被動(dòng)預(yù)應(yīng)力和主動(dòng)預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土柱研究概述

陳 果，何宛芬，向 華

(成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

1 概述

鋼管混凝土柱是由鋼管和混凝土兩種組件構(gòu)成的一種新型組合結(jié)構(gòu)，其中，混凝土材料具有受壓承載力高、抗裂性能差的特點(diǎn)，鋼材材料具有抗拉性能好、抗壓性能差的特性，而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠更好的發(fā)揮這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，也可改善鋼筋混凝土構(gòu)件截面面積過大、鋼構(gòu)件抗火性能差等缺點(diǎn)。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、塑性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，使得鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐漸增加，例如，地下車站、單層廠房、多層或高層建筑以及大跨度橋梁工程等方面[1-3]。

2 預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土柱

在過去對鋼管混凝土研究過程中，學(xué)者們對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種研究，如壓、彎、扭、剪及其復(fù)雜的組合作用下的受力分析、鋼管混凝土構(gòu)件在受到自應(yīng)力作用、初應(yīng)力作用下的受力分析等方面已經(jīng)做了充分的研究，但隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的深入發(fā)展，伴隨而來的其他問題和負(fù)面作用逐漸顯現(xiàn)，還有待進(jìn)一步探索。例如，在實(shí)際工程中，鋼管混凝土柱在受到工作荷載前一般會(huì)受到預(yù)加荷載，有的預(yù)加荷載是在施工過程中造成的，而有的是為了提高鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能而施加的[4]。

在施工過程中被動(dòng)產(chǎn)生的預(yù)緊力，對鋼管混凝土產(chǎn)生負(fù)面影響，國外一些學(xué)者將其定義為被動(dòng)預(yù)應(yīng)力，而為了使鋼管混凝土產(chǎn)生正面影響，在設(shè)計(jì)階段主動(dòng)施加給構(gòu)件(結(jié)構(gòu))預(yù)應(yīng)力以提高其力學(xué)性能的預(yù)加載，定義為主動(dòng)預(yù)應(yīng)力。關(guān)于“主動(dòng)”“被動(dòng)”的概念，除了Milan[5]定義了鋼管混凝土柱的被動(dòng)預(yù)應(yīng)力和主動(dòng)預(yù)應(yīng)力外，Naghipour M等[6]也在其文獻(xiàn)中提出了“主動(dòng)”的概念。

2.1 被動(dòng)預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土柱

在施工過程中，例如，在高層建筑或者超高層建筑中，在將混凝土泵入鋼管之前需要安裝好幾層結(jié)構(gòu)(見圖1，圖2)，這導(dǎo)致鋼管受到初始?jí)毫ψ饔茫搭A(yù)應(yīng)力。一般來說，在受到工作荷載之前，鋼管混凝土柱通常會(huì)先受到一個(gè)初始負(fù)載，這些負(fù)載往往會(huì)產(chǎn)生消極作用，如鋼管自重、濕混凝土重量和一些臨時(shí)施工設(shè)備或構(gòu)件的重量。除此之外，混凝土干縮也會(huì)使得混凝土端面低于鋼管的端面，使得在鋼管混凝土受到工作荷載前先受到一個(gè)鋼管預(yù)壓。

韋灼彬，韓林海[7]通過試驗(yàn)表明，初應(yīng)力系數(shù)越大，試件的極限承載力性能降低越明顯。張曉慶，鐘善桐[8]通過試驗(yàn)研究，初應(yīng)力對偏壓鋼管混凝土構(gòu)件的塑性性能和延性都有一些影響。黃福云，陳寶春[9-10]提出了有限元計(jì)算方法，初應(yīng)力系數(shù)和長細(xì)比增大，極限承載力降低的幅度也會(huì)變大。韓林海，堯國皇[11]考慮了鋼管的初應(yīng)力影響，可使鋼管混凝土構(gòu)件的極限承載力最多降低20%左右。查曉雄等[12]對有預(yù)壓和無預(yù)壓下的軸壓鋼管混凝土柱做了對比試驗(yàn)和有限元計(jì)算。結(jié)果表明，預(yù)緊力的存在降低了受壓柱的穩(wěn)定承載力；隨著預(yù)緊力的增大，穩(wěn)定性系數(shù)也隨之增大。Liew等[13]也進(jìn)行了相關(guān)研究，預(yù)緊力產(chǎn)生的附加變形會(huì)由于鋼管局部屈曲而對中細(xì)長鋼管混凝土柱的軸向受力性能影響更大。如果預(yù)壓水平(βa)較高(βa>0.6)，軸向壓縮能力的降低將超過20%。Caio C.Milan等[14]也探討了兩種被動(dòng)預(yù)緊力(見圖3)，探討了在軸心荷載作用下，各種情況的受力機(jī)理。結(jié)果表明：混凝土預(yù)加載使得其工作荷載容量降低41%，鋼管預(yù)加載使得工作荷載容量降低36%。

由上述研究分析可知，被動(dòng)預(yù)應(yīng)力可能會(huì)使得鋼管沒有充分發(fā)揮其對核心混凝土的約束作用，從而降低其受力性能，甚至?xí)︿摴芑炷两Y(jié)構(gòu)造成危害，為了避免此危害，學(xué)者們想通過外在力或組件使得鋼管混凝土的性能有所增強(qiáng)，并得以運(yùn)用，此時(shí)的預(yù)應(yīng)力對鋼管混凝土柱產(chǎn)生一種積極作用，即主動(dòng)預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土柱。

2.2 主動(dòng)預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土柱

對于鋼管混凝土柱而言，在設(shè)計(jì)階段為改善其性能而有意施加的預(yù)應(yīng)力被歸類為主動(dòng)預(yù)應(yīng)力，目前主要采用主動(dòng)預(yù)應(yīng)力的工況有：第一類是在鋼管混凝土柱周圍施加一個(gè)環(huán)向荷載(如圖4所示)，環(huán)對鋼管混凝土柱產(chǎn)生一個(gè)環(huán)向預(yù)緊力，使得其在受到工作荷載前就已經(jīng)處于三向受壓狀態(tài)了；第二類是(自密實(shí))自應(yīng)力混凝土，通過添加膨脹劑，使得混凝土膨脹，由于鋼管對混凝土產(chǎn)生的環(huán)向箍緊作用，在受到工作荷載后，其受力性能明顯增加(如圖5所示)。

Morteza等也在其文獻(xiàn)中采用水力法對鋼管混凝土主動(dòng)施加橫向預(yù)應(yīng)力。結(jié)果表明，主動(dòng)預(yù)壓CFST試件具有較高的抗壓彎曲能力。Caio C.Milan等探討了兩種主動(dòng)預(yù)緊力(見圖6)，探討了在軸心荷載作用下，各種情況的受力機(jī)理。結(jié)果表明：兩種預(yù)加載模式中只有環(huán)向預(yù)加載(見圖6(b))是切實(shí)可行的，并能有效的增強(qiáng)鋼管混凝土柱的承載力及延性，相比于普通鋼管混凝土，其承載力可提高36%。在初始應(yīng)力的影響下,對于鋼管自應(yīng)力混凝土的彈性工作階段比普通鋼管混凝土大10%左右,承載力也有5%～20%的提高；而對于鋼管自應(yīng)力自密實(shí)高強(qiáng)混凝土柱，當(dāng)初始自應(yīng)力達(dá)到3 MPa～5 MPa時(shí)，其承載力提高9.2%～11.7%，因而，當(dāng)鋼管膨脹混凝土摻加適量膨脹劑能提高其力學(xué)性能，其極限承載力大于普通鋼管混凝土承載力[15-17]，因此，鋼管混凝土柱在自應(yīng)力的作用下能有效的提高其受力性能。趙政[18]課題組設(shè)計(jì)了液壓法施加預(yù)應(yīng)力的裝置(見圖7)，并對6根液壓預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土短柱和2根普通鋼管混凝土短柱的軸壓對比試驗(yàn)，證明了液壓預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土短柱的極限承載能力高于普通鋼管混凝土短柱。王金蘭[19]在他的文章中開展了力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：使用了摻膨脹劑的方法降低了液壓預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土的預(yù)應(yīng)力損失。

基于上述討論，通過添加膨脹劑、施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力、液壓預(yù)應(yīng)力等外力作用或外在組件使得鋼管混凝土柱的受力性能增強(qiáng)，產(chǎn)生積極的效果，即產(chǎn)生主動(dòng)預(yù)應(yīng)力，使構(gòu)件具有良好的受力性能。此研究課題有良好的發(fā)展前景。

3 結(jié)論

目前，對于如何給鋼管混凝土柱施加主動(dòng)預(yù)應(yīng)力，主要是通過給混凝土添加膨脹劑、施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力、液壓預(yù)應(yīng)力等方法使得鋼管混凝土柱的受力性能增強(qiáng)。而這些方法缺乏大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，以及與之相適應(yīng)的材料本構(gòu)關(guān)系、預(yù)應(yīng)力大小較難控制、預(yù)應(yīng)力的損失理論計(jì)算還不夠完善、施加預(yù)應(yīng)力的裝置還不夠成熟，需要進(jìn)一步改進(jìn)等一系列問題還待進(jìn)一步解決。

1)目前國內(nèi)幾乎沒有學(xué)者對鋼管混凝土的被動(dòng)預(yù)加載和主動(dòng)預(yù)加載進(jìn)行定義和界定，國外也只有少數(shù)的學(xué)者進(jìn)行了探討。

2)沒有將預(yù)應(yīng)力類型進(jìn)行系統(tǒng)的歸類，在為了提高鋼管混凝土的性能而進(jìn)行的設(shè)計(jì)很少，目前有自應(yīng)力鋼管混凝土、液壓預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土等。

3)自應(yīng)力鋼管混凝土,由于其使用的膨脹水泥用量較大，而不經(jīng)濟(jì)；其預(yù)應(yīng)力大小受人為的影響，不能很好的控制；目前的鋼管混凝土柱的本構(gòu)關(guān)系不能很好的滿足自應(yīng)力鋼管混凝土軸壓短柱的計(jì)算。

4)液壓預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土，在試驗(yàn)過程中預(yù)應(yīng)力損失較大，且其實(shí)驗(yàn)裝置較為復(fù)雜，在施工中應(yīng)用和普及仍有較多問題需要解決。

5)Caio C.Milan等提出的四種預(yù)加載模式，只進(jìn)行了軸壓有限元分析，缺少了試驗(yàn)研究；鋼管混凝土柱在實(shí)際施工過程中，鋼管混凝土柱在受到預(yù)加載的情況下，可能受到偏心受壓、受剪、低周往復(fù)運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜的受力過程。