關(guān)于對鋼管混凝土設(shè)計理論與試驗方法的研析

林康

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

由于鋼管混凝土(concrete-filled steel tube, CFST)具有承載力高、抗震性能優(yōu)異、施工簡便等優(yōu)點，其在大跨度及超高層領(lǐng)域已有許多工程實例應(yīng)用，如圖1 所示。鋼管混凝土通過鋼管與核心混凝土的組合作用來發(fā)揮各自的材料優(yōu)勢，外包鋼管約束核心混凝土的受壓膨脹，而核心混凝土又反過來延緩鋼管因內(nèi)陷式局部屈曲而導(dǎo)致的失穩(wěn)破壞，從而顯著提高鋼管混凝土的承載力和延性。另外，在施工階段，鋼管可以作為混凝土澆筑的模板，從而省去拆摸、支模工序，縮短施工周期，提高施工效率。

圖1 鋼管混凝土的工程實例應(yīng)用

過去幾十年里，學(xué)者們對鋼管混凝土的力學(xué)性能、抗震性能、耐火性能和韌性性能等開展了大量的試驗研究和理論分析。以往研究表明，建立鋼管混凝土設(shè)計理論的核心在于如何準(zhǔn)確評估鋼管和核心混凝上之間的組合效應(yīng)，這也決定了鋼管混凝土受力機理分析的復(fù)雜性。因此，已有的理論研究往往需要借助某些理想化假定，且常規(guī)的試驗研究也只能得到鋼管混凝土整體所承擔(dān)的荷載，無法直接得到鋼管和核心混凝土的全過程內(nèi)力分配情況，使得試驗研究無法為精細(xì)化的理論研究提供可靠指導(dǎo)。總結(jié)來說，不同學(xué)者對鋼管混凝土中鋼管與核心混凝土組合效應(yīng)的復(fù)雜性和全過程軸壓受力機理的認(rèn)識不盡相同，致使無法對其進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

為了充分認(rèn)識鋼管混凝土的受力機理，形成實用、真實合理的研究和設(shè)計方法，本論文基于目前已提出的“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”和“極限平衡法理論”，分析鋼管混凝土構(gòu)件的設(shè)計和計算方法要點，并提出一種可直接量測鋼管混凝土中內(nèi)力分量的試驗方法，為鋼管混凝土設(shè)計理論的精細(xì)化研究提供思路和可行建議。

1 相關(guān)理論研究

1.1 鋼管混凝土統(tǒng)一理論

按照截面形式的不同，鋼管混凝土通常可分為圓形鋼管混凝土、方形或矩形鋼管混凝土以及異形鋼管混凝土，而后又經(jīng)由優(yōu)化設(shè)計，其截面形式由實心構(gòu)件發(fā)展至空心構(gòu)件，如圖2 所示。鐘善桐教授團隊在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了適用于不同截面形式、不同受力狀態(tài)下的“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”[1]。

圖2 各種截面形式的實心（a-c）和空心（d-f）鋼管混凝土柱

以受壓構(gòu)件為例計算方法如式（1）、式（2）所示。

式中：N，M，T，V 分別是構(gòu)件所受的軸向壓力，彎矩，扭矩和剪力；N0，M0，T0，V0分別是構(gòu)件的軸向壓力，彎矩，扭矩和剪力設(shè)計承載力；NE——歐拉臨界力，NE=3.1416EscmAsc/λ；λ——構(gòu)件的長細(xì)比；βm——等效彎矩系數(shù)，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范采用；Asc——橫截面面積，實心、空心構(gòu)件不同；fsc——鋼管混凝土構(gòu)件的軸壓強度設(shè)計值；φ——實心圓鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，其他截面取ksφ，ks取值可參考相關(guān)文獻(xiàn)[1]。

可以看出，為了便于指導(dǎo)相關(guān)實踐，該理論簡易化地將鋼管混凝土視為一種組合材料（單一材料），其承載力按統(tǒng)一形式的公式進(jìn)行設(shè)計，不區(qū)分鋼管和核心混凝土，忽略了鋼管與核心混凝土在受力全過程中存在的復(fù)雜受力行為和破壞機理；另外，該理論的提出是基于實心鋼管混凝土的，其對空心鋼管混凝土的適用性有待進(jìn)一步考究。

1.2 極限平衡法理論

蔡紹懷教授認(rèn)為鋼管和核心混凝上之間的組合作用歸功于鋼管對核心混凝土的套箍效應(yīng)，這使得鋼管混凝土的承載力和延性大為提高。因此，蔡紹懷教授在分析鋼管混凝土的組合作用時引入“套箍系數(shù)θ”，并建立了“極限平衡法理論”[2]，對后續(xù)相關(guān)研究工作有一定借鑒意義。

以軸壓鋼管混凝土為例：

（1）套箍系數(shù)。

式中：As和fs分別是鋼管的橫截面面積和屈服強度，Ac和fc分別是核心混凝土的橫截面面積和抗壓強度。

（2）鋼管混凝土軸壓承載力按式（4）、式（5）計算。

實際應(yīng)用時，當(dāng)θ＞1，公式可簡化為式（6）。

由式（6）可知，該理論通過引入套箍系數(shù)θ 來考慮鋼管與核心混凝土的組合作用，套箍系數(shù)越大，鋼管混凝土的軸壓承載力的提高幅度越大，強度與套箍系數(shù)呈正相關(guān)。以往研究表明[3-5]，鋼管在屈服后（極限狀態(tài)）仍能繼續(xù)有效約束核心混凝土，而“極限平衡法理論”在考慮套箍系數(shù)θ 時僅以鋼管屈服強度fs為限值，后續(xù)研究有必要對鋼管的屈曲后行為和其他因素的影響進(jìn)行更為深入的分析。

2 試驗研究方法

2.1 概述

由以上分析可知，無論是“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”還是“極限平衡法理論”，兩者對鋼管混凝土中鋼管與混凝土組合效應(yīng)的復(fù)雜性和全過程軸壓受力機理的認(rèn)識不盡相同，致使無法對其進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。此外，常規(guī)的試驗研究也只能得到鋼管混凝土整體所承擔(dān)的荷載，無法直接得到鋼管和混凝土的全過程內(nèi)力分配情況，試驗研究無法為精細(xì)化的理論研究提供可靠指導(dǎo)。因此本文提出如下可直接量測鋼管混凝土中軸力分量的試驗方法，為鋼管混凝土設(shè)計理論的精細(xì)化研究提供思路和可行建議。

2.2 試驗研究方法及可行性分析

本文所提出的鋼管混凝土軸力分量量測的試驗方法如圖3 所示。試件包括單邊有面板的外包鋼管、核心混凝土以及力測量裝置組成，見圖3（a）。為實現(xiàn)軸力量測目的，把試件劃分為上、下兩個組成部分：也就是下部的鋼管混凝土試驗段，包括試驗段外包鋼管和核心混凝土；上部的軸力量測段，由量測段外包鋼管和力測量裝置組成。量測段外包鋼管由內(nèi)壁口徑與試驗段外包鋼管的外壁口徑一致的鋼管焊接在試驗段外包鋼管上部而成。通過預(yù)先設(shè)計量測段外包鋼管的壁厚和力量測裝置的尺寸，使兩者在加載過程中始終處于為彈性階段，避免鋼材進(jìn)入屈服階段而影響量測結(jié)果的精度。在安裝力量測裝置前，可以在其中部布設(shè)應(yīng)變傳感器，通過反復(fù)軸壓來標(biāo)定出力量測裝置的彈性段軸力-軸向平均應(yīng)變關(guān)系，如圖 3（b）~（c）所示。

圖3 鋼管混凝土軸力分量量測的試驗方法

加載過程中，可以利用力量測裝置所測的實時軸向平均應(yīng)變數(shù)據(jù)和標(biāo)定出的軸力-軸向平均應(yīng)變關(guān)系來計算出核心混凝土所承擔(dān)的軸壓力，并進(jìn)一步直接得到鋼管的軸力分量，以此達(dá)到本文試驗方法的目的。值得注意的是，混凝土澆筑完成后，安裝力量測裝置時應(yīng)提前在核心混凝土上平鋪一層高強無收縮材料，確保二者之間的應(yīng)力傳遞更加均勻。

基于上述方法，本文對方鋼管混凝土開展了相關(guān)的軸壓試驗，試件詳細(xì)尺寸見表1。試件SI-W 采用軸力量測方案，試件ST 則為同尺寸的純鋼管對比件。所有鋼管采用Q235 鋼，試驗中制作了12 個同批次的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊（150mm×150mm×150mm），所有試塊均進(jìn)行密封養(yǎng)護，以實現(xiàn)模擬核心混凝土實際養(yǎng)護環(huán)境的目的。立方體抗壓強度實測平均值為39.2MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為1.2MPa。

表1 試件詳細(xì)尺寸

各試件的軸力分量-軸向平均應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。可以直觀看出，試件SI-W 為在達(dá)到峰值荷載時，鋼管已經(jīng)進(jìn)入屈服后強化階段，其所承擔(dān)的軸力也基本達(dá)到峰值，而核心混凝土由于受壓開裂進(jìn)入了承載力下降段；對比試件SI-W 和試件ST，鋼管在進(jìn)入承載力下降段后，由于核心混凝土的反約束作用，試件SIW 中鋼管的軸力分量-平均應(yīng)變曲線相比于試件ST 的軸力-平均應(yīng)變曲線來說具有更平緩的下降段，也就是前者具有更好的屈服后延性。

圖4 試件的軸力分量-軸向平均應(yīng)變關(guān)系曲線

基于試驗結(jié)果可知，本文所提出的試驗方法可有效量測鋼管混凝土中鋼管和混凝土的全過程受力分配情況，對于鋼管的屈服后行為等因素對鋼管混凝土的承載力和延性的影響可進(jìn)一步開展更細(xì)致的研究工作。因此，本文對后續(xù)理論和試驗研究提出以下建議：基于軸力分量量測方法，對不同截面形式鋼管混凝土的軸壓性能開展參數(shù)范圍更廣的試驗研究，以真實有效的試驗數(shù)據(jù)為理論研究提供依據(jù)，并進(jìn)一步修正鋼管混凝土的承載力公式，提出更合理的鋼管混凝土全過程受力機理模型。

3 結(jié)語

由于鋼管混凝土中鋼管和混凝土之間的相互作用具有一定的復(fù)雜性，“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”和“極限平衡法理論”的理想化假定均無法真實的反映實際鋼管混凝土的受力行為；基于此本文提出一種可直接量測鋼管混凝土中內(nèi)力分量的試驗方法，為鋼管混凝土設(shè)計理論的精細(xì)化研究提供思路和可行建議，具有較強的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。