張兆強(qiáng)

（西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010）

1 引言

近年來(lái)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以其承載力高、延性和抗震性能好以及施工快捷等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的多高層建筑和大跨橋梁等結(jié)構(gòu)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1］。同時(shí)，工程結(jié)構(gòu)對(duì)重載、高聳、大跨的要求也不斷提高，這就要求柱既要有很高的承載力，又要有較好的延性。因此，在鋼管混凝土的基礎(chǔ)上涌現(xiàn)出了一些新型結(jié)構(gòu)形式。實(shí)復(fù)式鋼管混凝土就是其中一種，它是將兩層或者多層鋼管同心放置，并在鋼管中填充混凝土而形成的。常用的截面形式如圖1所示。

圖1 實(shí)復(fù)式鋼管混凝土截面形式

2 實(shí)復(fù)式鋼管混凝土的特點(diǎn)

實(shí)復(fù)式鋼管混凝土是在普通鋼管混凝土中增加圓鋼管形成的。由于增加圓鋼管后，鋼管和核心混凝土的相互作用進(jìn)一步增強(qiáng)，使得實(shí)復(fù)式鋼管混凝土柱具有更高的承載力，整體穩(wěn)定性得到提高，能更好地滿足高烈度地震區(qū)軸壓比和抗剪強(qiáng)度的要求。另外，由于內(nèi)鋼管處于構(gòu)件內(nèi)部，受到外層混凝土的包裹和保護(hù)，即使外鋼管在火災(zāi)作用下退出工作，內(nèi)層混凝土仍能繼續(xù)發(fā)揮承載能力，因此，其具有比普通鋼管混凝土更好的耐火性能。適合于在高聳結(jié)構(gòu)、高層建筑以及大尺寸的灌注樁中使用和加固現(xiàn)存的鋼管混凝土柱。

3 研究現(xiàn)狀

與鋼管混凝土上百年的研究歷史相比，對(duì)實(shí)復(fù)式鋼管混凝土的研究?jī)H有十余年的時(shí)間，基本上還處于起步階段。已開展的研究工作主要集中在構(gòu)件的軸壓、偏壓和滯回性能方面。

3.1 構(gòu)件的受壓承載力和滯回性能研究

蔡紹懷和焦占拴［2］進(jìn)行了實(shí)心復(fù)式鋼管混凝土短柱的軸壓性能試驗(yàn)研究。共制作了兩個(gè)試件，其中一個(gè)為同心放置的三層鋼管組成的實(shí)心復(fù)式鋼管混凝土柱，另一個(gè)為“梅花”狀布置的鋼管束。試驗(yàn)結(jié)果表明，在使用荷載作用下，試件仍處于彈性工作階段。文章還在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)極限平衡理論提出了該類構(gòu)件的極限承載力計(jì)算公式，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值符合較好。

張春梅等［3］進(jìn)行了6個(gè)雙鋼管高強(qiáng)混凝土軸壓短柱的試驗(yàn)研究，截面形狀如圖1（a）所示。試驗(yàn)過(guò)程中，考慮的主要參數(shù)是構(gòu)件的含鋼率和壁厚。研究結(jié)果表明：雙鋼管高強(qiáng)混凝土柱具有良好的力學(xué)性能，構(gòu)件在屈服前基本為彈性，在屈服后表現(xiàn)出了較好的延性；在相同含鋼率的情況下，雙鋼管高強(qiáng)混凝土柱的軸壓承載力高于單鋼管混凝土柱；利用現(xiàn)有的鋼管混凝土構(gòu)件承載力計(jì)算公式來(lái)計(jì)算雙鋼管混凝土柱的軸壓承載力，將產(chǎn)生較大的誤差，且偏于保守，應(yīng)當(dāng)考慮內(nèi)層鋼管的套箍作用。并在此基礎(chǔ)上，分析了鋼管外直徑、鋼管內(nèi)外直徑比、鋼管徑厚比和混凝土強(qiáng)度等因素對(duì)雙鋼管混凝土柱軸壓承載力的影響規(guī)律［4］。文獻(xiàn)［5］通過(guò)鋼－混凝土組合柱軸壓性能的試驗(yàn)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)鋼－高強(qiáng)混凝土組合柱在受力特點(diǎn)、破壞機(jī)制以及計(jì)算方法等方面均與普通鋼筋混凝土有很大的區(qū)別，組合柱均具有較高的軸壓承載力，尤以雙鋼管高強(qiáng)混凝土柱突出。

裴萬(wàn)吉［6］對(duì)截面形狀如圖1（b）所示的內(nèi)圓外方實(shí)復(fù)式鋼管混凝土短柱進(jìn)行了軸壓和偏壓試驗(yàn)，對(duì)長(zhǎng)柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，分析了圓鋼管的壁厚、管徑及材料的屈服強(qiáng)度等因素對(duì)其承載力的影響，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元軟件對(duì)內(nèi)圓外方實(shí)復(fù)式鋼管混凝土軸壓短柱進(jìn)行了分析，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。張玉芬等［7］根據(jù)鋼管混凝土統(tǒng)一理論，提出復(fù)式鋼管等效套箍系數(shù)，計(jì)算了內(nèi)圓外方實(shí)復(fù)式鋼管混凝土短柱的軸壓承載力，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本符合。文獻(xiàn)［8～10］運(yùn)用雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論，考慮中間主應(yīng)力以及內(nèi)、外鋼管對(duì)內(nèi)層混凝土的雙重約束作用，分別推導(dǎo)了內(nèi)圓外圓和內(nèi)圓外方實(shí)復(fù)式鋼管混凝土短柱軸壓和偏壓承載力計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，并給出了較為合理的受力機(jī)理解釋。

陳國(guó)祥等［11］通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下雙鋼管混凝土柱截面溫度場(chǎng)分布的研究，得出了不同火災(zāi)作用下內(nèi)、外鋼管溫度比值變化規(guī)律，結(jié)果表明：內(nèi)、外鋼管直徑比對(duì)其溫度比幅值影響較大，對(duì)內(nèi)鋼管實(shí)際溫度影響較小。

周云等［12］通過(guò)低周反復(fù)水平荷載作用試驗(yàn)，研究了雙鋼管高強(qiáng)混凝土柱的抗震性能。結(jié)果表明：雙鋼管高強(qiáng)混凝土柱在低周反復(fù)水平荷載作用下的荷載－變形曲線未出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象，滯回曲線較飽滿，表現(xiàn)出了較好的抗震性能。

3.2 節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究

文獻(xiàn)［13］采用ANSYS軟件對(duì)采用T型加勁板和加腋進(jìn)行增強(qiáng)的實(shí)復(fù)式鋼管混凝土柱與工字鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)承載力高，耗能能力較強(qiáng)，且不會(huì)發(fā)生節(jié)點(diǎn)域的板件斷裂，破壞時(shí)塑性鉸外移，屬于延性破壞，滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件的抗震設(shè)計(jì)原則。

文獻(xiàn)［14］提出了一種用于實(shí)復(fù)式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的新型外鋼管不連通環(huán)梁節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)4個(gè)試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究了其抗震性能。結(jié)果表明：新型節(jié)點(diǎn)具有較好延性和變形能力，增加環(huán)梁配筋率和柱內(nèi)鋼管尺寸可提高節(jié)點(diǎn)的承載力。節(jié)點(diǎn)整體性強(qiáng)，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“強(qiáng)柱弱梁”及“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則，具有較好的抗震性能。

4 研究與發(fā)展中的若干關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 靜力性能研究

雖然目前對(duì)實(shí)復(fù)式鋼管混凝土構(gòu)件在靜力荷載作用下的力學(xué)性能研究已有了一定的報(bào)道，但研究工作開展得還不夠充分和系統(tǒng)（如試件的數(shù)量偏少，考察參數(shù)還較為單一），且主要集中在構(gòu)件的受壓力學(xué)性能上，有關(guān)壓彎構(gòu)件的研究還很少。得到的承載力計(jì)算公式，雖已具有了較好的精度，但仍然顯得復(fù)雜。因此，還需要開展大量的試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析方法系統(tǒng)研究不同截面形式構(gòu)件在不同荷載作用下的工作機(jī)理，總結(jié)出便于工程應(yīng)用的計(jì)算公式，制定有關(guān)設(shè)計(jì)和施工規(guī)程，為該類構(gòu)件在實(shí)際工程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4.2 動(dòng)力性能研究

從前述研究現(xiàn)狀可看出，關(guān)于實(shí)復(fù)式鋼管混凝土構(gòu)件在動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)性能才剛剛進(jìn)行了一些嘗試性研究，對(duì)其恢復(fù)力模型、破壞機(jī)理等的分析尚欠深入。而工程結(jié)構(gòu)通常要對(duì)其進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，因此需要加強(qiáng)該方面的研究工作。

4.3 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)一直是工程應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。目前，關(guān)于普通鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的研究已取得了大量的成果。但是，節(jié)點(diǎn)形式仍偏少，同時(shí)也缺乏較充分的試驗(yàn)依據(jù)，已有的幾種節(jié)點(diǎn)形式在性能、施工和造價(jià)的處理上仍需要優(yōu)化，且能否直接將其節(jié)點(diǎn)移植到實(shí)復(fù)式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，還需要大量深入的探討。因此，設(shè)計(jì)適合于實(shí)復(fù)式鋼管混凝土的梁柱節(jié)點(diǎn)，形成一套較為完整和成熟的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法，具有重要的工程意義。

4.4 實(shí)復(fù)式鋼管混凝土組成的整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究

整體結(jié)構(gòu)體系的性能并不是單一構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)性能的簡(jiǎn)單疊加，通常情況下是有差異的。因此，有必要進(jìn)行相關(guān)的框架試驗(yàn)及理論計(jì)算，全面認(rèn)識(shí)整體結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能，這對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠度控制，進(jìn)而促進(jìn)該類結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用具有重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)復(fù)式鋼管混凝土是一種新型結(jié)構(gòu)形式，能夠適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載發(fā)展的需要，符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)化要求，具有很好的發(fā)展前景。隨著研究工作的深入和完善，其應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。

［1］ 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

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