鋼管混凝土受壓承載力計算理論與影響因素分析★

羅 露 露

(武漢交通職業學院，湖北 武漢 430065)

0 引言

鋼管混凝土結構將鋼管與混凝土組合在一起成為一種高效的復合材料，與傳統的鋼筋混凝土相比，展現出很大的優勢。在軸向壓力作用下，外包的鋼管對內部的混凝土起著環箍作用，提高了混凝土的強度、韌性和耐久性能，為混凝土的成型兼顧模板的作用。而混凝土的存在又使得外部鋼管抗屈曲能力提高，結構的穩定性提高。大量研究結果表明組合材料的綜合性價比明顯高于兩種材料本身。而影響這種組合結構受力的因素很多，比如截面形式、粘結情況、是否加勁等，針對這一問題，文章總結了鋼管混凝土軸壓承載力的計算理論，并探討了鋼管混凝土受壓構件承載力的影響因素，為進一步深入對鋼管混凝土結構承載能力的研究創造一定的條件。

1 鋼管混凝土軸壓承載力計算理論

在鋼管混凝土結構的運用中，首先要解決的問題是如何通過理論計算其承載力。通過大量學者的試驗研究和工程經驗總結，形成了相對完整的結構計算理論，并編制成為相應的結構設計規范。目前國外關于鋼管混凝土結構的設計規范主要有日本的AIJ(1997)、美國的ASCI-LRFD(1999)和ACI(1999)、英國的BS5400(1979)、德國的DINI18800(1997)、歐洲的EC4(1997)；國內的主要有JCJ 101—89(1989)，DL/T 5085—1999，DB 29—57—2003，DBL13—51—2003。這些規范所運用到的理論歸納起來為三種。第一種以鐘善桐為代表，把鋼管和混凝土看作一個整體的統一理論，在計算承載力時不具體區分鋼管和混凝土兩種材料，計算簡單，但結果偏于安全。第二種基于鋼結構設計規范提出的擬鋼理論，把混凝土通過換算模量折算成鋼材，內部的混凝土使鋼管壁的屈服強度和彈性模量提高，但在計算時忽略了混凝土的抗拉及抗彎能力，與實際結構受力不一致，容易導致結構設計不準確。第三種稱為擬混凝土理論，認為外部的鋼管對內部核心混凝土起著套箍加強作用，鋼管等效為混凝土周圍的縱向鋼筋。這種套箍作用在圓鋼管混凝土結構中適用性比較好，但方、矩形鋼管混凝土結構，鋼管的套箍作用很小，這種理論無法準確計算出其承載力。由此可見，基于這三種理論基礎之上的各國設計規范或規程，在計算方法和計算結構上均有所出入。再加上鋼管混凝土結構實際受力的復雜性，導致三種理論均具有一定的缺陷和不足，需要進一步完善。

2 鋼管混凝土受壓承載力的影響因素

2.1 截面類型對鋼管混凝土受壓承載力的影響

目前對于鋼管混凝土所做的研究主要集中在方形和圓形兩種截面類型，為了提高鋼管和混凝土之間的相互作用，在截面設置加勁肋。鋼管混凝土的承載能力，隨著鋼管的壁厚、長細比、含鋼量、加勁肋的布置形式而發生變化。羅露露[3]通過試驗對10個方鋼管混凝土短柱試件進行研究，探討了鋼管壁厚、含鋼量及加勁肋等對試件軸壓極限承載力的影響。其試件截面如圖1所示。試驗結果如表1所示。

說明：c，d截面在加勁肋的布置上一樣，肋寬上有區別：c為40 mm寬；d為60 mm寬。

表1 羅露露[3]試驗結果

1)在其他條件相同的情況下，鋼管壁厚增加，其承載力得到提高。以試驗結果進行分析，10 mm壁厚的鋼管混凝土試件其承載力較6 mm厚的鋼管混凝土試件，a,b,c,d,e截面的承載力分別提高了30.23%,31.52%,19.56%,12.9%,7.56%。

2)在其他條件相同的情況下，含鋼量越大，試件的極限承載力也越大。6 mm厚的截面含鋼率從0.13到0.2，其承載能力提高了42.86%；10 mm厚的截面含鋼率從0.23到0.34，其承載能力至少提高了17.98%(d,e試件最終未破壞)。

3)在其他條件相同的情況下，隨著加勁肋數量的增加，試件的極限承載力顯著提高。截面從無加勁肋到雙向雙排加勁肋，其承載能力提高范圍為17.98%～42.86%。

由此可見，加大鋼管的壁厚、截面的含鋼率及布置一定數量的加勁肋均能使鋼管混凝土構件的極限承載能力得到提高。

彭煒[4]通過ANSYS進行理論分析，對長細比(λ=4L/D)從110～200的鋼管混凝土柱進行了承載力分析，計算結果如圖2所示。長細比從110增大到200，截面的極限承載力從482.52 kN降到167.19 kN，說明隨著長細比的增加，截面穩定承載力在逐漸下降。其中λ在110～170范圍內，降低較快；170～200時降低比較緩慢。

2.2 粘結情況對鋼管混凝土受壓承載力的影響

鋼管與混凝土之間的粘結與滑移對鋼管混凝土軸壓承載力的影響，堯國皇[5]制作了12個圓試件和8個方試件，截面徑(寬)厚比從30增大到125，在有粘結和無粘結兩種狀態下，進行了相關試驗。對試驗數據進行整理，如表2所示。

表2 堯國皇[5]有粘結和無粘結試驗結果

比較表2中的數據，在圓鋼管中，有粘結的試件其極限承載能力比無粘結試件的極限承載力要高一些，但是提高的效果并不明顯，其提高率在6.89%～10.07%。方鋼管混凝土試件表現出相同的規律，有粘結試件的極限承載力比無粘結的極限承載力僅僅提高了3.5%～8.31%。由此看出，在其他條件相同的情況下，有粘結和無粘結對試件軸壓承載力的影響并不大，對圓鋼管混凝土試件的影響要稍微大一些。

2.3 膨脹劑對鋼管混凝土受壓承載力的影響

在鋼管混凝土中加入膨脹劑，能夠使混凝土的密實性得到提高，會不會因此對鋼管混凝土的承載能力產生影響。楊陽[6]通過對3個圓鋼管混凝土試件進行了研究，其截面尺寸為140 mm×2.2 mm×500 mm。在混凝土中分別摻入0%,4%,8%的膨脹劑，對應的鋼管混凝土試件的極限承載力分別為957 kN,1 272 kN,1 156 kN。由此可見，在混凝土中加入膨脹劑其承載力得到了提高，最大提高32.9%。但是鋼管混凝土的極限承載力與膨脹劑的摻量不成正比關系。在該試驗中膨脹劑的摻量為4%的時候，承載力提高的最多，相反摻量為8%的時候卻只提高了20.8%。

2.4 混凝土徐變對鋼管混凝土受壓承載力的影響

鋼管混凝土徐變，是指由于核心混凝土的徐變而引起的鋼管和混凝土在受到外界荷載時的內力重分布。但是與普通的鋼筋混凝土的徐變不同，鋼管混凝土的核心混凝土在鋼管的包裹下，處于密閉狀態，且變形受到鋼管的限制，其機理更為復雜。研究表明，徐變對鋼管混凝土的承載能力有較大的影響。楊陽[6]以大跨度鋼管混凝土系桿拱橋為例，通過建立數值分析模型，對鋼管混凝土拱肋進行了理論研究，結果表明，混凝土的徐變對鋼管和混凝土的應力有明顯的影響。鋼管在3 600d的壓應力下顯著提高，提高幅度為15.7%～23.8%。混凝土在3 600d的壓應力下顯著降低，降低幅度為17.9%～20.3%。這對于大跨度鋼管混凝土系桿拱橋結構是非常不利的，因此必須重視徐變對結構承載力產生的影響。

3 結語

通過文章分析可以得出以下結論:

1)鋼管混凝土承載力的計算理論與鋼管混凝土的實際受力情況存在著一定的差異，有待進一步深入研究。

2)適當增加鋼管的壁厚、選擇合適的截面含鋼率以及布置一定數量的加勁肋，在一定范圍內可以提高鋼管混凝土的軸壓承載能力。

3)在一定范圍內，鋼管混凝土截面承載力與長細比成負相關。

4)鋼管與混凝土之間的粘結強度對其軸壓承載力的影響可以忽略不計。

5)在混凝土中增加一定量的膨脹劑可以提高混凝土的密實性，在一定程度上可以提高鋼管混凝土結構的軸壓承載能力。

6)混凝土的徐變會使得鋼管與混凝土的受壓承載力降低。

目前對其承載能力的研究已經取得了一定的成果，對鋼管混凝土結構在實際的運用中有一定的指導意義。但是隨著鋼管混凝土結構在大型橋梁工程、地鐵站的建設、高層建筑工程和單層多層工業廠房柱的應用越來越多，其受荷載情況和使用環境的復雜性，對其承載能力的影響因素變得更為復雜。本文對已有研究成果進行分析，希望能在此基礎之上，會有更多的學者對其在復雜工作環境中的受力性能進行深入的研究，讓鋼管混凝土結構在更廣闊的范圍中得到應用。