了混凝土的軸向承壓能力，并且也讓它的破壞形式由脆性轉化為塑性。他們通過不同的實驗方法和途徑，對這一技術結構基礎組件的受力能力以及運行機理展開了理論研究以及實踐分析，現階段已經獲得了相對統一的意見，即在三方應力的共同影響之下，混凝土剛度的提高能夠通過以下公式進行反應：

在這一公式之中，fco表示側壓力條件下，混凝土的軸向承載能力；fck表示混凝土標準承載能力；σr表示混凝土的實際側壓力曾在數值；k3表示混凝土側壓力指數。

2 鋼管混凝土承載力不同理論對比

理論1將鋼管與混凝土相互區隔進行分析，分別確定兩者的承載力，然后進行疊加。這種理論的優點是各種材料受力比較明確，計算簡單。但缺點在于忽略了鋼管于核心區混凝土的制約效果從對核心區混凝土的增強作用。這種理論與實驗有一定的誤差，計算結果比實際強度低，造成一定的浪費。但相當于整個柱有一定的強度儲備。

理論2則表示鋼管于混凝土的側壓力影響相對較小，但由于在制作過程由于鋼管之中缺少鋼筋，防止了由于配筋造成的氣孔、砂眼、空隙等缺陷問題，使密實性得到提高。且鋼管與混凝土相結合，令柱結構在加荷的實際作用之下轉化為致密的整體，在軸向力作用下，鋼管承受了混凝土所形成的拉應力以及剪切應力，可以消除造成柱體表層破壞的剪力以及裂縫，以此有效強化混凝土的受壓承載能力。這種理論在某種程度上考量了鋼管的制約作用，以此強化了混凝土的實際剛度。但然而，其也忽略了鋼管縱應力的實際屈從標準。一般來說，鋼管是在縱向受壓以及環向受拉的雙重影響之下運行的，因此，需要依據應力強度的條件變化來對極限條件進行確定。

理論3之中將多方面受力條件之下的混凝土組件統合于標準的理論環境之中，并使用綜合性的辦法對承載力進行運算。這種理論指出：設計技術結構組件的工作性狀隨著材料的物理參數、組件的規格系數、截面狀態、應力條件的變化而改變的，其改變具有連續性以及相關性。計算是統一的。因此理論將這一技術結構的組件理解為統一的相同原料，通過組件的規格特點、截面面積、抵抗矩、組合性能對組件的相應受壓能力進行運算。這種理論同樣存在著一些問題，首先，這種理論計算是建立在理想彈塑性模型假設的基礎上的，這對于結構穩定性較強的鋼管混凝土結構是具有矛盾性的。并且，混凝土結構按照側壓力的研究結果所獲得的縱承載力以及側壓力的相關性進行承載力的明確，這與混凝土的實際運行情況存在差異性。

以上三種理論有各自的區別，其計算理論有各自的優缺點，但三種理論也存在一定的相關性。事實上，這些運算方式之間的差別就是在于估算鋼管以及核心混凝土二者互相制約作用而形成的套箍作用。這一作用的影響就形成了結構組件這一特殊組件的實際性特點，以此就造成了組件力學特點的駁雜性。不同理論的研究者們從不同的角度對上述問題進行了研究。但是各研究者由于對鋼管和混凝土之間套箍效應的理解不同，因而估計的準確程度也會有所不同，所獲得的計算方法和計算結果也就有所出入。此外，像上面對各理論評價中所提到的，在荷載作用下，這一技術結構組件多種材料塑性的發展特點相對繁雜，采用理想的彈塑性體和實際結論有一定出入。因此，在目前的情況下，也不能一概而論，認定哪種理論優越于其他的，各國學者也是仁者見仁，智者見智。從應用實際的角度進行分析，逐漸構建和諧且健全的理論體系是影響混凝土結構未來發展有效途徑。

3 目前研究存在問題和建議

鋼管混凝土作為一種高承壓能力，受力性能好，經濟效益高的結構形式，在近十年來，隨著經濟和建設業的迅速發展，其應用也以驚人的速度增長。目前，國際上的相關學者在鋼管混凝土受力特點以及計算理論的科研方面獲得了實際性的新的進展，但是仍然存在以下一些關鍵性的問題：

（1）鋼管混凝土承載力計算中采用理想彈塑性模型的假設，這對抗變形能力很強的鋼管混凝土是不合理的。

（2）圓鋼管混凝土根據定值側壓力的實驗結果得到縱向承載力與側壓力的關系從而確定其承載力，這和核心混凝土的工作狀態不符。

（3）把鋼管普通混凝土和鋼管高強混凝土機械地分開進行研究。

（4）對鋼管混凝土在動力荷載作用下的性能研究主要以實驗為主，這不利于深入系統地了解動力荷載作用下的性能。

除了上述在受力性能和計算理論方面的不足之處，要更好更安全地推廣使用鋼管混凝土結構，以下不足之處建議進行進一步的研究：

（1）鋼管混凝土防火設計規程的制定及防火設計方法的推廣。

（2）鋼管混凝土施工力學的研究。

（3）鋼管混凝土中核心混凝土質量問題的控制和檢測。

（4）鋼管混凝土的徐變、疲勞及動力性能的進一步深入研究。

（5）鋼管混凝土構件及其與梁連接節點制造及構造的標準化和工業化。

以上這些存在和需要改進的問題也是鋼管混凝土結構使用和設計中的關鍵技術問題。鋼管混凝土因為結合了鋼管以及混凝土的性能，讓它達到了相對優勢的力學特點，然而，其也形成了這一技術結構在力學特點方面的繁復性，雖然說經過幾十年的迅猛發展。然而同鋼筋混凝土結構以及鋼結構比較，其是一種現代化的新興結構形式，其性能有待于進一步的研究。

4 結束語

近年來，鋼管混凝土結構以其優越的性能以及較好的經濟性，在我國高層建筑和超高層建筑中得到迅速的發展，成為了我國可推廣的一種理想結構體系。但由于其研究時間還不長，在應用上一定程度上受不完善的理論所限制。我相信隨著鋼管混凝土方面的研究進一步完善，鋼管混凝土在建筑業將會得到空前的發展。要實現這一目標，需要我們共同努力，為鋼管混凝土結構的發展作出貢獻。

[1]鐘善桐.鋼管混凝土中鋼管與混凝土的共同工作[J].哈爾濱建筑大學學報，2001（1）：6～10.

[2]蔡紹懷.鋼管混凝土結構的計算與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，1989.

[3]蔡紹懷.我國鋼管混凝土結構技術的最新進展[J].土木工程學報，1999（4）：16～25.

[4]鐘善桐.鋼管混凝土統一理論[J].哈爾濱建筑工程學院學報，1994（6）：21～27.

[5]蔡 鍵.鋼管混凝土柱節點的應用現狀和存在問題[J].建筑結構，2001（7）：89～90.

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