孫宗軍 陳小潔 韓金生

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

鋼套管混凝土柱的新發(fā)展★

孫宗軍 陳小潔*韓金生

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

為了提高鋼套管混凝土柱的套管效應(yīng)和施工的便利性，對鋼套管混凝土柱的構(gòu)造進(jìn)行了改進(jìn)，提出了切槽式鋼套管混凝土柱和組合式鋼套管混凝土柱的結(jié)構(gòu)形式，并闡述了相關(guān)概念和原理，探討了各自的優(yōu)缺點，為類似問題研究提供了理論依據(jù)。

鋼套管混凝土柱，切槽，套管效應(yīng)，受力機理

鋼筋混凝土柱與外部約束套管組合而成的結(jié)構(gòu)形式即套管混凝土柱，當(dāng)采用鋼管作為套管時即為鋼套管混凝土柱。鋼套管柱的概念最早是由Tomii,Sakino和肖巖等于1985年提出的，最初為外部包裹鋼管的鋼筋混凝土柱[1]，結(jié)構(gòu)形式與普通的鋼管混凝土柱相似，但是受力機理不同。普通鋼管混凝土既要受到約束混凝土柱的橫向膨脹變形又要受到其豎向壓力導(dǎo)致的變形作用；但鋼套管混凝土柱的鋼套管要避免承受很大的豎向壓力，主要起到約束混凝土柱的作用[2]。通常來講，所有具有外部約束部件、充分利用橫向約束作用的混凝土柱都可以稱為套管柱，外部套管的約束效應(yīng)稱為“套管效應(yīng)”。外部套管可以采用碳纖維、玻璃纖維、復(fù)合材料、鋼材等各種材料，但是最常見的還是鋼套管混凝土柱。

鋼套管混凝土柱是一種概念比較新穎的結(jié)構(gòu)形式，其本身的受力機理比較特殊，并具有良好的承載性能。但是目前只有部分學(xué)者對鋼套管混凝土柱進(jìn)行了少量的研究[3-5]，研究的廣度和深度都比較有限，在實際工程中也僅有少量的應(yīng)用。雖然鋼套管混凝土柱在研究和應(yīng)用上都存在一定的不足，但是通過改進(jìn)其構(gòu)造形式，可以進(jìn)一步提高其承載性能和施工的便利性，擴大其應(yīng)用前景。課題組在傳統(tǒng)鋼套管混凝土柱的基礎(chǔ)上對套管混凝土柱的構(gòu)造形式進(jìn)行了改進(jìn)，并申請了專利[6,7]。本文即針對鋼套管混凝土柱在構(gòu)造形式上的新發(fā)展及其特點作簡要介紹。

1 傳統(tǒng)鋼套管混凝土柱

傳統(tǒng)的鋼套管混凝土柱有兩種形式：鋼套管截斷式和鋼套管穿孔式?；炷林慕財嗍戒撎坠鼙葍?nèi)部的混凝土柱要短，這樣造成的結(jié)果就是混凝土柱直接受壓而不是鋼套管，這就實現(xiàn)了鋼管效應(yīng)，體現(xiàn)了鋼管的作用，如圖1a)所示。圖1b)為日本Sato等提出的鋼套管穿孔式的混凝土柱。像這種穿孔式的鋼套管混凝土柱，它的作用原理是：在柱端附近的鋼管上開一排孔，使其形成薄弱部位，由于薄弱部位在承受壓力后會提前屈服，這樣可以一并減小鋼管所承受的縱向壓力，從而實現(xiàn)以套管的橫向約束為主的套管效應(yīng)。

盡管如此，鋼套管截斷式混凝土柱跟鋼套管穿孔式混凝土柱都明顯存在一些不可忽略的缺點：1)在鋼套管部位，其截斷和穿孔處部位承受的縱向壓力會明顯減小，然而不管是截斷還是開孔都只是局限在局部，其他部位鋼管與混凝土之間的粘結(jié)和附著還是很大，這就必然使鋼管的中間部分仍然承受沿著高度分布不均勻的較大縱向壓力作用；2)截斷或者穿孔后的混凝土柱容易造成內(nèi)部混凝土漏漿，大大增加了施工難度，使鋼套管不能再用于澆筑混凝土柱的模板；3)截斷后鋼套管就不再是完整的個體，混凝土硬化之前不能再單獨承受壓力，也不能用于施工過程中的承重。這些缺點便限制了鋼套管混凝土柱在建筑施工中的應(yīng)用。

2 切槽式鋼套管混凝土柱

為了克服傳統(tǒng)鋼套管混凝土柱的不足，更好地發(fā)揮和利用鋼管的約束能力并且便于施工，提出了一種新的鋼套管混凝土柱——切槽式鋼套管，并為其申請了專利。這種切槽式的鋼套管混凝土柱是在鋼套管上加工多道切槽來實現(xiàn)套管效應(yīng)。如圖2所示，在鋼管上切削出具有一定間距和一定深度的凹槽，切槽可以是多道環(huán)形的，也可以是整條螺旋形的；切槽的截面形狀可以是直角矩形的，也可以是倒角梯形的；凹槽的深度略小于鋼管厚度。

切槽式鋼套管混凝土柱在豎向受壓的開始階段，鋼套管和混凝土柱同時受壓，但是在一個較小的荷載作用下鋼套管的切槽處即被壓屈并發(fā)生豎向的壓縮變形，此后鋼套管承受的豎向壓力基本不再增加，增加的壓力主要由中心的混凝土柱承受。因此鋼套管相比鋼管混凝土柱的鋼管，僅承受較小的豎向壓力，而主要對內(nèi)部混凝土柱的膨脹變形起到約束作用，從而實現(xiàn)了套管約束的目的。

由于鋼套管在切槽處沒有截斷，還有一定的厚度，能夠承受一定的荷載，因此切槽式鋼套管可以作為獨立的構(gòu)件與其他梁柱構(gòu)件相連接，形成結(jié)構(gòu)框架，并直接承受施工荷載。然后在鋼套管的內(nèi)部澆筑混凝土，此時的鋼套管即作為澆筑混凝土的模板。混凝土硬化后與鋼套管成為整體，最終形成切槽式的鋼套管混凝土柱。切槽式鋼套管混凝土柱的施工過程和便利程度類似于普通的鋼管混凝土柱。

對比之前傳統(tǒng)的鋼套管混凝土柱，切槽式的鋼套管有很多優(yōu)點：1)在鋼管上加工多道切槽，這樣便使得鋼套管的削弱作用更加充分，效果更加明顯；2)在鋼套管切槽處沒被截斷時可以用作混凝土制作的模板，而且切槽處的剩余承載力能夠有效支撐鋼套管在施工中的應(yīng)用，因此沒有增加在施工過程中的額外費用跟難度；3)像截斷式的鋼套管，主要被用于已建結(jié)構(gòu)的加固，但是礙于施工上的難題在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中難以大范圍應(yīng)用，而切槽式鋼套管混凝土柱則完全解決了截斷式的問題，因此在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中可以廣泛應(yīng)用。

3 組合式鋼套管混凝土柱

如前所述，切槽式鋼套管混凝土柱具有較好的套管效應(yīng)和良好的施工便利性，優(yōu)點明顯；但是也存在一些缺點，最主要的缺點就是加工難度較大。需要在數(shù)控車床上精確加工，成本較高，能夠加工的直徑和尺寸也有限。此外，切槽式鋼套管只能與一定高度的混凝土柱相適配，當(dāng)澆筑的混凝土柱的高度變化時，需要重新加工鋼套管。

針對切槽式鋼套管混凝土柱存在的問題，又提出了一種組合式鋼套管混凝土柱的概念[7]，如圖3所示。鋼套管由外部的環(huán)狀或螺旋狀鋼板箍和內(nèi)部的薄壁鋼管組成，鋼板箍的內(nèi)徑與薄壁鋼管的外徑相同，兩者套在一起后適當(dāng)點焊連接即組合形成整體的鋼套管。組合鋼套管的分解如圖4所示，內(nèi)部的薄壁鋼管主要起到施工時的支撐作用和澆筑混凝土的模板作用，壁厚可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，可厚可薄，可有可無；鋼板箍套在薄壁鋼管的外部，在豎向基本不受壓力作用，因此主要對內(nèi)部混凝土柱提供更充分、更強大的套管約束作用。

組合式鋼套管混凝土柱具備切槽式鋼套管混凝土柱的優(yōu)點：內(nèi)部薄壁鋼管可以承重，并可以作為澆筑混凝土的模板；外部鋼箍承受的豎向壓力非常小，能夠充分發(fā)揮對混凝土的約束作用；當(dāng)用于加固工程時，可以進(jìn)一步取消薄壁鋼管，將鋼箍直接包裹在既有混凝土柱上即可。同時組合鋼套管的加工更簡單，鋼箍可以單獨進(jìn)行加工制作，不需要復(fù)雜的工藝和設(shè)備，簡單方便，因此也更經(jīng)濟。此外，組合鋼套管的鋼箍數(shù)量和間距可以靈活調(diào)整，通過改變鋼箍的個數(shù)就可以適配不同高度的混凝土柱，因此組合式鋼套管混凝土柱在實際工程中的應(yīng)用也更加靈活方便。

[1] Tomii M,Sakino K,Xiao Y,et al.Earthquake resisting hysteretic behavior of reinforced concrete short columns confined by steel tube[A].Proceedings of the International Specialty Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures[C].Harbin,August 1985:119-125.

[2] 肖 巖.套管鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)的發(fā)展和展望[J].土木工程學(xué)報，2004,37(4):8-12,69.

[3] Xiao Y,Tomii M,Sakino K.Experimental study on design method to prevent shear failure of reinforced concrete short circular columns by confining in steel tube[J].Transactions of Japan Concrete Institute,1986(8):535-542.

[4] Sato T.Studies on un-bond concrete filled steel tubular structures[A].Proceedings of JCI Annual Conference[C].August 1986:1417-1424.

[5] Aboutaha R S,Machado R I.Seismic resistance of steel tubed high strength reinforced concrete columns [J].ASCE Journal of Structural Engineering,1999,125(5):458-494.

[6] 韓金生，孫其臥.切槽式鋼套管混凝土柱[P].中國專利：CN202706331U，2013-01-30.

[7] 韓金生，楚克偉.一種組合式鋼套管混凝土柱[P].中國專利：CN205012560U，2016-02-03.

[8] 韓金生，王立一，王雪雯.切槽式鋼套管混凝土柱的承載性能研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，32(4)：80-85.

The new development of steel casing concrete column★

Sun Zongjun Chen Xiaojie*Han Jinsheng

(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

In order to improve the casing effect of steel casing concrete column and the construction convenience, improved the structure of steel tube concrete column, proposed the structure type of groove type steel sleeve concrete column and combined steel tube concrete column, and elaborated the related concept and principle, discussed their advantages and disadvantages, provided theoretical basis for the research on similar problems.

steel casing concrete column, cutting groove, casing effect, stress mechanism

1009-6825(2016)34-0037-03

2016-09-22★：青島市建設(shè)科技計劃項目(項目編號：JK2014-15)

孫宗軍(1976- )，男，副教授； 韓金生(1978- )，男，副教授

陳小潔(1990- )，女，在讀碩士

TU375.3

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