復(fù)合實(shí)腹式鋼管混凝土柱的研究進(jìn)展及設(shè)計(jì)探討

張飛燕（浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 東陽(yáng) 322100）

混凝土具有較好的抗壓承載力和剛度、價(jià)格較低廉的優(yōu)點(diǎn)，但其抗拉強(qiáng)度低。鋼材具有較高的抗拉、抗彎強(qiáng)度，及優(yōu)異的延性的特點(diǎn)，但其價(jià)格相對(duì)昂貴，在制作成厚度較薄的構(gòu)件時(shí)其穩(wěn)定性差。鋼管混凝土充分利用了這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，解決了兩種材料的不足之處，且鋼管對(duì)核心混凝土的約束效果好，使混凝土與鋼材組合在一起起到了“1+1大于2”的效果。在外層鋼管內(nèi)放置一圓鋼管，組成內(nèi)圓外方的復(fù)合鋼管混凝土柱，形成一種新型的組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 復(fù)合鋼管混凝土截面

1 復(fù)合鋼管混凝土柱的研究背景

隨著國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)及城市化的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的高度及難度不斷增大，普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿(mǎn)足要求，需要高效的建筑材料及高性能的結(jié)構(gòu)形式，高效的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)功能與施工模擬技術(shù)。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使高層建筑的發(fā)展更加易于實(shí)現(xiàn)。

我國(guó)有廣大地區(qū)處于地震帶，國(guó)土面積約有750萬(wàn)平方公里處于抗震設(shè)防6度及以上的地區(qū)。對(duì)于一般的高層及超高層建筑，其自重大，且風(fēng)荷載對(duì)其影響較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)遇到高于當(dāng)?shù)卦O(shè)防的罕遇地震時(shí)，若采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土柱將受到較大的破壞，且其需要設(shè)計(jì)成較大的截面，犧牲了大量的建筑使用面積。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)有著比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)好的承載力、剛度和延性，甚至在震后能夠快速修復(fù)。

鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，結(jié)合利用了混凝土抗壓強(qiáng)度高、剛度大、價(jià)格低廉和鋼材抗彎、抗拉強(qiáng)度高、延性好的優(yōu)點(diǎn)，避免了鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及混凝土結(jié)構(gòu)變形能力差的問(wèn)題，且鋼管對(duì)核心混凝土具有較好的約束效果，提高了混凝土的承載力，特別改善了混凝土的延性。在超高層建筑中，在不改變柱子數(shù)量的情況下，巨大的荷載效應(yīng)必然需要提高結(jié)構(gòu)柱的性能，從而需要增大柱子的截面面積，當(dāng)鋼管混凝土截面較大時(shí)，鋼管對(duì)中心區(qū)混凝土的約束效果不佳，此時(shí)，在鋼管內(nèi)部再安置一個(gè)圓形鋼管，形成內(nèi)圓外方復(fù)合鋼管混凝土柱（以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合柱），將大大提高鋼管對(duì)混凝土的約束能力，在不增大柱子截面面積的情況下對(duì)組合柱的承載力及延性有較大的提高。復(fù)合柱最早是由國(guó)內(nèi)學(xué)者蔡紹懷[1]提出。復(fù)合柱主要有內(nèi)圓外方和內(nèi)圓外圓兩種形式。研究表明，復(fù)合柱主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

鋼管對(duì)混凝土的約束效果較箍筋好；

充分利用了兩種建筑材料的優(yōu)點(diǎn)并避免了其不足，提高了截面的軸心抗壓承載力，有效減小框架柱的截面尺寸，能夠有效避免在地震中發(fā)生的剪切脆性破壞；

在鋼管中放置圓鋼管，增強(qiáng)了中心區(qū)域混凝土的約束效果，同時(shí)，內(nèi)部鋼管將混凝土分割成兩部分，可以減小混凝土的收縮，具有更強(qiáng)的內(nèi)力重分布來(lái)抵抗徐變等不利因素；

鋼結(jié)構(gòu)的抗高溫性能較差，兩層鋼管中間的混凝土能夠有效隔絕溫度傳遞，使內(nèi)部圓鋼管的溫度不至迅速升高，有效保證了內(nèi)部鋼管混凝土的承載力；

外層方形鋼管能夠與鋼梁方便地連接在一塊，提高了建筑結(jié)構(gòu)的施工速度。

2 復(fù)合柱的抗壓性能研究進(jìn)展

2.1 軸壓性能

在超高層建筑中，框架柱作為主要的受力構(gòu)件，其承擔(dān)了大量的豎向荷載作用。軸壓性能作為框架柱的重要性能，有必要對(duì)復(fù)合柱的軸心受壓性能進(jìn)行研究。

裴萬(wàn)吉[2]考慮了不同內(nèi)圓鋼板壁厚、不同內(nèi)圓鋼板直徑及不同柱長(zhǎng)，制作了6個(gè)內(nèi)圓外方的復(fù)合柱，并對(duì)其進(jìn)行軸壓性能研究，認(rèn)為內(nèi)圓鋼管改善了方鋼管對(duì)核心區(qū)混凝土的約束效果，從而提高了構(gòu)件的承載力，且內(nèi)圓鋼管能夠限制圓鋼管內(nèi)的混凝土發(fā)生橫向變形，從而提高了復(fù)合柱的彈性區(qū)域。錢(qián)稼茹[3]等將復(fù)合鋼管結(jié)合高強(qiáng)混凝土，考慮了方、圓鋼管壁厚、混凝土強(qiáng)度等不同因素的影響，完成了23個(gè)試件的軸壓性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合柱的軸壓承載力在應(yīng)變已達(dá)到0.1左右的情況下仍能夠承擔(dān)約70%的極限承載力，說(shuō)明其變形、延性性能較好。在文章中，還討論了復(fù)合柱的承載力計(jì)算值，建議忽略方鋼管對(duì)混凝土的約束效果但能承擔(dān)軸壓，按其方法得到的承載力計(jì)算值略小于試驗(yàn)值，但誤差較小。

林斯嘉[4]在其學(xué)位論文中闡述了內(nèi)圓外圓復(fù)合高強(qiáng)混凝土柱的軸壓承載力，其完成了不同高度，內(nèi)、外徑之比及不同套箍指標(biāo)的26個(gè)試件的軸壓試驗(yàn)，值得注意的是，其采用了C80及C100強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。在文章中，作者根據(jù)彈性力學(xué)半逆解法提出了內(nèi)圓、外圓、復(fù)合柱的軸壓下的剛度解析解，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在此基礎(chǔ)上做了參數(shù)分析，為復(fù)合柱的剛度研究奠定了理論基礎(chǔ)。最后還提出了簡(jiǎn)化的極限承載力計(jì)算方法，其方法簡(jiǎn)單實(shí)用且較為準(zhǔn)確。張志權(quán)、王欽亭、王志浩等均在其文章[5][6][7]中討論了復(fù)合柱的軸壓承載力的機(jī)理及其計(jì)算方法，所提出的計(jì)算方法均有較好的結(jié)果。

新型組合結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)必然需要計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的跟進(jìn)，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)復(fù)合鋼管混凝土柱軸壓性能的數(shù)值模擬研究，主要是采用有限元分析軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。王衛(wèi)華、丁啟榮等[8][9]基于非線(xiàn)性有限元軟件ABAQUS對(duì)內(nèi)圓外方復(fù)合柱的軸壓性能進(jìn)行了有限元分析并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果表明，模型得到的極限軸壓力、荷載-位移曲線(xiàn)均與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。在此模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了擴(kuò)展參數(shù)分析，得到了在鋼板壁厚不變的情況下，內(nèi)部圓鋼管的直徑增大，復(fù)合柱的軸壓承載力及剩余承載力將先增大后減小。文獻(xiàn)[10][3][11]等做了不同情況下的復(fù)合柱軸壓性能的有限元分析，結(jié)果表明，ABAQUS、ANSYS、OpenSees等有限元分析軟件均能夠很好地模擬復(fù)合柱的軸心受壓性能，這將為復(fù)合柱在超高層建筑中的應(yīng)用提供有利參考。

2.2 偏壓性能

裴萬(wàn)吉[2]在其研究中同時(shí)考慮了復(fù)合柱的偏心受壓性能，其根據(jù)不同的圓鋼管型號(hào)進(jìn)行了4個(gè)復(fù)合短柱的偏壓試驗(yàn)，結(jié)果顯示，由于圓鋼管對(duì)核心區(qū)混凝土的約束增強(qiáng)，使得其偏壓承載力提高。周蓉等[12]基于雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論，考慮了偏心率和長(zhǎng)細(xì)比參數(shù)，提出了復(fù)合柱的偏心受壓承載力計(jì)算公式，所得結(jié)果較為可行。

馬淑芬[13]考慮不同尺寸及壁厚完成了9個(gè)復(fù)合柱的偏壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：內(nèi)置圓鋼管對(duì)偏壓下的核心區(qū)混凝土的約束效果增強(qiáng)，增強(qiáng)效果隨內(nèi)徑增大更加顯著。

錢(qián)稼茹等[14]為研究復(fù)合鋼管高強(qiáng)混凝土短柱的偏心受壓性能，完成了16個(gè)偏心率在0.2～0.6情況下的復(fù)合柱靜力試驗(yàn)，從試驗(yàn)分析中可以得知復(fù)合柱的破壞形態(tài)均為整體彎曲及外層鋼管局部鼓曲，復(fù)合柱的剩余承載力為極限承載力的3/4以上，具有優(yōu)異的延性性能。最后提出采用疊加法原理計(jì)算復(fù)合柱的偏心受壓承載力，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較為準(zhǔn)確。

考慮到鋼材的耐腐蝕性能較差，在先前復(fù)合柱研究的基礎(chǔ)上提出了將外層鋼管置換成不銹鋼管，丁啟榮在其學(xué)位論文[15]中完成了15個(gè)外層不銹鋼方鋼管內(nèi)層普通鋼管組合柱的偏心受壓試驗(yàn)，分析了其力學(xué)性能，并將ABAQUS有限元模型與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果較為吻合。

2.3 復(fù)合柱的抗震性能研究進(jìn)展

在高層及超高層建筑中，特別是在地震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，構(gòu)件特別是框架柱的抗震性能尤為重要。為了推廣復(fù)合柱的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者針對(duì)不同形式下的復(fù)合柱展開(kāi)了深入研究。錢(qián)稼茹、李寧波等[16][17][18][19]考慮不同軸壓比、外層放鋼管壁厚、內(nèi)圓鋼管套箍系數(shù)，進(jìn)行了12個(gè)復(fù)合柱試件的擬靜力試驗(yàn)。結(jié)果表明：復(fù)合柱試件的破壞形態(tài)基本一致，柱底約1/4柱高處發(fā)生外方鋼管屈曲，兩層鋼管間的混凝土發(fā)生局部破壞，復(fù)合柱有著飽滿(mǎn)的滯回曲線(xiàn)，沒(méi)有發(fā)生明顯的捏攏現(xiàn)象。最后，在平截面假定的基礎(chǔ)上分別計(jì)算方鋼管及圓鋼管混凝土柱在軸壓時(shí)的正截面抗彎承載力，將二者疊加得到復(fù)合柱在軸壓時(shí)的正截面抗彎承載力，其結(jié)果與試驗(yàn)值相比誤差較小。文章中，還討論了復(fù)合柱在遭受大震破壞后快速修復(fù)的可能性。同時(shí)，基于OpenSees軟件對(duì)復(fù)合柱進(jìn)行了有限元分析，討論了不同參數(shù)對(duì)復(fù)合柱抗震性能的影響。文章[16]中作者將復(fù)合柱進(jìn)行了改進(jìn)，即在兩層鋼管之間設(shè)置加勁肋，如圖2，改進(jìn)后的復(fù)合柱的滯回性能更加穩(wěn)定，且具有更高的承載力、更好的耗能性能及延性，改進(jìn)后的復(fù)合柱在地震后更容易進(jìn)行快速修復(fù)。

圖2 改進(jìn)后的復(fù)合柱

白楊[20]將外層鋼管設(shè)置為不銹鋼，進(jìn)行了6個(gè)復(fù)合柱的抗震滯回性能試驗(yàn)并基于ABAQUS軟件進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明不銹鋼管復(fù)合柱試件的滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)，具有良好的抗震滯回性能。周云[21]完成了5個(gè)復(fù)合高強(qiáng)混凝土柱的低周反復(fù)水平荷載試驗(yàn)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上討論了試件的壓 彎承載力的計(jì)算方法及其適用性。劉永超[22]在其學(xué)位論文中對(duì)復(fù)合柱的抗震性能進(jìn)行了有限元分析，系統(tǒng)地研究了不同鋼管強(qiáng)度、尺寸、混凝土強(qiáng)度、軸壓比、長(zhǎng)細(xì)比、對(duì)復(fù)合柱抗震性能的影響。

3 復(fù)合柱的設(shè)計(jì)

3.1 正截面受壓承載力

由文獻(xiàn)[3][4]中的試驗(yàn)結(jié)果可知：內(nèi)部圓鋼管對(duì)圓鋼管內(nèi)的混凝土具有較強(qiáng)的約束效果，而外部的方形鋼管無(wú)法對(duì)圓鋼管內(nèi)的混凝土起到約束效果，僅提供軸壓承載力。參考文獻(xiàn)[1][3][4][5][6][23]中的計(jì)算方法，為安全考慮，忽略外部方鋼管對(duì)混凝土的約束效果，同時(shí)考慮規(guī)范[24]中的要求，提出復(fù)合柱的正截面受壓承載力計(jì)算方法：

式中：N為柱軸壓承載力設(shè)計(jì)值；Nu為截面軸壓承載力設(shè)計(jì)值；Nuc為內(nèi)圓鋼管混凝土柱截面的軸壓承載力設(shè)計(jì)值；θ為內(nèi)部圓鋼管的套箍指標(biāo)，，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)小于C50時(shí)，取，否則取fac,Aac和fao,Aao分別為內(nèi)外鋼管的屈服強(qiáng)度、截面面積；fcc,Acc和fco,Aco分別為內(nèi)圓鋼管內(nèi)約束混凝土和內(nèi)圓鋼管外約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度、截面面積；γ可根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[25][26]取值。軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)?可根據(jù)規(guī)程[24]中提供的方法計(jì)算：

式中：Iac,Iao,Icc,Ico和Eac,Eao,Ecc,Eco分別為內(nèi)圓鋼管、外方鋼管、內(nèi)管內(nèi)混凝土、兩管間混凝土的截面慣性矩和彈性模量。

由于復(fù)合柱中的鋼管的截面面積相對(duì)于柱截面面積較小，根據(jù)規(guī)程[27]中提供的計(jì)算公式推算出復(fù)合柱內(nèi)圓鋼管內(nèi)砼的軸壓承載力設(shè)計(jì)值為：

式中：][cα為混凝土工作承擔(dān)系數(shù)限制，按規(guī)程[24]中取值。

3.2 偏壓承載力

計(jì)算復(fù)合柱的偏心受壓承載力，需要對(duì)復(fù)合柱截面進(jìn)行一下假設(shè)：1）復(fù)合柱截面復(fù)合平截面假定；2）鋼管與混凝土之間無(wú)滑移；3）混凝土本構(gòu)采用無(wú)約束混凝土本構(gòu)；4）不考慮混凝土的受拉強(qiáng)度。參考規(guī)程[24]的計(jì)算方法，復(fù)合柱的正截面壓彎承載力需滿(mǎn)足一下要求：

3.3 斜截面承載力

偏于安全及計(jì)算簡(jiǎn)化考慮，在計(jì)算復(fù)合柱斜截面承載力中不考慮內(nèi)部圓鋼管的抗剪承載力。根據(jù)規(guī)程[24]有復(fù)合柱的斜截面承載力計(jì)算要求：

式中：Vx為主軸x軸作用的最大剪力設(shè)計(jì)值；Vux為沿主軸x軸作用的抗剪承載力設(shè)計(jì)值；fvo為外方鋼管的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。將以上的x換成y即得到沿y軸的斜截面承載力要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)合鋼管混凝土柱能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，在其力學(xué)性能上具有更好的承載力、抗震性能、變形性能及延性。目前，盡管對(duì)復(fù)合柱進(jìn)行了一系列研究，但其設(shè)計(jì)方法還不成熟。仍然需要進(jìn)行相關(guān)的研究工作，推進(jìn)復(fù)合鋼管混凝土柱相應(yīng)的規(guī)程，為推廣復(fù)合柱的使用做準(zhǔn)備。