新型薄壁鋼管混凝土柱靜力性能研究

張峰

（湖北工業大學，湖北 武漢430068；煙臺市消防救援支隊，山東 煙臺264000）

1 薄鋼組合結構的特點

近年來，由于建筑形式的多樣化、工程環境的超復雜化以及應用領域的不斷擴大，人們對結構工程的研究提出了更高的要求，使新的結構形式不斷涌現。在眾多的結構形式中，鋼―混凝土組合結構以其突出的特點和良好的使用效果，被廣泛應用于高層與大型橋梁等建筑中。隨著研究的不斷深入和應用領域的不斷擴展，鋼―混凝土組合結構已形成一個獨立的結構體系，成為繼傳統的四大結構（木結構、砌體結構、鋼結構、鋼筋混凝土結構）之后的第五大結構。在使用過程中，由于鋼材與混凝土兩種不同性質的材料可以充分發揮各自特長，組合結構具有一系列的優點。目前研究比較成熟且實際應用比較廣泛的幾種鋼與混凝土組合構件的截面形式，如圖1所示，在工程設計中，與這些構件配套的相應規范、規程也比較齊全。

圖1 幾種常見組合構件

在實際工程中，評價一種新的結構形式是否具有生命力，應同時具備三個基本屬性，如圖2所示，即結構是否可用，可用的結構是否可靠，可用、可靠的結構是否經濟，三個屬性的交集才是最具發展前景的結構體系。傳統的鋼—混凝土組合結構在前兩個屬性上十分優異，但由于第三個屬性在一些建筑類型中應用的不足（如在中、低層建筑中），使其在結構工程中全面普及受阻。在這種情況下，新型薄鋼―混凝土組合結構應運而生。

圖2 判斷新的結構形式生命力的三個基本屬性

薄鋼―混凝土組合結構（簡稱薄鋼組合結構）是一種由薄壁板材、冷彎薄壁型鋼（包括薄壁鋼管）與混凝土組合而成的新型結構。混凝土的存在，提高了薄壁構件的局部屈曲承載力和抗火及防腐蝕性能；薄壁型鋼的存在，可兼作梁、柱模板，還可起到部分受力縱筋或約束箍筋的作用。由于該結構形式同時具備了薄鋼結構和混凝土結構的優點，近年來，在國內外受到了越來越多學者的關注。

我國年鋼產量已超過2億t，居世界首位，然而鋼材在建筑結構中的應用卻相對較少，與發達國家相比存在很大差距。為實現我國現代化建設中可持續發展的戰略目標，改善我國已經遠遠低于世界人均水平的耕地資源現狀，響應國家大力提倡開發綠色建筑、環保建筑的號召，最終取代以粘土磚為主要建筑材料的房屋建造方式，應加大具有輕質、高強并可重復利用的建筑用鋼比例。但僅僅依靠在大中城市建造為數不多的高層、超高層鋼結構或鋼―混凝土組合結構建筑，顯然難以實現上述目標。因此應將推廣鋼結構、鋼―混凝土組合結構的重點放在占建筑物比例最大的中低層建筑上，特別是住宅建筑上。

考慮到我國的實際情況，薄鋼組合結構是一種能滿足中低層建筑要求，尤其是住宅建筑的結構形式。該組合結構除具有傳統鋼―混凝土組合結構的一系列優點之外，還可以根據具體受力特點選擇合理的薄鋼截面形式，使構件受力更合理；薄壁型鋼構件重量較輕，可方便人力搬運和安裝；又由于鋼構件的多樣性和可選擇性，可通過不同的節點構造形式，組成多種合理結構體系，降低建造成本，其綜合經濟指標有望接近磚混結構體系。因此可以推斷，在我國薄鋼組合結構的應用前景十分廣闊。

2 新型薄壁鋼管混凝土柱施工問題

對施工期間薄壁箱形鋼管混凝土結構中的鋼柱在澆筑混凝土時的情況進行有限元分析，發現在滿足施工對側向位移要求的前提下，由于澆筑的混凝土對鋼管產生側向壓力，隨著一次澆筑混凝土樓層數的增加，對底層鋼管管壁的寬厚比（b/t）要求越來越嚴格，甚至小于使用荷載下的限值，所以研究如何加強薄鋼構件施工時的剛度，減小施工時鋼管的側向變形是非常必要的。由于薄鋼構件的壁厚很薄，施工時焊接質量不易保證，產生的焊接變形和殘余應力對構件承載力有一定影響。因此需要研發便于工廠大批量機械化加工及適于現場人工操作的焊接設備。為從根本杜絕焊接給生產和施工帶來的不便，還應進一步研究用機械連接來替代焊接連接的制作與施工方法。通過研究發現，混凝土振搗方式對普通鋼管混凝土柱強度會產生一定的影響，因此也需對薄壁鋼管混凝土構件的混凝土澆筑方式進行研究。

3 新型薄壁鋼管混凝土柱靜力性能研究試驗分析

3.1 短柱試件設計與制作

為便于比較分析不同設肋形式對方形薄壁鋼管混凝土短柱性能的改善效果，探索其力學行為和極限承載力的增強機制，在試件設計上安排了普通、單向、雙向設置直肋和單向、雙向設置斜肋的5種截面形式，構件截面外輪廓尺寸分為200mm×200mm和300mm×300mm兩種，總共10種試件形式，每種3個，共30個試件。普通薄壁鋼管混凝土短柱，由冷彎槽鋼通過對接焊成型；其余截面形式均由帶卷邊加勁的冷彎槽鋼或等邊角鋼通過焊接組成。在制成的方形鋼管底部焊接10mm厚的鋼板作為底模，灌入混凝土并用振搗棒振搗密實后抹平，自然條件下養護2周后用砂漿找平，再焊接10mm厚的鋼板作為頂蓋板，最終形成組合構件。

3.2 新型薄壁鋼管混凝土短柱靜力測試結果

通過對不同形式新型薄壁鋼管混凝土短柱的軸壓試驗，可以得出以下結論：①試驗中的薄壁鋼管混凝土軸壓短柱試件的破壞模式，主要表現為剪切破壞，剪切破壞面的剪切角在30°～54°之間。SC200和SC300設肋柱分別在荷載達到極限承載力的60%～70%和45%～55%時，先在柱某一鋼板表面出現可觀察到的微曲，說明隨著試件寬厚比的增加，鋼管屈曲發生的時間越來越早；②在所有設肋或設對拉片構件中，肋板或對拉片均能與混凝土保持良好粘結，直至試件破壞；③設置直肋與斜肋均可有效提高薄壁鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力和軸向變形能力。與普通薄壁鋼管混凝土柱相比，SC200短柱單向設置直肋與斜肋的效果基本相同，分別提高了極限承載力的15%、18%；雙向設置直肋與斜肋的效果更顯著，分別提高了26%、29%，提高程度約為單向設肋的2倍。

3.3 不同形式薄壁鋼管混凝土試驗研究

3.3.1 長柱試件設計制作

長柱采用了與短柱相同的截面形式，截面尺寸均為200mm×200mm正方形，截面形式為普通薄壁鋼管混凝土長柱，截面形式2～5為單向、雙向設置直肋或斜肋的薄壁鋼管混凝土長柱，每種截面形式3個試件，共15個。截面形式6、7為單向、雙向設置對拉片的薄壁鋼管混凝土長柱，按不同的對拉片設置間距分為4種長柱，每種3個試件，共12個。每種長柱相同的3個試件分別安排偏心距70mm、40mm和軸壓3種加荷方式。長柱鋼管的制作過程與短柱基本相同。在形成的空鋼管一端焊接上蓋板，另一端蓋板待混凝土灌滿、養護和打磨平整之后再焊接，蓋板和鋼管的幾何中心對中；然后在上、下蓋板表面的柱截面形心處焊上長度20mm的鋼榫，并保證其與蓋板垂直。

3.3.2 新型薄壁鋼管混凝土長柱靜力測試結果

在試驗期間主要獲得了以下方面的結果：①設肋或設對拉片薄壁鋼管混凝土偏壓長柱均表現為極值點整體失穩破壞模式，破壞部位發生在柱中撓度最大處。軸壓長柱均表現為局部彎曲引起的分枝點或極值點整體失穩破壞模式，破壞位置發生在柱中與柱四分點之間；②試驗完畢后，剖開表面鋼板，在所有設肋或設對拉片的軸壓、偏壓長柱中，不論受壓區還是受拉區的肋板或對拉片均與混凝土保持良好粘結，沒有屈曲現象發生，表明肋板或對拉片均能與混凝土很好地共同工作直到試件破壞；③設置直肋與斜肋均可有效提高薄壁鋼管混凝土長柱的極限承載力。對于偏壓長柱，隨著加載偏心距的增大，單、雙向設肋長柱的極限承載力提高幅度有接近的趨勢。對于軸壓長柱，由于承載力主要受整體穩定控制，且制作難度高，導致的初始偏心距也較大，故軸壓長柱的極限承載力提高幅度沒有短柱大；④設置對拉片可在一定程度上提高薄壁鋼管混凝土軸壓長柱的極限承載力。對于偏壓長柱，隨著偏心距的增大，對拉片提高長柱極限承載力的效果減小，最終降至與普通薄壁鋼管混凝土柱基本相同的承載力。

總之，針對新型薄壁鋼管混凝土柱靜力性能進行研究是極為有必要的，其可以更好地保證施工建設的安全性，優化建筑質量，對于我國施工事業的發展和進步有極為重要的推動作用，必須要提高對相關工作的重視度，科學實施相關工作。