張飛燕（浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 東陽 322100）

混凝土具有較好的抗壓承載力和剛度、價(jià)格較低廉的優(yōu)點(diǎn)，但其抗拉強(qiáng)度低。鋼材具有較高的抗拉、抗彎強(qiáng)度，及優(yōu)異的延性的特點(diǎn)，但其價(jià)格相對昂貴，在制作成厚度較薄的構(gòu)件時其穩(wěn)定性差。鋼管混凝土充分利用了這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，解決了兩種材料的不足之處，且鋼管對核心混凝土的約束效果好，使混凝土與鋼材組合在一起起到了“1+1大于2”的效果。在外層鋼管內(nèi)放置一圓鋼管，組成內(nèi)圓外方的復(fù)合鋼管混凝土柱，形成一種新型的組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 復(fù)合鋼管混凝土截面

1 復(fù)合鋼管混凝土柱的研究背景

隨著國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)及城市化的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的高度及難度不斷增大，普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足要求，需要高效的建筑材料及高性能的結(jié)構(gòu)形式，高效的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)功能與施工模擬技術(shù)。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使高層建筑的發(fā)展更加易于實(shí)現(xiàn)。

我國有廣大地區(qū)處于地震帶，國土面積約有750萬平方公里處于抗震設(shè)防6度及以上的地區(qū)。對于一般的高層及超高層建筑，其自重大，且風(fēng)荷載對其影響較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)遇到高于當(dāng)?shù)卦O(shè)防的罕遇地震時，若采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土柱將受到較大的破壞，且其需要設(shè)計(jì)成較大的截面，犧牲了大量的建筑使用面積。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)有著比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)好的承載力、剛度和延性，甚至在震后能夠快速修復(fù)。

鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，結(jié)合利用了混凝土抗壓強(qiáng)度高、剛度大、價(jià)格低廉和鋼材抗彎、抗拉強(qiáng)度高、延性好的優(yōu)點(diǎn)，避免了鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及混凝土結(jié)構(gòu)變形能力差的問題，且鋼管對核心混凝土具有較好的約束效果，提高了混凝土的承載力，特別改善了混凝土的延性。在超高層建筑中，在不改變柱子數(shù)量的情況下，巨大的荷載效應(yīng)必然需要提高結(jié)構(gòu)柱的性能，從而需要增大柱子的截面面積，當(dāng)鋼管混凝土截面較大時，鋼管對中心區(qū)混凝土的約束效果不佳，此時，在鋼管內(nèi)部再安置一個圓形鋼管，形成內(nèi)圓外方復(fù)合鋼管混凝土柱（以下簡稱復(fù)合柱），將大大提高鋼管對混凝土的約束能力，在不增大柱子截面面積的情況下對組合柱的承載力及延性有較大的提高。復(fù)合柱最早是由國內(nèi)學(xué)者蔡紹懷[1]提出。復(fù)合柱主要有內(nèi)圓外方和內(nèi)圓外圓兩種形式。研究表明，復(fù)合柱主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

鋼管對混凝土的約束效果較箍筋好；

充分利用了兩種建筑材料的優(yōu)點(diǎn)并避免了其不足，提高了截面的軸心抗壓承載力，有效減小框架柱的截面尺寸，能夠有效避免在地震中發(fā)生的剪切脆性破壞；

在鋼管中放置圓鋼管，增強(qiáng)了中心區(qū)域混凝土的約束效果，同時，內(nèi)部鋼管將混凝土分割成兩部分，可以減小混凝土的收縮，具有更強(qiáng)的內(nèi)力重分布來抵抗徐變等不利因素；

鋼結(jié)構(gòu)的抗高溫性能較差，兩層鋼管中間的混凝土能夠有效隔絕溫度傳遞，使內(nèi)部圓鋼管的溫度不至迅速升高，有效保證了內(nèi)部鋼管混凝土的承載力；

外層方形鋼管能夠與鋼梁方便地連接在一塊，提高了建筑結(jié)構(gòu)的施工速度。

2 復(fù)合柱的抗壓性能研究進(jìn)展

2.1 軸壓性能

在超高層建筑中，框架柱作為主要的受力構(gòu)件，其承擔(dān)了大量的豎向荷載作用。軸壓性能作為框架柱的重要性能，有必要對復(fù)合柱的軸心受壓性能進(jìn)行研究。

裴萬吉[2]考慮了不同內(nèi)圓鋼板壁厚、不同內(nèi)圓鋼板直徑及不同柱長，制作了6個內(nèi)圓外方的復(fù)合柱，并對其進(jìn)行軸壓性能研究，認(rèn)為內(nèi)圓鋼管改善了方鋼管對核心區(qū)混凝土的約束效果，從而提高了構(gòu)件的承載力，且內(nèi)圓鋼管能夠限制圓鋼管內(nèi)的混凝土發(fā)生橫向變形，從而提高了復(fù)合柱的彈性區(qū)域。錢稼茹[3]等將復(fù)合鋼管結(jié)合高強(qiáng)混凝土，考慮了方、圓鋼管壁厚、混凝土強(qiáng)度等不同因素的影響，完成了23個試件的軸壓性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合柱的軸壓承載力在應(yīng)變已達(dá)到0.1左右的情況下仍能夠承擔(dān)約70%的極限承載力，說明其變形、延性性能較好。在文章中，還討論了復(fù)合柱的承載力計(jì)算值，建議忽略方鋼管對混凝土的約束效果但能承擔(dān)軸壓，按其方法得到的承載力計(jì)算值略小于試驗(yàn)值，但誤差較小。

林斯嘉[4]在其學(xué)位論文中闡述了內(nèi)圓外圓復(fù)合高強(qiáng)混凝土柱的軸壓承載力，其完成了不同高度，內(nèi)、外徑之比及不同套箍指標(biāo)的26個試件的軸壓試驗(yàn)，值得注意的是，其采用了C80及C100強(qiáng)度等級的混凝土。在文章中，作者根據(jù)彈性力學(xué)半逆解法提出了內(nèi)圓、外圓、復(fù)合柱的軸壓下的剛度解析解，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在此基礎(chǔ)上做了參數(shù)分析，為復(fù)合柱的剛度研究奠定了理論基礎(chǔ)。最后還提出了簡化的極限承載力計(jì)算方法，其方法簡單實(shí)用且較為準(zhǔn)確。張志權(quán)、王欽亭、王志浩等均在其文章[5][6][7]中討論了復(fù)合柱的軸壓承載力的機(jī)理及其計(jì)算方法，所提出的計(jì)算方法均有較好的結(jié)果。

新型組合結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)必然需要計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的跟進(jìn)，目前國內(nèi)外針對復(fù)合鋼管混凝土柱軸壓性能的數(shù)值模擬研究，主要是采用有限元分析軟件來實(shí)現(xiàn)。王衛(wèi)華、丁啟榮等[8][9]基于非線性有限元軟件ABAQUS對內(nèi)圓外方復(fù)合柱的軸壓性能進(jìn)行了有限元分析并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對，結(jié)果表明，模型得到的極限軸壓力、荷載-位移曲線均與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。在此模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了擴(kuò)展參數(shù)分析，得到了在鋼板壁厚不變的情況下，內(nèi)部圓鋼管的直徑增大，復(fù)合柱的軸壓承載力及剩余承載力將先增大后減小。文獻(xiàn)[10][3][11]等做了不同情況下的復(fù)合柱軸壓性能的有限元分析，結(jié)果表明，ABAQUS、ANSYS、OpenSees等有限元分析軟件均能夠很好地模擬復(fù)合柱的軸心受壓性能，這將為復(fù)合柱在超高層建筑中的應(yīng)用提供有利參考。

2.2 偏壓性能

裴萬吉[2]在其研究中同時考慮了復(fù)合柱的偏心受壓性能，其根據(jù)不同的圓鋼管型號進(jìn)行了4個復(fù)合短柱的偏壓試驗(yàn)，結(jié)果顯示，由于圓鋼管對核心區(qū)混凝土的約束增強(qiáng)，使得其偏壓承載力提高。周蓉等[12]基于雙剪統(tǒng)一強(qiáng)度理論，考慮了偏心率和長細(xì)比參數(shù)，提出了復(fù)合柱的偏心受壓承載力計(jì)算公式，所得結(jié)果較為可行。

馬淑芬[13]考慮不同尺寸及壁厚完成了9個復(fù)合柱的偏壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：內(nèi)置圓鋼管對偏壓下的核心區(qū)混凝土的約束效果增強(qiáng)，增強(qiáng)效果隨內(nèi)徑增大更加顯著。

錢稼茹等[14]為研究復(fù)合鋼管高強(qiáng)混凝土短柱的偏心受壓性能，完成了16個偏心率在0.2～0.6情況下的復(fù)合柱靜力試驗(yàn)，從試驗(yàn)分析中可以得知復(fù)合柱的破壞形態(tài)均為整體彎曲及外層鋼管局部鼓曲，復(fù)合柱的剩余承載力為極限承載力的3/4以上，具有優(yōu)異的延性性能。最后提出采用疊加法原理計(jì)算復(fù)合柱的偏心受壓承載力，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較為準(zhǔn)確。

考慮到鋼材的耐腐蝕性能較差，在先前復(fù)合柱研究的基礎(chǔ)上提出了將外層鋼管置換成不銹鋼管，丁啟榮在其學(xué)位論文[15]中完成了15個外層不銹鋼方鋼管內(nèi)層普通鋼管組合柱的偏心受壓試驗(yàn)，分析了其力學(xué)性能，并將ABAQUS有限元模型與試驗(yàn)進(jìn)行對比，結(jié)果較為吻合。

2.3 復(fù)合柱的抗震性能研究進(jìn)展

在高層及超高層建筑中，特別是在地震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，構(gòu)件特別是框架柱的抗震性能尤為重要。為了推廣復(fù)合柱的應(yīng)用，國內(nèi)外的許多學(xué)者針對不同形式下的復(fù)合柱展開了深入研究。錢稼茹、李寧波等[16][17][18][19]考慮不同軸壓比、外層放鋼管壁厚、內(nèi)圓鋼管套箍系數(shù)，進(jìn)行了12個復(fù)合柱試件的擬靜力試驗(yàn)。結(jié)果表明：復(fù)合柱試件的破壞形態(tài)基本一致，柱底約1/4柱高處發(fā)生外方鋼管屈曲，兩層鋼管間的混凝土發(fā)生局部破壞，復(fù)合柱有著飽滿的滯回曲線，沒有發(fā)生明顯的捏攏現(xiàn)象。最后，在平截面假定的基礎(chǔ)上分別計(jì)算方鋼管及圓鋼管混凝土柱在軸壓時的正截面抗彎承載力，將二者疊加得到復(fù)合柱在軸壓時的正截面抗彎承載力，其結(jié)果與試驗(yàn)值相比誤差較小。文章中，還討論了復(fù)合柱在遭受大震破壞后快速修復(fù)的可能性。同時，基于OpenSees軟件對復(fù)合柱進(jìn)行了有限元分析，討論了不同參數(shù)對復(fù)合柱抗震性能的影響。文章[16]中作者將復(fù)合柱進(jìn)行了改進(jìn)，即在兩層鋼管之間設(shè)置加勁肋，如圖2，改進(jìn)后的復(fù)合柱的滯回性能更加穩(wěn)定，且具有更高的承載力、更好的耗能性能及延性，改進(jìn)后的復(fù)合柱在地震后更容易進(jìn)行快速修復(fù)。

圖2 改進(jìn)后的復(fù)合柱

白楊[20]將外層鋼管設(shè)置為不銹鋼，進(jìn)行了6個復(fù)合柱的抗震滯回性能試驗(yàn)并基于ABAQUS軟件進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明不銹鋼管復(fù)合柱試件的滯回曲線飽滿，具有良好的抗震滯回性能。周云[21]完成了5個復(fù)合高強(qiáng)混凝土柱的低周反復(fù)水平荷載試驗(yàn)，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上討論了試件的壓 彎承載力的計(jì)算方法及其適用性。劉永超[22]在其學(xué)位論文中對復(fù)合柱的抗震性能進(jìn)行了有限元分析，系統(tǒng)地研究了不同鋼管強(qiáng)度、尺寸、混凝土強(qiáng)度、軸壓比、長細(xì)比、對復(fù)合柱抗震性能的影響。

3 復(fù)合柱的設(shè)計(jì)

3.1 正截面受壓承載力

由文獻(xiàn)[3][4]中的試驗(yàn)結(jié)果可知：內(nèi)部圓鋼管對圓鋼管內(nèi)的混凝土具有較強(qiáng)的約束效果，而外部的方形鋼管無法對圓鋼管內(nèi)的混凝土起到約束效果，僅提供軸壓承載力。參考文獻(xiàn)[1][3][4][5][6][23]中的計(jì)算方法，為安全考慮，忽略外部方鋼管對混凝土的約束效果，同時考慮規(guī)范[24]中的要求，提出復(fù)合柱的正截面受壓承載力計(jì)算方法：

式中：N為柱軸壓承載力設(shè)計(jì)值；Nu為截面軸壓承載力設(shè)計(jì)值；Nuc為內(nèi)圓鋼管混凝土柱截面的軸壓承載力設(shè)計(jì)值；θ為內(nèi)部圓鋼管的套箍指標(biāo)，，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級小于C50時，取，否則取fac,Aac和fao,Aao分別為內(nèi)外鋼管的屈服強(qiáng)度、截面面積；fcc,Acc和fco,Aco分別為內(nèi)圓鋼管內(nèi)約束混凝土和內(nèi)圓鋼管外約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度、截面面積；γ可根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[25][26]取值。軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)?可根據(jù)規(guī)程[24]中提供的方法計(jì)算：

式中：Iac,Iao,Icc,Ico和Eac,Eao,Ecc,Eco分別為內(nèi)圓鋼管、外方鋼管、內(nèi)管內(nèi)混凝土、兩管間混凝土的截面慣性矩和彈性模量。

由于復(fù)合柱中的鋼管的截面面積相對于柱截面面積較小，根據(jù)規(guī)程[27]中提供的計(jì)算公式推算出復(fù)合柱內(nèi)圓鋼管內(nèi)砼的軸壓承載力設(shè)計(jì)值為：

式中：][cα為混凝土工作承擔(dān)系數(shù)限制，按規(guī)程[24]中取值。

3.2 偏壓承載力

計(jì)算復(fù)合柱的偏心受壓承載力，需要對復(fù)合柱截面進(jìn)行一下假設(shè)：1）復(fù)合柱截面復(fù)合平截面假定；2）鋼管與混凝土之間無滑移；3）混凝土本構(gòu)采用無約束混凝土本構(gòu)；4）不考慮混凝土的受拉強(qiáng)度。參考規(guī)程[24]的計(jì)算方法，復(fù)合柱的正截面壓彎承載力需滿足一下要求：

3.3 斜截面承載力

偏于安全及計(jì)算簡化考慮，在計(jì)算復(fù)合柱斜截面承載力中不考慮內(nèi)部圓鋼管的抗剪承載力。根據(jù)規(guī)程[24]有復(fù)合柱的斜截面承載力計(jì)算要求：

式中：Vx為主軸x軸作用的最大剪力設(shè)計(jì)值；Vux為沿主軸x軸作用的抗剪承載力設(shè)計(jì)值；fvo為外方鋼管的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。將以上的x換成y即得到沿y軸的斜截面承載力要求。

4 結(jié) 語

復(fù)合鋼管混凝土柱能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，在其力學(xué)性能上具有更好的承載力、抗震性能、變形性能及延性。目前，盡管對復(fù)合柱進(jìn)行了一系列研究，但其設(shè)計(jì)方法還不成熟。仍然需要進(jìn)行相關(guān)的研究工作，推進(jìn)復(fù)合鋼管混凝土柱相應(yīng)的規(guī)程，為推廣復(fù)合柱的使用做準(zhǔn)備。