孫 曉 嶺

(西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710055)

0 引言

矩形鋼管混凝土柱(Rectangular Concrete-Filled steel Tubular Column, RCFT Column)兼有鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有截面開展、抗彎剛度大、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)，可縮短工期、節(jié)約材料、減少能耗、降低工程造價(jià)，已在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中廣泛應(yīng)用[1]。

鋼管混凝土柱的核心受力機(jī)制是鋼管和混凝土間相互作用同時(shí)改善了兩者的受力性能。核心混凝土通過改變管壁局部屈曲模態(tài)延緩了鋼管局部屈曲?；炷猎谑芰^程中受到鋼管約束，使其處于三向受壓狀態(tài)。橫向約束應(yīng)力可延緩混凝土縱向裂縫開展，具有更高的承壓能力，并顯著改善混凝土的脆性破壞特性。

根據(jù)矩形鋼管混凝土柱的受力特點(diǎn)，本文介紹影響其受力性能的關(guān)鍵參數(shù)，主要包括鋼管板件局部屈曲行為、混凝土橫向約束效應(yīng)、加勁肋設(shè)置、鋼管和混凝土間的界面抗剪強(qiáng)度及混凝土的收縮和徐變等。

1 鋼管局部屈曲

鋼管混凝土柱與鋼管柱的受力性能具有本質(zhì)區(qū)別。內(nèi)部填充混凝土后，鋼管向內(nèi)側(cè)變形被限制，其局部屈曲形式發(fā)生改變。

Bradford等[2]分析了鋼管混凝土柱的彈性局部屈曲行為。矩形鋼管板件局部屈曲系數(shù)k=4.0，填充混凝土后，局部屈曲系數(shù)k=10.6。何?？档萚3]對矩形鋼管混凝土軸壓柱管壁的局部屈曲性能進(jìn)行了理論研究，用能量法計(jì)算出在均勻壓力作用下管壁的局部屈曲臨界應(yīng)力，得到了矩形鋼管混凝土柱管壁的局部屈曲系數(shù)k=10.67，與Bradford的分析結(jié)果一致。

Uy和Liang等[4,5]系統(tǒng)研究了焊接矩形鋼管混凝土柱管壁的局部屈曲和后屈曲行為。通過大量試驗(yàn)研究，考慮初始幾何缺陷和殘余應(yīng)變的影響，提出了焊接鋼管混凝土柱彈塑性局部屈曲板件寬厚比限值的計(jì)算方法。建議發(fā)展全截面塑性焊接截面的板件寬厚比限值為60。郭蘭慧等[6]研究了初始幾何缺陷、殘余應(yīng)力及鋼板屈曲后強(qiáng)度對填充混凝土鋼管的影響。鋼管混凝土柱板件寬厚比小于50時(shí)，可不考慮局部屈曲對承載力的影響，當(dāng)板件寬厚比大于50后需考慮局部屈曲對構(gòu)件承載力的降低。

2 混凝土約束效應(yīng)

鋼管混凝土柱典型受力特點(diǎn)是鋼管對混凝土的橫向約束效應(yīng)。混凝土被鋼管包圍后處于三軸受壓應(yīng)力狀態(tài)，混凝土主受力方向的抗壓強(qiáng)度和延性隨側(cè)壓的增加而顯著增強(qiáng)。

Knowles等[7]測試了鋼管混凝土軸壓柱的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變。當(dāng)混凝土達(dá)到0.95倍極限抗壓強(qiáng)度時(shí)體積應(yīng)變迅速增加，鋼管和混凝土間產(chǎn)生約束效應(yīng)，此時(shí)混凝土應(yīng)變約為0.002。Tsuji等[8]的研究表明縱向應(yīng)變?yōu)?.001時(shí)混凝土出現(xiàn)微裂紋并產(chǎn)生約束效應(yīng)，縱向應(yīng)變?yōu)?.002時(shí)鋼管和混凝土之間達(dá)到完全約束。

鋼管板件寬厚比是影響混凝土約束效應(yīng)的重要因素。鋼管必須具有足夠的剛度以約束混凝土的橫向變形。Ge和Susantha等[9,10]提出了與板件寬厚比系數(shù)R相關(guān)的約束混凝土本構(gòu)模型。Tao和Thai等[11,12]研究了鋼管混凝土柱的受力行為，采用數(shù)值方法得到了與材料強(qiáng)度和寬厚比相關(guān)的約束應(yīng)力，提出了適用于矩形鋼管混凝土柱的約束混凝土本構(gòu)模型。

混凝土強(qiáng)度也是混凝土約束效應(yīng)的影響因素。采用高強(qiáng)混凝土的鋼管混凝土柱約束效應(yīng)比普通混凝土弱，其受壓承載力一般等于鋼管和混凝土的承載力之和。與普通鋼管混凝土構(gòu)件相同，約束效應(yīng)提高了高強(qiáng)混凝土鋼管混凝土構(gòu)件的延性[13]。

鋼管形狀亦影響了混凝土的約束效應(yīng)。Susantha等[14]研究了混凝土在不同形狀鋼管約束下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，大量的參數(shù)分析表明圓形鋼管的約束效應(yīng)最強(qiáng)，方形鋼管的約束效應(yīng)最低，多邊形鋼管的約束效應(yīng)介于兩者之間。

3 帶肋薄壁鋼管混凝土柱

帶肋薄壁鋼管混凝土柱具有良好的受力性能，縱向肋不僅延緩了鋼管的局部屈曲，還加強(qiáng)了鋼管對混凝土的約束，有利于提高構(gòu)件的承載能力和變形能力。

Ge等[15]進(jìn)行了普通矩形鋼管、加勁鋼管以及鋼管填充混凝土后的試驗(yàn)研究，填充混凝土可以獲得更好的延性和承載力，縱向加勁肋可以提高鋼管柱和鋼管混凝土柱的承載力。陳勇和張耀春等[16,17]進(jìn)行了設(shè)置直肋方形薄壁鋼管混凝土柱的研究。在偏壓和軸壓情況下，設(shè)置直肋薄壁鋼管混凝土柱比普通薄壁鋼管混凝土柱的極限承載力有較大提高。黃宏等[18]研究了帶肋方鋼管混凝土柱受力性能。帶肋構(gòu)件對混凝土的約束作用主要集中在鋼管角部和加勁肋處，隨著每邊加勁肋數(shù)量的增加，角部約束力明顯增大。加勁肋的設(shè)置增加了管壁平面外支撐點(diǎn)，減小了管壁鼓曲的橫向變形值，增強(qiáng)了核心混凝土與管壁之間的相互作用，進(jìn)而有效地延緩管壁局部屈曲，改善管壁的穩(wěn)定性，提高構(gòu)件的極限承載力。

4 鋼管和混凝土間的界面抗剪強(qiáng)度

鋼管與混凝土間的剪應(yīng)力傳遞是構(gòu)件產(chǎn)生組合效應(yīng)的必要條件。鋼管混凝土界面間的抗剪強(qiáng)度主要由以下幾部分組成：鋼管與混凝土接觸表面之間的化學(xué)膠結(jié)力；鋼管表面粗糙度與混凝土之間的機(jī)械咬合力；鋼管與混凝土之間的摩擦力；剪力連接件與混凝土間的機(jī)械錨固力。

薛立紅等[19，20]系統(tǒng)研究了鋼管和混凝土間的界面粘結(jié)性能，混凝土強(qiáng)度、鋼管表面粗糙度和混凝土養(yǎng)護(hù)條件對粘結(jié)強(qiáng)度有明顯影響。Parsley[21]進(jìn)行了矩形鋼管混凝土構(gòu)件推出試驗(yàn)，研究了長寬比大于4和帶有抗剪鍵構(gòu)件的界面抗剪強(qiáng)度。未設(shè)置抗剪鍵時(shí)，板件寬厚比越小，抗剪強(qiáng)度越高。設(shè)置抗剪鍵時(shí)，板件寬厚比較小時(shí)能有效約束抗剪鍵的變形，對抗剪強(qiáng)度的提高較為明顯。劉永健等[22]研究了方形和圓形鋼管混凝土構(gòu)件的粘結(jié)強(qiáng)度，鋼管混凝土構(gòu)件界面抗剪粘結(jié)—滑移曲線在達(dá)到抗剪強(qiáng)度前大體呈線性關(guān)系，圓鋼管混凝土構(gòu)件界面抗剪強(qiáng)度明顯大于方鋼管混凝土構(gòu)件。Qu等[23]研究了不同界面狀況、混凝土強(qiáng)度、截面尺寸和界面長度對界面抗剪強(qiáng)度的影響。通過參數(shù)分析，混凝土強(qiáng)度和鋼管尺寸是影響界面抗剪強(qiáng)度的重要因素。Tao等[24]研究了截面尺寸、鋼材類型、混凝土類型、混凝土齡期和界面類型對界面抗剪強(qiáng)度的影響。鋼管內(nèi)部設(shè)置加勁環(huán)是提高抗剪強(qiáng)度最有效的方法，其次是設(shè)置抗剪栓釘和使用膨脹混凝土。

5 混凝土的收縮和徐變

鋼管混凝土柱中核心混凝土處于多向受力狀態(tài)，由于混凝土收縮和徐變引起的內(nèi)力重分布比鋼筋混凝土柱更加復(fù)雜。與普通混凝土柱相比，鋼管混凝土柱對核心混凝土形成良好的密閉作用，其收縮量遠(yuǎn)小于徐變量。Nakai等[25]進(jìn)行了鋼管混凝土柱長期加載試驗(yàn)研究，混凝土的干縮可忽略不計(jì)，但徐變隨時(shí)間不斷增加。Terrey等[26]的研究結(jié)果表明，鋼管混凝土柱混凝土的徐變是普通鋼筋混凝土柱的50%～60%。馮斌[27]對鋼管混凝土柱收縮的研究表明，核心混凝土的收縮變形早期發(fā)展較快，其橫向收縮比同期的縱向收縮略小，變形速率隨時(shí)間增長而不斷減小。韓林海和陶忠等[28,29]對長期荷載作用下方鋼管混凝土的變形進(jìn)行了研究。長期荷載作用下方鋼管混凝土的變形隨齡期的增長而減小，隨持荷時(shí)間的增長而增加。

6 結(jié)語

1)矩形鋼管混凝土柱受力性能關(guān)鍵影響參數(shù)研究較為充分，包括大量的理論分析和試驗(yàn)研究。

2)應(yīng)進(jìn)一步研究矩形鋼管混凝土柱考慮各關(guān)鍵影響參數(shù)的精細(xì)有限元模型和簡化纖維梁模型，為矩形鋼管混凝土柱在復(fù)雜受力狀態(tài)下的受力性能提供研究基礎(chǔ)。

3)應(yīng)進(jìn)一步研究考慮板件局部屈曲的薄壁矩形鋼管混凝土柱的抗震性能和設(shè)計(jì)方法。