孫焱焱、徐菁

（宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

鋼管混凝土柱（Concrete-Filled Steel Tube Column，簡稱CFSTC）是指在鋼管柱中填充混凝土而成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在外荷載作用下，鋼管及其核心混凝土能夠共同受力。

相較傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱，一方面，鋼管混凝土柱在外荷載相同的情況下減小了構(gòu)件的截面尺寸，降低了構(gòu)件自重。

1 鋼管混凝土橋柱特點(diǎn)

鋼管混凝土橋柱在軸向荷載過程中，鋼管管壁的泊松比由初始的0.3 增加至0.5，其后就基本保持不變；但是，核心區(qū)混凝土的泊松比由初始的0.2 增加至0.5，且隨后仍將繼續(xù)增大，那么，在持載過程或在正常工況下，當(dāng)鋼管的泊松比小于核心區(qū)混凝土?xí)r，鋼管橫向變形小而混凝土橫向變形大，鋼管管壁將“約束”核心混凝土的橫向變形，此現(xiàn)象即“套箍作用”，從而使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)。所以，鋼管混凝土橋柱能夠提高混凝土的抗壓能力，管壁延緩了混凝土內(nèi)部縱向微裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的時(shí)間，增強(qiáng)了核心混凝土抵抗變形的能力。

此外，由于管內(nèi)混凝土限制鋼管向內(nèi)壓屈變形，起到一定的支撐作用，延遲或者限制管壁局部屈曲的發(fā)展，增強(qiáng)了鋼管管壁在軸向壓力作用下的穩(wěn)定性。鋼管管壁和核心混凝土既能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，又將各自的缺點(diǎn)彼此彌補(bǔ)，在現(xiàn)有的橋梁工程中逐步取代了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱。

1.1 鋼管混凝土橋柱的優(yōu)點(diǎn)

1.1.1 承載力高

大量橋梁工程實(shí)踐表明，普通混凝土柱在豎向荷載作用下，混凝土保護(hù)層易脫落，箍筋外鼓，承載力明顯弱于鋼管混凝土柱。諸多學(xué)者證實(shí)[1]，在混凝土用量和鋼材用量恒定條件下，鋼管混凝土柱的承載力是普通鋼筋混凝土柱的1.2～1.5 倍。尤其當(dāng)使用高性能混凝土或UHPC 時(shí)，鋼管混凝土柱在承載力方面相較普通混凝土柱優(yōu)勢甚為明顯。

1.1.2 塑性韌性好

已有研究資料表明，鋼管混凝土柱在軸向力作用下，其應(yīng)力應(yīng)變曲線達(dá)到最大承載力后會(huì)進(jìn)入平臺(tái)期，這就意味著在此階段，鋼管混凝土柱在保證其承載力的前提下能夠發(fā)生較大的塑性變形，表現(xiàn)出良好的變形能力。同時(shí)，在低周反復(fù)加載作用下，鋼管混凝土橋柱的滯回曲線飽滿，耗能能力強(qiáng)；在沖擊力作用下，鋼管混凝土柱發(fā)生較大變形后，依然具有一定的承載能力。

按照仿真好的單腔,雙腔及抽頭結(jié)構(gòu)的參數(shù)初始值搭建帶通模塊,在驅(qū)動(dòng)模式(Driven modal)下的每個(gè)諧振桿上設(shè)置集總端口(Lumped Port)激勵(lì),輸入輸出端口設(shè)置為Wave Port激勵(lì)并進(jìn)行仿真。把HFSS的仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Designer電路中,對全腔進(jìn)行協(xié)同仿真調(diào)試[7-8]。

1.1.3 制作和施工方便

首先，混凝土的澆筑更為方便，特別是采用泵送混凝土、高位拋落免振搗混凝土和自密實(shí)混凝土等施工工藝，可加速混凝土的施工進(jìn)度。其次，采用鋼管混凝土柱無需綁扎鋼筋、支模、拆模等施工工序。再次，鋼管構(gòu)件自重輕盈，鋼管的運(yùn)輸與橋梁工程現(xiàn)場吊裝、安裝快捷、方便，作業(yè)難度低且工作量少。最后，鋼管混凝土柱可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)，符合現(xiàn)代橋梁施工技術(shù)工業(yè)化的要求，加快施工速度，縮短工期。

1.1.4 耐火性能好

在道路橋梁工程中，火災(zāi)是常見惡劣工況之一。鋼管混凝土橋柱在火災(zāi)下，由于核心混凝土可吸收其外圍鋼管傳來的熱量，從而使其外包鋼管的升溫滯后，使得鋼管混凝土柱的鋼管的承載力損失要比純鋼結(jié)構(gòu)相對更小，而鋼管也可以保護(hù)混凝土不發(fā)生崩裂現(xiàn)象?；馂?zāi)下，隨著外包鋼管溫度的不斷升高，其承載力會(huì)不斷降低，并將卸下的荷載傳遞給溫升較慢且具有較高承載能力的核心混凝土。由于組成鋼管混凝土柱的鋼管及其核心混凝土之間具有相互貢獻(xiàn)、相互彌補(bǔ)和共同工作的優(yōu)勢，使得這種結(jié)構(gòu)具有較好的耐火性能[2]。

1.1.5 經(jīng)濟(jì)效果好

工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明：對于相同工況或者設(shè)計(jì)要求下，采用普通鋼筋混凝土柱相較鋼管混凝土柱，混凝土用量增加近50%左右；采用鋼結(jié)構(gòu)柱相較鋼管混凝土柱，用鋼量要增加近45%左右。例如，1990年建成的四川旺蒼東河大橋和四川宜賓南門金沙江大橋，均在成本控制上取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

1.2 鋼管混凝土橋柱的缺點(diǎn)

1.2.1 應(yīng)用范圍有限

現(xiàn)有工程實(shí)踐表明，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要用于橋梁工程中的橋柱、橋墩、拱架，而鋼管混凝土梁的應(yīng)用鮮有報(bào)道。其主要原因是一般情況下梁與橋墩連接較為復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)計(jì)施工存在一定的難度。

1.2.2 施工質(zhì)量難以控制

鋼管混凝土柱的混凝土澆筑是隱蔽式工程，在澆筑過程中無法直接觀察混凝土澆筑的密實(shí)程度。尤其是采用人工澆筑時(shí)，往往依靠操作人員的技術(shù)水平以及現(xiàn)場施工管理水平。此外，若使用超聲脈沖等檢測儀器檢查發(fā)現(xiàn)有不密實(shí)情況時(shí)，只能將鋼管不密實(shí)部位切開，補(bǔ)強(qiáng)混凝土后再用鋼板焊接，如此則增加了施工進(jìn)度和項(xiàng)目成本的風(fēng)險(xiǎn)。

2 鋼管混凝土橋柱截面形式

依據(jù)鋼管混凝土橋柱的使用荷載工況以及周邊環(huán)境需求的不同，鋼管混凝土橋柱截面形式往往設(shè)計(jì)成圓形、矩形或方形截面。

其一，圓形截面是鋼管混凝土橋柱較為常見的截面形式。圓形截面形式制作簡單、工藝成熟，其對核心混凝土的約束效應(yīng)強(qiáng)，軸向荷載作用下受力明確、高效，常用于高速路橋墩、城市高架橋墩等。但相較于矩形截面，圓形截面鋼管混凝土橋柱與梁節(jié)點(diǎn)連接復(fù)雜，不易施工；此外，圓形截面鋼管混凝土橋柱的應(yīng)用還限于特定的場景，如在城鎮(zhèn)道路中，橋柱對指向性抗側(cè)剛度要求較高或者城鎮(zhèn)道路面積有限的情況下，使用矩形截面的橋柱較為合適。

其二，矩形截面在指向性受力作用下具有較大的剛度，多用于承受荷載較大的橋墩或者橋柱，該截面形式與水平方向的橫梁連接簡單，便于施工；同時(shí)，相比圓形截面鋼管混凝土橋柱，使用矩形截面使得柱尺寸降低，更易于道路的規(guī)劃設(shè)計(jì)。但已有的工程實(shí)踐和科學(xué)研究表明，矩形截面鋼管混凝土橋柱的鋼管管壁在軸向荷載作用下易向外屈曲，一方面使得鋼管管壁對核心區(qū)混凝土橫向變形的約束效應(yīng)降低，即在屈曲處鋼管管壁對核心混凝土的“套箍作用”下降或消失；另一方面，核心混凝土在鋼管管壁發(fā)生向外屈曲時(shí)，管內(nèi)混凝土發(fā)生橫向變形甚至混凝土局部開裂，最終導(dǎo)致承載力下降。研究表明，在同等鋼材和混凝土用量條件下，矩形截面鋼管混凝土橋柱相較圓形截面，承載力降低了近10%～15%。

由此可見，圓形截面和矩形截面鋼管混凝土橋柱都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。但一方面隨著橋梁設(shè)計(jì)的可靠度要求以及輕量化設(shè)計(jì)要求的逐漸提高；另一方面，傳統(tǒng)的混凝土橋柱被鋼管混凝土橋柱所取代，導(dǎo)致構(gòu)件的截面尺寸越來越大，這就意味著鋼管混凝土橋柱的鋼板厚度逐漸減小，導(dǎo)致管壁的寬厚比逐漸增大，因此，在計(jì)算鋼管混凝土柱構(gòu)件的承載力時(shí)，隨著構(gòu)件寬厚比增大引起的鋼管壁的局部屈曲對構(gòu)件承載性能造成的不利影響是不可忽視的，此外，研究表明，矩形截面的四個(gè)角部對核心區(qū)混凝土橫向變形的約束效應(yīng)明顯大于四邊管壁中部，所以，矩形截面鋼管混凝土橋柱不能像圓形截面那樣充分利用鋼材的強(qiáng)度和套箍作用。綜上所述，傳統(tǒng)的圓形截面和矩形截面已不能滿足工程需求。

為解決鋼管混凝土柱管壁易發(fā)生屈曲的問題，國內(nèi)外諸多工程實(shí)踐者和學(xué)者采用直肋截面和復(fù)合型截面，通過在核心區(qū)混凝土設(shè)置芯柱（見圖1）或在鋼管管壁設(shè)置約束拉桿、角部隅撐、縱向加勁肋來減緩管壁的屈曲（見圖2）。研究發(fā)現(xiàn)[3]，設(shè)置縱向加勁肋可延緩管壁的屈曲,提高鋼管混凝土橋柱的極限承載力,增加鋼管混凝土橋柱的延性；設(shè)置約束拉桿后,在軸向壓力作用下,矩形截面鋼管混凝土橋柱的承載力提高幅度不明顯，但在峰值荷載時(shí)，管壁中部豎向應(yīng)變值隨約束拉桿的加強(qiáng)而增大，鋼管混凝土橋柱的塑性變形增大，延性提高。

圖1 設(shè)置芯柱的鋼管混凝土柱矩形截面

圖2 約束拉桿、角部隅撐、縱向加勁肋型矩形截面

3 鋼管混凝土橋柱承載力計(jì)算

目前國內(nèi)外已有規(guī)范、規(guī)程對鋼管混凝土橋柱承載力的計(jì)算方法，主要有美國規(guī)程ACI(2014)、日本規(guī)程AIJ(2008)、英國橋梁規(guī)程BS400(2005)、歐洲規(guī)范EC4(2004)、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 195：2004)等。

ACI(2014)：

AIJ(2008)：

DBJ 13-51—2003

式（1）～式（4）中：As為鋼管橫截面面積；F=min(fy,0.7fu)，fy為鋼管的屈服強(qiáng)度，fu為鋼管的極限抗拉強(qiáng)度；Ac為混凝土橫截面面積；為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度；ξ為構(gòu)件截面約束效應(yīng)系數(shù)設(shè)計(jì)值，ξ=As f/Ac fc；Ac為混凝土橫截面面積[4]。

由此可見，上述規(guī)程或規(guī)范ACI(2014)、AIJ(2008)、BS400（2005）、EC4（2004）以及CECS 195：2004 所描述的承載力計(jì)算與普通混凝土橋柱承載力計(jì)算類似，即為鋼管和混凝土各自承載力之和，忽略了鋼管和核心混凝土間的相互作用，這與鋼管混凝土柱共同受力機(jī)理是相違背的，其計(jì)算的結(jié)果顯然較試驗(yàn)值要小，偏于保守；而DBJ 13-51—2003 以及GJB 4142—2000 的承載力計(jì)算則考慮了鋼管和混凝土之間的相互作用，采用套箍系數(shù)ξ 將鋼管和混凝土組合成一種材料進(jìn)行考慮，因此采用統(tǒng)一理論計(jì)算的承載力值要大于規(guī)程或規(guī)范ACI(2014)、AIJ(2008)、BS400（2005）、EC4（2004）以及CECS 195：2004 計(jì)算的承載力值。

然而，對于設(shè)置芯柱或在鋼管管壁設(shè)置約束拉桿、角部隅撐、縱向加勁肋的鋼管混凝土橋柱的承載力計(jì)算，各規(guī)程或規(guī)范并未給出。關(guān)于這些鋼管混凝土柱的承載力計(jì)算目前還處于研究階段，計(jì)算公式多出自高校科研院所課題組，且目前僅有地方行業(yè)規(guī)范對此做出相關(guān)計(jì)算介紹，并未在全國普及。

4 結(jié)論

本文對橋梁工程中鋼管混凝土橋柱的特點(diǎn)、基本原理、截面形式以及承載力計(jì)算方法進(jìn)行了闡述，具體總結(jié)如下：

一是鋼管混凝土橋柱因其自身受力特點(diǎn)，在橋梁工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

二是傳統(tǒng)的矩形截面和圓形截面不能夠滿足現(xiàn)有的橋梁設(shè)計(jì)需求，而采用芯柱或直肋等方式能夠解決鋼管管壁屈曲的問題，近年來在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。

三是現(xiàn)有的規(guī)程或規(guī)范對傳統(tǒng)鋼管混凝土橋柱的承載力計(jì)算已做出詳細(xì)介紹，但芯柱、直肋等鋼管混凝土橋柱的承載力計(jì)算目前還處于研究階段，需要進(jìn)一步的理論與工程實(shí)踐研究。