外加約束的鋼管混凝土組合柱研究綜述

(湘潭大學 湖南 湘潭 411105)

引言

鋼管混凝土柱是一種由混凝土填充的空心鋼管柱組成的構件。鋼管混凝土是在鋼管內澆筑混凝土形成的組合結構。在鋼管的約束下，核心混凝土處于三向受壓狀態，顯著提高核心混凝土承載力和延性，且在鋼管內填充混凝土后，可增強鋼管穩定性，使其強度得到充分發揮。由于鋼管混凝土具有承載力高、延性好、耐疲勞、施工方便等優點，已在高層建筑、地下及港口工程等復雜建筑中得到廣泛應用[1]。

但在實際工程中，鋼管混凝土柱還存在一些缺陷。在彈性階段，鋼的膨脹量大于混凝土的壓縮量，從而導致界面粘結不完善。這會對鋼管的約束產生不利影響，并降低彈性模量。在加載初期，由于鋼管的橫向變形系數大于混凝土的橫向變形系數，二者將處于近似單獨工作，使得鋼管無法對核心混凝土產生有效約束力；在彈塑性階段，鋼管混凝土柱中的外包鋼管處于縱向受壓，橫向受拉的雙向應力狀態，因此鋼管對核心混凝土的約束力有限。由于鋼管處于雙向應力狀態之中，鋼管的縱向應力低于鋼材屈服強度，且當鋼管屈服后，鋼管縱向應力隨著橫向應力的增加而逐漸降低，即當鋼管屈服后，鋼管對構件縱向承載力的貢獻也隨著變形的增加逐漸減弱。此外，在實際工程中，混凝土澆筑、養護不當或核心混凝土收縮、徐變及溫度效應均可導致鋼管與核心混凝土間產生脫空現象，影響二者之間的相互作用，甚至會導致鋼管發生局部屈曲，影響正常使用。針對此種現象，國內外學者展開了多方面的研究。

一、FRP約束鋼管混凝土組合柱性能研究

研究人員提出了 FRP約束鋼管混凝土組合柱，即在鋼管混凝土柱外包FRP材料，從而使鋼管內的核心混凝土處于FRP和鋼管的雙重約束之下，FRP約束鋼管混凝土是FRP約束混凝土和鋼管混凝土兩者的有機結合，將纖維增強復合材料結合鋼管使用，可以替代一部分鋼管，不但減輕了結構整體的重量，從經濟方面考慮，還能減薄大直徑鋼管的壁厚，在實際工程中代替高強度鋼材，這會極大地減少鋼管混凝土的成本和重量；此外，利用FRP約束鋼管混凝土，不僅可提高鋼管混凝土的承載力，還可充分利用鋼管混凝土結構和FRP約束混凝土結構的優勢，并在一定程度上彌補了兩者的不足。

FRP約束鋼管混凝土組合結構，由FRP管、鋼管、混凝土三部分組成，三種材料的共同工作與受力使得其具有很多不同于其他組合結構的優點。FRP(Fiber Reinforced Plastics)是一種新興的纖維增強復合塑料，近年來在工程中越來越多的采用纖維增強復合材料代替鋼材，其優點主要有：①抗拉強度高；②耐腐蝕性好，可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環境中抵抗化學腐蝕；③熱膨脹系數與混凝土相近；④抗疲勞性能優于傳統結構材料；⑤自重輕，便于施工。

陶忠等[2]相繼對 FRP 約束鋼管高強混凝土力學性能進行了試驗研究。結果表明，FRP 約束鋼管高強混凝土柱比同條件的傳統鋼管高強混凝土柱承載力更高，延性和耗能效果更好。

王慶利等[3]通過對10根CFRP—鋼復合圓管內填混凝土軸壓短柱和用于對比的5根圓鋼管混凝土軸壓 短柱承載力的試驗研究，實驗發現：外包CFRP可以有效提高鋼管混凝土軸壓短柱的剛度和承載力；CFRP —鋼管內填混凝土軸壓短柱相對于鋼管混凝土軸壓短柱的承載力提高率近似隨著CFRP筒約束指標的增加而線性增加。

Hu等進行了 3個鋼管混凝土柱和9個GFRP約束鋼管混凝土柱的軸壓試驗，考察了鋼管厚度和FRP 層數對FRP約束鋼管混凝土柱軸壓性能的影響。試驗結果表明，FRP約束可以有效地改善鋼管混凝土的承 載力和延性，并且可以延緩甚至抑制鋼管的局部屈曲問題，而鋼管越薄，FRP約束的效果越明顯。

顧威進行了 CFRP—鋼管混凝土偏壓柱實驗，結果表明：CFRP—鋼管混凝土偏壓柱在一定的長細比和偏心率范圍內，當長細比和偏心率一定時，CFRP約束效應系數越大，則CFRP對極限承載力提高的幅度越大；當CFRP約束效應系數和鋼管約束效應系數一定時，偏心率越大，承載力提高的幅度越小。

二、鋼材約束的鋼管混凝土組合柱性能研究

Lai和Ho提出了在鋼管外表面焊接環形鋼筋的組合結構，并對18根鋼管混凝土柱進行了試驗。試驗結果表明，外鋼圈對提高鋼管混凝土柱的強度和延性有很好的效果。此外，在彈性階段早期，焊接的鋼外環能夠限制鋼管和核心混凝土的橫向膨脹，從而提高鋼管混凝土柱的鋼-混凝土界面粘結性能。

在此基礎上，Lai和Ho提出了加鋼套約束(鋼套自帶螺栓可調節松緊)的構件形式，并進行了10根鋼套約束的鋼管高強混凝土短柱軸壓試驗。試驗結果表明，外加鋼套約束對改善高強混凝土柱和鋼管混凝土柱的單軸受力性能十分有效。試驗中，在試件施加荷載之前安裝約束鋼套，使試件不受應力滯后效應的影響，鋼套約束得以充分利用。且發現通過縮短鋼套約束的間距，可以產生更大、更均勻的圍壓應力，從而延緩鋼管的屈曲。

陳志華[4]等提出了內加螺旋箍筋加勁的鋼管混凝土構件形式，并研究了不同間距螺旋箍筋約束下構件的力學性能。研究表明，混凝土強度等級的提高、螺旋箍筋間距的減小、螺旋箍筋直徑的增大均能有效提高配螺旋箍筋方鋼管混凝土柱的軸壓承載力，但是改變螺旋箍筋強度等級對配螺旋箍筋方鋼管混凝土柱的軸壓承載力的影響不明顯。并提出計算方法來計算配螺旋箍筋方鋼管混凝土柱的軸壓承載力。

總結

從已有的實驗研究當中可知，外加約束鋼管混凝土新型組合結構具有自重輕、軸向受壓承載力高、耐久性好、延性好、施工方便等優點，可用作房屋的框架柱、橋梁結構的墩柱等構件，有著廣泛的應用前景。這種組合結構主要具有以下特點：(1)外加約束可防止鋼管的局部屈曲，使釆用薄壁鋼管成為可能，大大減輕結構自重；(2)外加約束作為鋼管的保護層，也可有效解決鋼管的腐蝕問題，在海洋環境或者大規模工程中有著良好的應用前景。(3)當鋼管混凝土構件遭受意外作用受到一定損壞時，其剩余承載力可能不足以繼續承載，構件需進行修復加固才可繼續使用。這時，通過在鋼管混凝土柱外加設約束的新型構件形式，可在一定程度上改善構件的承載力和延性，使其能夠繼續使用，這就為鋼管混凝土構件受損后修復加固和力學性能加強提供了有效途徑。因此，此類外加約束的鋼管混凝土組合柱不僅能夠提高鋼管一混凝土構件的極限承載力，或在承載力不變的情況下減小鋼管壁厚，降低用鋼量，并使整體構件的延性得以改善，有著廣泛的工程應用價值和經濟價值。