薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱的可行性研究

哈 娜

（遼寧省交通高等?？茖W校 遼寧 沈陽 110122）

1 研究水平及意義

薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱力學性能研究，符合科技發展的需要，也符合我國國情的需要，具體體現在以下幾個方面：

（1）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱的力學性能研究可促進建筑工程中短柱的應用與發展，如實際工程中由于不同標高、樓層及構造要求而出現的錯層短柱、夾層短柱、全層短柱和填充短柱等各類短柱，都可采用短柱形式；（2）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱中超高強混凝土配合比的研究[1-3]，不僅可促進高性能混凝土的發展，同時也為超高強混凝土配合比的研究奠定一定的理論基礎；（3）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱中的應用外包方形鋼管，內嵌圓形鋼管的形式，不僅探索了不同薄壁鋼管形式對超高強混凝土的約束情況，同時設計內置不同圓鋼管直徑考慮挖空率對其力學性能的影響，更加全面地完善多種組合結構形式的力學性能探索；（4）薄壁鋼管的應用[2-3]，可以省去普通鋼筋混凝土中綁扎鋼筋、支模、拆模等工序，施工方便快捷，加快施工進度，且薄壁鋼管可直接購買，構造簡單、焊縫少，便于制作安裝，同時可減少運輸和吊裝的費用，在一定程度上可節省造價。（5）通過設置不同薄壁鋼管壁厚、內置薄壁圓鋼管直徑和壁厚、不同超高強混凝土強度等級、不同偏心距等參數，系統地探索了軸壓、偏壓和受彎短柱力學性能的差異，明確其工作機理、應力-應變曲線和承載力計算方法等，完善其受壓構件力學研究內容。

2 關鍵點及技術指標

（1）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土力學性能的研究提出應用薄壁方鋼管，內置圓鋼管的形式，不僅可以提高施工效率、減輕構件自重，同時也能夠在一定程度上降低工程造價。其設計的主要技術指標是方鋼管和圓鋼管的壁厚、圓鋼管的挖空率考察新型組合結構形式的力學性能，以及圓鋼管對核心混凝土的環向約束程度。（2）應用超高強混凝土設置于薄壁鋼管混凝土中，不僅能夠充分發揮超高強混凝土的性能，同時能夠促進超高強混凝土的應用，完善超高強混凝土配合比的優化設計。其設計的主要技術指標是設計不同超高強混凝土強度。（3）對薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土力學性能從軸心受壓、偏心受壓和受彎構件三個方面進行探索研究是課題擬解決的第三個技術關鍵點，保證此新型組合柱的力學研究內容的完善性。（4）從試驗和理論兩個方面對薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土力學性能進行研究，是項目擬解決的第四個技術關鍵點，保證課題的研究內容可以應用于工程實踐，更好地指導施工。（5）提出的組合結構形式可在北方較寒冷的地區或冬季進行施工，如薄壁鋼管骨架可在冬季進行安裝，來年春天就可進行超高性能混凝土的澆筑，其施工可不受季節的限制。

3 研究方法

薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱的組合形式，充分利用了薄壁鋼材的抗拉性能和超高強混凝土的抗壓性能，使其極限承載能力恒大于兩種材料承載能力的簡單疊加，且超高強混凝土與薄壁鋼管一起承壓可以充分發揮各自的優點和特色，被工程界人士稱為是最完美的組合，使得課題提出的組合柱的結構形式具有一定的合理性。

現有的關于超高強混凝土和薄壁鋼管的國內外試驗研究成果，可以更加有利于課題開展組合柱的試驗研究，進行試驗的參數化設計，為課題探索薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土力學性能的試驗研究奠定一定的試驗基礎。

在國內外關于組合結構的軸心受壓、偏心受壓以及受彎構件研究成果的基礎上，結合薄壁方鋼管，內置圓鋼管的力學性能特點，以及超高強混凝土的約束受力情況，從理論上建立組合柱的軸心受壓、偏心受壓和受彎承載力計算公式，從理論上為項目的開展奠定理論基礎。

采用的主要研究方法：

（1）文獻分析法。在總結現有薄壁鋼管和超高強混凝土性能相關研究資料的基礎上，進行相關文獻的對比分析，取長補短，保證項目研究內容處于國內外領先水平。

（2）正交設計法。采用相對較少的試驗就能獲得薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土軸壓、偏壓和受彎性能試驗研究中各因素對力學性能最全面的影響進行試驗方案的設計，使所設計的試驗方案合理化。

（3）疊加法。通過擬定基本假定，改變中和軸位置，同時考慮方鋼管、圓鋼管和受壓區混凝土部分屈服情況，對軸心受壓、偏心受壓和受彎組合構件的極限承載力公式進行理論推導。

技術路線：在搜集文獻資料研究的基礎上，采用正交設計的方法對影響薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱力學性能的不同壁厚、混凝土強度等級、內置圓鋼壁厚及直徑、偏心距等方面對軸心受壓、偏心受壓和受彎性能等試驗內容進行試驗方案設計，并在試驗研究的基礎上以應用疊加法對組合柱的極限承載力和變形公式進行推導，并將試驗結果和理論結果進行對比分析，見圖1。

圖1 技術路線

[1] 劉連鵬.圓鋼管約束型鋼超高強混凝土短柱軸壓受力性能研究[D].大連理工大學，2015.

[2] 張翔.薄壁鋼管混凝土梁柱力學性能試驗研究[D].浙江大學，2010.

[3] 金周.薄壁鋼管混凝土短柱基本力學性能研究[D].華僑大學，2008.