周宇航， 楊 璐， 張文學(xué)， 代 鵬

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

不銹鋼管混凝土軸壓短柱承載性能研究綜述

周宇航， 楊 璐， 張文學(xué)， 代 鵬

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

鋼管混凝土柱因其具有承載力高、塑性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。而不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，兼有不銹鋼材料和普通鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的力學(xué)性能和耐久性能，在海洋環(huán)境、腐蝕環(huán)境等對(duì)耐久性和美觀性要求較高的建筑結(jié)構(gòu)中具有較好的應(yīng)用前景。文章回顧了對(duì)普通鋼管混凝土軸壓短柱的研究，對(duì)不銹鋼管混凝土軸壓短柱的研究進(jìn)行了調(diào)查和分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)不銹鋼管混凝土柱的進(jìn)一步研究工作進(jìn)行了探討和展望。

不銹鋼管混凝土； 軸心受壓； 承載性能

我國目前正處于改革發(fā)展的重要時(shí)期，隨著現(xiàn)代化超高層建筑、大跨橋梁工程、大型水利、海岸港口工程的大量修建，建筑工程的綜合效益要求也愈加嚴(yán)格。相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土的組合結(jié)構(gòu)在相同的截面尺寸下?lián)碛懈蟮某休d力、更好的耐久性和穩(wěn)定性，并且可以減少模板的搭建從而節(jié)省施工的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本。從性能、經(jīng)濟(jì)、發(fā)展?jié)摿Φ确矫婵紤]，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

不銹鋼是指至少含有10.5 %鉻的防腐蝕合金鋼，與普通鋼材相比，不銹鋼具有抗腐蝕性能強(qiáng)、耐久性好、外表美觀、延性好、耐火性能好以及抗沖擊和疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此已經(jīng)有不少作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)用于土木工程的實(shí)例，如馬來西亞首都吉隆坡的雙子塔(圖1(a))表面使用了大量的不銹鋼裝飾；卡塔爾新多哈國際機(jī)場(圖1(b))波浪形屋頂是目前世界上最大的不銹鋼屋頂，不銹鋼的耐腐蝕性使屋頂能夠抵抗臨近海邊的腐蝕性空氣。

不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)兼有不銹鋼材料和鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)，且具有良好的力學(xué)性能和優(yōu)越的耐久性能，在海洋環(huán)境、腐蝕環(huán)境等對(duì)耐久性和美觀要求較高的建筑結(jié)構(gòu)中具有較好的應(yīng)用前景。但由于不銹鋼材料造價(jià)高、性能研究不充分等原因在一定程度下限制了不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的廣泛應(yīng)用，其力學(xué)性能與普通鋼材相比也有較為明顯的差異(圖2)，所以需要進(jìn)一步研究不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

本文在回顧鋼管混凝土軸壓短柱承載性能研究進(jìn)展的基礎(chǔ)之上，對(duì)國內(nèi)外不銹鋼鋼管混凝土軸壓短柱的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)不銹鋼管混凝土軸壓柱的進(jìn)一步研究提出了探討和展望。

(a) 吉隆坡雙子塔

圖2 不銹鋼與碳素鋼的典型材料性能曲線

1 鋼管混凝土柱的研究回顧

1987年，鋼管混凝土柱在美國開始作為承重結(jié)構(gòu)而應(yīng)用到房屋建筑中。20世紀(jì)60年代，鋼管混凝土因其更加優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性在蘇聯(lián)、西歐、日本等發(fā)達(dá)國家開展相關(guān)研究，20世紀(jì)80年代，泵送混凝土工藝的成熟促進(jìn)了鋼管混凝土在世界范圍內(nèi)的研究和應(yīng)用。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不僅具有良好的承載性、穩(wěn)定性和延性，適用于復(fù)合結(jié)構(gòu)，且用料經(jīng)濟(jì)、施工速度快，降低了工程成本。

表1對(duì)現(xiàn)有關(guān)于鋼管混凝土軸心受壓短柱的部分研究進(jìn)行了總結(jié)。

從表1中可以看出：鋼管混凝土軸壓構(gòu)件有著良好的承載性能，學(xué)者們研究截面形式、構(gòu)件參數(shù)、加強(qiáng)因素等對(duì)構(gòu)件承載性能影響的成果日益積累，并在構(gòu)件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了深入的探索與研究。因鋼管混凝土擁有良好的受力性、功能性、經(jīng)濟(jì)性和施工性，在大跨橋梁、高層建筑等大型土木工程中發(fā)揮了重大作用。

2 不銹鋼鋼管混凝土軸壓短柱的研究現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)有研究總結(jié)

2004年，在澳大利亞舉行的第18屆結(jié)構(gòu)和材料力學(xué)會(huì)議上，Roufegarinejad A、Uy B、Bradford MA等人首次提到將不銹鋼用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中。

表1 鋼管混凝土軸壓短柱研究成果匯總

2006年，Young B和Ellobody E[8]進(jìn)行了5組方形和矩形截面的不銹鋼管混凝土短柱軸壓試驗(yàn)，并利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行了模擬，通過參數(shù)分析提出美國和澳大利亞鋼管混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范承載力設(shè)計(jì)公式的修正公式。

1）施肥比例失調(diào)。根據(jù)實(shí)地調(diào)查看，偏施氮肥、磷肥，輕施鉀肥和中、微量元素肥的情況比較普遍，造成果園土壤養(yǎng)分失調(diào)，不利于產(chǎn)量和質(zhì)量的提高。

2008年，Lam D和Gardner L[9]通過進(jìn)行圓形和方形截面不銹鋼管混凝土軸壓短柱試驗(yàn)研究和各計(jì)算公式結(jié)果對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)公式應(yīng)用于不銹鋼管混凝土柱偏向保守；連續(xù)強(qiáng)度理論因?yàn)槟軌驅(qū)Σ讳P鋼管的承載力進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)估，所以能夠相對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)估不銹鋼管混凝土的承載力。

2009年，廖飛宇[10]分析了不銹鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的有限元模型，結(jié)果表明與普通鋼管混凝土相比，不銹鋼管混凝土軸壓構(gòu)件具有更高的極限承載力和更好的延性。

胡成璽[11]通過有限元模擬與不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：構(gòu)件尺寸相近的不銹鋼鋼管混凝土柱，只有在具有足夠的剛管壁厚時(shí)，才可以使兩種材料的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，剛管壁厚太小會(huì)造成混凝土強(qiáng)度的浪費(fèi)；不銹鋼管混凝土組合柱內(nèi)填充普通強(qiáng)度等級(jí)的混凝土產(chǎn)生的組合效益好，而內(nèi)填高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土?xí)r，不僅組合效益不明顯，反而使柱的變形能力降低，更容易發(fā)生脆性破壞，使結(jié)構(gòu)安全性降低。

2011年，查曉雄、宮永麗[12]對(duì)兩種不同截面尺寸的不銹鋼管混凝土短柱進(jìn)行了軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)，并利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：不銹鋼管混凝土軸壓構(gòu)件與普通鋼管混凝土構(gòu)件的破壞形態(tài)類似，荷載-位移曲線彈性階段的剛度比普通鋼管混凝土低，曲線較早進(jìn)入非線性階段，不銹鋼管混凝土具有更好的延性，并且在加載后期承載力曲線達(dá)到峰值點(diǎn)后又出現(xiàn)了上升的趨勢。

Tao Z、Uy B[13]等人通過方形不銹鋼管混凝土軸壓短柱的有限元非線性分析發(fā)現(xiàn)，由于不銹鋼材料表現(xiàn)出優(yōu)秀的應(yīng)變硬化特性，不銹鋼管混凝土比普通鋼管混凝土短柱的極限承載力有所提高；約束作用系數(shù)ξ可以用來預(yù)估方形不銹鋼管混凝土柱的軸壓性能。并通過回歸分析提出了計(jì)算方形不銹鋼鋼管混凝土柱極限應(yīng)變和極限承載力的簡單計(jì)算公式。文獻(xiàn)[14]通過不銹鋼管混凝土短柱軸壓試驗(yàn)研究和與現(xiàn)有普通鋼管混凝土短柱設(shè)計(jì)方法對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：相比普通鋼管混凝土，不銹鋼管混凝土柱具有更好的延性和更高的殘余強(qiáng)度；即使只有鋼管截面受到軸向荷載，內(nèi)填混凝土的鋼管相比空鋼管強(qiáng)度也有所提升；組合短柱的延性在壓彎狀態(tài)下有明顯的提升，鋼管混凝土柱的承載力和穩(wěn)定性被核心混凝土加強(qiáng)。

2013年，陳譽(yù)[15]等人對(duì)熱成型不銹鋼圓管混凝土短柱軸向作用下承載性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不銹鋼管圓管混凝土短柱的高徑比越大，試件的延性越好；隨著鋼管壁厚的增大，試件的延性和軸壓承載力也有所提高；不銹鋼管混凝土與普通鋼管混凝土相比，鋼管約束效應(yīng)系數(shù)有一定的提高。

通過上述研究工作發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土柱作為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中重要的部分已經(jīng)在實(shí)際工程中發(fā)揮著重要的作用，而不銹鋼管混凝土組合柱尚未能在工程中進(jìn)行大面積推廣和應(yīng)用。相比較之下其兩者不同之處主要在于：

(1)對(duì)于碳素鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，各國學(xué)者已有上百年的研究歷史，對(duì)其結(jié)構(gòu)性能有著較成熟的了解和掌控。而不銹鋼材料較碳素鋼的特性有著較大出入，其非線性特性帶來的設(shè)計(jì)復(fù)雜性以及國內(nèi)相關(guān)規(guī)范的不成熟，在一定程度上限制了不銹鋼材料在工程中、在不銹鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用。

(2)不銹鋼材料具有表面光滑、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)勢，鋼材和混凝土的相互作用關(guān)系在不銹鋼管混凝土和普通鋼管混凝土中固然不同。在目前研究中，學(xué)者或利用疊加原理或利用統(tǒng)一原理進(jìn)行截面承載力設(shè)計(jì)，普通鋼管混凝土柱截面承載力設(shè)計(jì)公式是否適用于不銹鋼管混凝土柱未得到進(jìn)一步研究的驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

本文總結(jié)介紹了近些年學(xué)者對(duì)不銹鋼管混凝土軸心受壓短柱的研究現(xiàn)狀，并對(duì)不銹鋼管混凝土和普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的差異做了一定分析。隨著不銹鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的不斷研究和發(fā)展，必將充分發(fā)揮這種組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在工程建設(shè)中扮演重要的角色。通過現(xiàn)有研究的分析，以下幾方面值得關(guān)注：

(1)根據(jù)目前研究成果顯示，大部分學(xué)者研究對(duì)象都是1～4mm薄壁不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，其尺寸也相對(duì)較小，導(dǎo)致破壞時(shí)外部鋼管爆裂，與實(shí)際情況有一定差距。建議有條件的學(xué)者可以適當(dāng)增加不銹鋼管的壁厚和不銹鋼管混凝土短柱的尺寸以達(dá)到實(shí)際工程中所相應(yīng)的工況，從而得到更真實(shí)有效的試驗(yàn)成果。

(2)不銹鋼鋼管混凝土柱軸壓短柱承載力計(jì)算公式尚未明確，目前研究多與外國鋼混組合結(jié)構(gòu)計(jì)算公式或國內(nèi)理論研究公式進(jìn)行比較，故在設(shè)計(jì)中很難較為準(zhǔn)確的進(jìn)行控制極限承載力，為不銹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用帶來阻力。解決途徑建議：一方面可以進(jìn)一步加強(qiáng)不銹鋼材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的精確化和有效化；另一方面可以在承載力計(jì)算公式中添加不銹鋼管-混凝土組合作用承載力提高系數(shù)項(xiàng)或是約束混凝土承載力提高系數(shù)的優(yōu)化。

(3)不銹鋼材料表面光滑，對(duì)不銹鋼管混凝土軸壓短柱中界面粘結(jié)性能的研究較少，其兩者之間的組合作用很難被定義，通過相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)一步了解界面粘結(jié)性能從而可以更深層次認(rèn)識(shí)到兩部分相互作用關(guān)系。

建議學(xué)者在不銹鋼管混凝土軸壓短柱的后續(xù)研究中，對(duì)以上三個(gè)方面的問題進(jìn)行更為深入的研究和探索，從而可以更加準(zhǔn)確地揭示不銹鋼管混凝土軸壓柱的承載性能。

[1] 蔡紹懷,焦占拴. 鋼管混凝土短柱的基本性能和強(qiáng)度計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 1984,5(6) : 13-29.

[2] 韓林海,楊有福. 矩形鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件強(qiáng)度承載力的試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào),2001(4):22-31.

[3] Hu H T, Huang C S, Wu M H, et al. Nonlinear analysis of axially loaded concrete-filled tube columns with confinement effect[J]. Journal of Structural Engineering, 2003, 129(10): 1322-1329.

[4] 張耀春,王秋萍,毛小勇,等. 薄壁鋼管混凝土短柱軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu),2005(1):22-27.

[5] 李斌. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究[D].西安建筑科技大學(xué),2005

[6] Ellobody E, Young B, Lam D. Behaviour of normal and high strength concrete-filled compact steel tube circular stub columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006, 62(7): 706-715.

[7] 占美森. 薄壁鋼管混凝土柱軸心受壓承載性能研究[D].南昌大學(xué),2007.

[8] Young B, Ellobody E. Experimental investigation of concrete-filled cold-formed high strength stainless steel tube columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006, 62(5): 484-492.

[9] Lam D, Gardner L. Structural design of stainless steel concrete filled columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2008, 64(11): 1275-1282.

[10] 廖飛宇. 圓不銹鋼管混凝土軸壓力學(xué)性能的有限元分析[J]. 福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版,2009(6):659-662.

[11] 胡成璽. 不銹鋼管混凝土柱承載力分析[D].西安建筑科技大學(xué),2010.

[12] 查曉雄,宮永麗. 不銹鋼管混凝土軸壓性能試驗(yàn)和有限元分析[C]//中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(China Steel Construction Society)，國家鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心(National Research Center for Steel Construction).2011全國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2011:4.

[13] Tao Z, Uy B, Liao F Y, et al. Nonlinear analysis of concrete-filled square stainless steel stub columns under axial compression[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2011, 67(11): 1719-1732.

[14] Uy B, Tao Z, Han L H. Behaviour of short and slender concrete-filled stainless steel tubular columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2011, 67(3): 360-378.

[15] 陳譽(yù),李鳳霞,王江. 熱成型不銹鋼圓管混凝土軸壓短柱受力性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2013(2):106-112.

北京市科技新星計(jì)劃(編號(hào)：2016117)

周宇航(1991～)，男，碩士研究生，主要從事鋼結(jié)構(gòu)研究；楊璐(1982～)，男，工學(xué)博士，副教授，主要從事鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)研究；張文學(xué)(1975～)，男，工學(xué)博士，副教授，主要從事橋梁抗震及體系優(yōu)化研究；代鵬(1994～)，男，碩士研究生，主要從事鋼結(jié)構(gòu)研究。

TU528.59

A

[定稿日期]2017-04-14