許一斐， 賈艷東

（遼寧工業(yè)大學土木建筑工程學院，錦州 121001）

隨著建筑高度、跨度、安全性等要求的提高，傳統(tǒng)建筑物柱的尺寸越來越大，占用空間也增加，為解決這種問題，鋼管混凝土柱（簡稱CFST，Concrete Filled Steel Tube） 組合結(jié)構(gòu)形式的使用日益增長。CFST 是指在鋼管中填充混凝土，并且由鋼管和混凝土共同承受外荷載的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 一方面，鋼管約束內(nèi)部核心混凝土變形，從而使核心混凝土從單向受壓變?yōu)槎嘞蚴軌旱男问剑?增加了承載能力，另一方面，核心混凝土對外部鋼管起支撐作用， 減弱鋼向內(nèi)屈曲， 同時防止內(nèi)部鋼管的銹蝕。 在施工方面，鋼管可以代替混凝土柱的模板，在進行澆筑后，無需拆模，在提升力學性能的同時也減少了施工步驟。 CFST 有同承載力條件下體積小、延性好、抗震性能優(yōu)異、施工便捷等優(yōu)勢[1-2]，在高層建筑、工業(yè)廠房、橋梁等工程中廣泛應用[3]。

但是，鋼管混凝土受壓初期，鋼管處于彈性階段，此時鋼管與核心混凝土的相互作用較小，只有當鋼管進入彈塑性階段， 才對核心混凝土起約束作用，提供的約束作用有限，尤其是當核心混凝土采用高強混凝土時， 因高強混凝土破壞前形變較小，導致鋼管對核心混凝土提供的約束更小。 為了改善這種情況， 國內(nèi)外許多學者采用多種形式對CFST 進行約束，統(tǒng)稱為約束鋼管混凝土，本文統(tǒng)一簡 稱 為CCFST （Confined Concrete Filled Steel Tube）。

CCFST 以改善CFST 承載能力、延性、耐用性等為目標，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學[4-6]、吉林大學[7-8]等開展了相應的研究， 表明CCFST 具有很高的技術可行性，應用前景非常廣闊，但CCFST 在實際工程中應用較少，基礎理論研究比較薄弱，未有相應的技術標準，需開展應用基礎的研究。 為此本文梳理了CCFST 不同類型的約束方法、 改變的性能等研究現(xiàn)狀， 分析了存在的問題和今后CCFST 發(fā)展的方向。

1 在CFST 內(nèi)部進行約束

1.1 在核心混凝土區(qū)設置螺旋箍筋

CFST 在鋼管的約束下， 對核心混凝土有套箍作用，能提高構(gòu)件的承載能力，但當使用高強度混凝土填充時，混凝土的套箍作用雖仍然存在，但其延性和抗剪性能都有所欠缺，對于這種情況，一般可以選擇增加鋼管管壁厚度， 但增加鋼管厚度使工程造價大幅提高， 所以一般采用內(nèi)置鋼筋的辦法來改善， 以此來平衡力學性能和工程造價之間的關系。 阿里甫江·夏木西[9]等較早做了在鋼管混凝土中加設配筋的試驗，發(fā)現(xiàn)增加配筋后，CFST 的延性和承載能力都有顯著提升， 增加配筋后的延性相較普通鋼管混凝土普遍增加為16%以上，且隨著混凝土強度等級的提升， 配筋對延性的提升效果越明顯。 配筋后，與原鋼管混凝土的套箍系數(shù)相比，最小增加38%，最大增加量為145%，且套箍系數(shù)的提升隨著混凝土強度等級增加而增加，在混凝土強度等級為C70 時，原CFST 的套箍系數(shù)已經(jīng)低于當前的行業(yè)規(guī)范，發(fā)生脆性破壞，但增加配筋后的CCFST 均表現(xiàn)出較好的延性與強度。

方形和矩形CFST 對核心混凝土雖然有套箍作用，但約束并不均勻，體現(xiàn)在由于角部混凝土剛度大， 且兩側(cè)垂直方向上鋼板提供的拉力對核心混凝土形成強約束，所以角部約束能力較強。 截面中部主要依靠鋼管中部的抗彎剛度和鋼管邊的拉力，但拉力的合力較小，所以截面中部的約束作用較弱。 鄭亮[10]等在方鋼管混凝土中內(nèi)置螺旋箍筋，提高對核心混凝土的約束能力， 進一步提高較方鋼管混凝土的極限承載能力和變形能力， 由于方鋼管對核心混凝土的約束作用不明顯， 增加螺旋箍筋后的承載能力普遍能提升20%—40%。且試驗表明， 提升箍筋的直徑對試件的承載力提升僅僅4%以內(nèi)， 但減小箍筋間距卻能提升15%左右的承載能力， 顯然后者是提升試件承載能力更為有效的方法。 當圓形鋼管填充高強度混凝土時，薄壁鋼管容易發(fā)生局部失穩(wěn)破壞， 導致鋼管無法對核心混凝土起到應有的約束作用。侯敏[11]等在圓鋼管和方鋼管中分別設置環(huán)形螺旋箍筋和方形螺旋箍筋，具體為方管加方箍，圓管加圓箍和方管加圓箍三種類型。 試驗結(jié)果顯示，圓形鋼管最終破壞形態(tài)一般均為剪切破壞，隨著混凝土強度等級的上升，鋼管發(fā)生的變形越小。 方形鋼管破壞一般沿鋼管上部發(fā)生兩三處局部鼓曲，但發(fā)生形變位置各異，混凝土強度變化對方鋼管的變形影響較小。CCFST破壞時螺旋箍筋均發(fā)生明顯形變， 在混凝土壓碎區(qū)能觀察到箍筋發(fā)生斷裂。 當構(gòu)件的含鋼率提高時，可以發(fā)現(xiàn)延性改善，構(gòu)件的彈塑性階段明顯延長，且峰值后下降速度放緩，殘余承載力也有所提高，方形構(gòu)件的變化速率高于圓形，設置螺旋箍對試件在彈塑性階段的影響明顯， 體現(xiàn)在含鋼率越高，變化發(fā)展速率越低。 試驗中，所有構(gòu)件的承載力均隨著混凝土強度和含鋼率增大而提升， 含鋼率對承載力的提升效率低于混凝土強度， 內(nèi)部配置圓形箍筋的構(gòu)件承載力也明顯優(yōu)于方形箍筋。

林佳鑫[12]等在方鋼管中填充超高強混凝土，測試了三根填充為112MPa 高強混凝土的含螺旋箍筋的SCCFST 和一根普通CFST 的軸壓性能，試驗結(jié)果證明在混凝土強度達到112MPa 后，增加螺旋箍筋已經(jīng)幾乎不能改變構(gòu)件的承載峰值， 但能有效的提升構(gòu)件在承載力達到峰值后的殘余性能，普通CFST 在達到承載力峰值后，破壞形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的脆性， 螺旋箍筋對核心混凝土的約束效果使得核心混凝土對方鋼管的焊縫的擠壓延緩。 混凝土在破壞后的殘余性能有所提高， 提升螺旋箍筋的體積配筋率和屈服強度對峰值后性能也有所提高。 陳宗平[13]等對比23 個內(nèi)置螺旋箍筋的方鋼管CCFST 的軸壓性能后， 提出了工程中較為合理的配筋方式， 試驗發(fā)現(xiàn)當螺旋箍筋的箍直徑D 和方鋼管寬度B 的比值D/B 在0.6—0.9 之間時，承載力幾乎隨著比值的增大而增大，但在0.8 時的貢獻效率高于0.9，所以合適的比值在0.8—0.9。箍筋的間距s 在20—60mm 之間時，承載力隨著間距的增大而減小，在60—100mm 之間，承載力幾乎不發(fā)生太大變化，一般取20—60mm 之間。 對應的箍環(huán)直徑D 和間距S 的比值D/S=3—9。譚秋虹[14]等對多根方鋼管螺旋箍筋柱進行了偏壓試驗， 試驗結(jié)果表明增加螺旋箍筋后的CCFST 與普通CFST 的承載性能和破壞形態(tài)相似， 表現(xiàn)為整體的壓彎破壞和局部鋼管的屈曲， 增加螺旋箍筋可以改善承載和變形的能力，延緩鋼管壁發(fā)生屈曲的速度。 鋼管的壁厚和偏心率對CCFST 承載力影響較大， 偏心率越大，承載力越差，增加鋼管的壁厚，承載能力和延性都隨之明顯改善。 改變螺旋箍筋間距，徑寬比及長細比，對承載力的影響較小。

部分國內(nèi)對于內(nèi)置螺旋箍筋CCFST 承載力計算可見表1。

表1 內(nèi)置螺旋箍筋CCFST 承載力計算

圖1 公式中符號解釋

以上公式都給出了公式適用的參數(shù)范圍，作為經(jīng)驗公式， 仍然需要大量試驗和工程案例進行分析。 張玉芬與陳宗平均將螺旋箍筋與鋼管提供的約束分組進行計算后匯總， 但陳宗平提出的方鋼管“拱”效應的分區(qū)方法更細致，侯敏將螺旋箍筋約束等效外部鋼管計算，公式更加簡潔。 上述公式很少考慮螺旋箍筋對鋼管約束后的混凝土和普通混凝土約束作用的差異， 大多都是將CCFST 割裂成幾個部分承載力相加， 部分公式未能全面考慮鋼管混凝土統(tǒng)一理論[1，3]中認為的鋼管混凝土柱的整體性和連續(xù)性。 實際試驗中構(gòu)件各個組成部分組合后的相互作用考慮不夠充分， 可以利用數(shù)值模擬等技術，模擬各部分材料之間的相互作用，將CCFST 作為一個整體去考慮而不是分區(qū)考慮承載力， 設計更精確的公式有利于提高實際工程中的安全性和造價控制。

根據(jù)現(xiàn)有的研究可以認為， 增加螺旋箍筋可以認為在普通CFST 內(nèi)部增加一個有空腹的鋼管，縮小箍筋間距和增加箍筋的直徑都可以認為是對此鋼管的“壁厚”增加或“空腹”減少，理想化的螺旋箍筋間距縮小為0 時就是一個“鋼管”，對鋼管壁厚的增加是最直接增加CFST 軸壓能力和偏壓能力的方法。 此外還可以改善延性，而增加螺旋箍筋不僅改善了CFST 的承載能力和延性，還節(jié)約了鋼材的用量，但研究表明偏壓情況下，還是增加壁厚是最有效提升承載力的方式，在軸壓情況下，使用螺旋箍筋是更優(yōu)的選擇。

1.2 方鋼管中設置加勁肋

CFST 在受壓狀態(tài)下容易發(fā)生鋼管的局部屈曲，很多學者為了改善這種情況，在CFST 中設置約束拉桿、 角部隅撐和設置縱向加勁肋等構(gòu)造措施，對CFST 進行再約束，但約束拉桿和角部隅撐等施工工藝比較復雜， 在實際工程中應用比較困難， 所以在此對設置縱向加勁肋這種比較易于施工的方法進行總結(jié)。 設置縱向加勁肋可以在對部分非一體成型鋼管的焊接時， 如四個內(nèi)扣U 型鋼板焊接而成的方鋼管， 其部分向內(nèi)彎曲部分作為加勁肋，幫助鋼管焊接更具整體性，更加充分發(fā)揮鋼管抗壓、抗彎等力學性能。

近10 年，比較常用的約束措施是在方鋼管的CFST 中設置加勁肋，李斌[21]等對比了26 根不同的帶肋CCFST 和普通CFST，發(fā)現(xiàn)帶肋的承載能力普遍提升，且最高能達到25%，試驗還設置了鋼管壁單側(cè)單、雙以及三肋的對照，試驗證明，加勁肋的數(shù)量對發(fā)生破壞時的變形形態(tài)影響較大，無肋CFST 會發(fā)生橫向鼓曲變形， 單雙肋則變成發(fā)生半波形鼓曲，三肋時加勁肋和管壁一起向外發(fā)生鼓曲。在鋼管寬厚比小于80 時，加勁肋的寬度對承載力影響較大，且寬度越大，承載力越高。 在鋼管寬厚比達到100 以后，加勁肋的個數(shù)影響較大，雙加勁肋的承載力明顯優(yōu)于單肋， 對鋼管的屈曲有明顯的延緩。

楊有福[22]等在方鋼管中填充高強混凝土，分別設置了多種加勁，在進行了軸壓試驗后，發(fā)現(xiàn)設置了約束措施的CCFST 的承載力均比普通CFST 要高，最高可達到28.4%，相對較好的改善方式是T形鋼板肋和帶圓孔斜拉鋼板肋。 除了承載力，延性和彈性模量也均有提升， 其中改善效果顯著的方式是設置單排鋼板肋。李斌[23]等又將加勁肋設置在方鋼管長柱中， 設置加勁肋的CCFST 相對于普通CFST 承載力提升可達到15%，設置加勁肋不僅延緩了方鋼管的局部屈曲變形， 還提升了整體中長柱的穩(wěn)定系數(shù)。 對中長柱來說，寬厚比對承載力的影響最為明顯， 承載力會隨著寬厚比的增大而降低， 加勁肋的長細比和高厚比也對承載力有所影響，表現(xiàn)為長細比增大承載力降低，高厚比增大承載力增大， 而柱長細比在目前數(shù)據(jù)中對承載力影響不大。 徐兵[24]等對比方鋼管中直肋和開孔肋，提出二者均能提高構(gòu)件承載力， 開孔肋相比直肋的延性更優(yōu)，使核心混凝土損傷范圍變大。

設置加勁肋是一種簡單高效的約束方法，作者認為在加勁肋的種類和材料選擇也可以是一個新的研究方向， 傳統(tǒng)觀念上加勁肋一般都選擇與管壁同種材料的鋼材， 但現(xiàn)在越來越多的新型材料被發(fā)明出來，部分非鋼材加勁肋[25]已經(jīng)在其他構(gòu)件中有所應用， 可以以將不同材料制作的加勁肋用于約束CCFST，研究其強化的效果。

1.3 內(nèi)置FRP 約束

隨著材料科學技術的發(fā)展， 新型纖維增強復合材料（FRP 材料）因為其各類優(yōu)秀的性能被做成布狀、筒狀、筋狀等形態(tài)被運用于建筑施工中，在CFST 中， 也有很多FRP 材料被運用設置在其內(nèi)部，對核心混凝土進行加強約束。

李幗昌[26-27]等最早在方鋼管CFST 中放置圓形CFRP 管并澆筑高強混凝土，將截面面積中含鋼率和CFRP 管與鋼管截面面積之比作為變量進行軸壓試驗， 試驗結(jié)果表明CCFST 的承載力隨著含鋼率和CFRP 管與鋼管截面面積之比的增大而提高，并推導出承載力公式。 之后，又以偏心距，含鋼率和CFRP 管材制作時層數(shù)（相對設置率）作為變量進行了偏壓試驗，試驗結(jié)果表明CFRP 材料線性很好，抗壓抗拉能力強，但相對鋼筋延性較差。 大偏壓構(gòu)件壓側(cè)內(nèi)外管協(xié)同工作較好， 小偏心受壓構(gòu)件拉側(cè)內(nèi)外管協(xié)同工作性能較好。 偏心距不變的構(gòu)件在不同的荷載下，中和軸在較小的區(qū)域移動，并向加載側(cè)靠近，隨著偏心距增加，中和軸位置和受壓位置越發(fā)靠近。構(gòu)件的含鋼率和CFRP 層數(shù)增大，承載力越強，鋼管壁厚小于6mm 及CFRP 在2層以內(nèi)，每提升1mm 壁厚或1 層CFRP，二者對承載力的影響都在10%以上。 偏心距越大，承載能力越差，偏心距增加7.5%，承載力下降20%。 劉耀明[28]等在方鋼管中設置了CFRP 管并填充了再生混凝土，在對其進行軸壓試驗后發(fā)現(xiàn)，CCFST 在軸壓試驗中出現(xiàn)兩次峰值承載力， 分別出現(xiàn)在整體彈塑性階段末尾Nb 和核心混凝土增強末尾Nd，鋼管壁厚的寬厚比盡可能小于2.03， 避免過早發(fā)生局部屈曲。增加CFRP 管有效提升了構(gòu)件承載力和延性，內(nèi)部管斷裂后構(gòu)件整體承載力沒有驟降，其CFRP 柱破壞顯示脆性被改善，再生骨料的取代率對承載力影響不大， 說明增加CFRP 管提供的約束，使其力學性能得到改善，試驗提及兩個峰值若能通過調(diào)整，做到靠近或重合，承載力可能進一步得到提升。

劉昕鶴[29-30]等將工字形CFRP 型材放入方鋼管CFST 中，軸壓試驗后發(fā)現(xiàn)對極限力有顯著的提升，該試驗類似鋼骨鋼管混凝土的原理，由CFRP 型材和方鋼管共同約束混凝土， 工字形型材的腹板和翼緣對核心混凝土起到了約束作用， 對鋼管平板處約束較小。 對于中長柱而言，長細比對構(gòu)件的承載力影響最大，具體為長細比每增加11.5，柱的承載力最大下降10.26%。CFRP 型材能提升構(gòu)件的變形及承載能力，對剛度影響較小。 張碩[31]等在進行偏壓試驗時發(fā)現(xiàn)， 偏心率對構(gòu)件的極限承載力及初始剛度影響較大，偏心率越大，二者均下降，加入型材后構(gòu)件極限承載力顯著改善， 約束強弱特征和軸壓時基本一致。

目前，F(xiàn)RP 材料在作為筒狀和型材都在CFST內(nèi)部增加對核心混凝土增加約束， 目前還沒有很多關于FRP 筋在CFST 內(nèi)部的應用，結(jié)合肖良麗[32-33]等已經(jīng)將FRP 筋用于提升柱和梁等構(gòu)件的性能，作者認為相比管材，F(xiàn)RP 筋的造價低，合理布置也能有效提升CFST 性能，因此，F(xiàn)RP 筋應該在CCFST 上具有很好的發(fā)展前景。

2 總結(jié)與展望

隨著科技的進步，人口的日益增長，土地等資源會越發(fā)匱乏， 未來對高層建筑或者地下多層建筑的需求一定會日益增長[34]。對建筑物構(gòu)件的承載力要求提升，卻不占據(jù)過大空間，在此條件下，提升承載力大致可從材料和結(jié)構(gòu)兩方面入手。

在過往實驗中，對CFST 的約束往往是較為單一的，對其力學性能的增加也比較有限，如在內(nèi)部設置螺旋箍筋時， 通常只考慮螺旋箍筋的強度和分布形式， 很少將螺旋箍筋加強的CCFST 和使用額外加強手段的螺旋箍筋CCFST 進行力學性能比較， 如同時設置板上加勁肋與螺旋箍筋的組合方式， 二者在此基礎上不同的設置形式如空腹式加勁肋設置于鋼管上的同時， 螺旋箍筋是穿過空洞布置的效果好，還是緊貼加勁肋外沿布置效果好？隨著科技的進步， 不同組合效果的細分研究也需要推進，在未來更高精度更高要求的工程中，需要具體的組合加強方案。

在混凝土強度較高的CFST 中， 增加配筋、螺旋箍筋等內(nèi)部約束的方法和外包FRP 等外部約束的方法都能提高構(gòu)件的性能， 作者認為內(nèi)外同時進行約束的不同組合，可以實現(xiàn)1+1>2 的效果，是未來努力研究的方向之一。 鋼筋在CCFST 內(nèi)部也有更多形式，比如高強箍筋[41]在今天工程中也大量應用，對構(gòu)件的承載力提升十分顯著。 再者，多重螺旋箍筋[42]的設置形式的研究也表明能提升構(gòu)件的承載能力， 將來多重螺旋箍筋設置在CCFST 中提高其承載能力與延性是可以期待的。

在倡導環(huán)保的今天， 土木工程近千年的發(fā)展歷程中產(chǎn)生了大數(shù)量的建筑垃圾， 對于再生混凝土的利用備受矚目，針對再生混凝土[43-46]的力學性能上的缺點如強度低等， 可以通過外包鋼筋或FRP 的CCFST 來進行強化其承載力、抗震等性能。為了保護淡水資源， 對海水海砂的利用也越發(fā)受人矚目， 作者認為可以使用FRP 制作的筋和管材來替代CCFST 中的鋼筋和鋼管， 防止海水海砂對鋼筋銹蝕，增加港口工程的耐久性和安全性。

目前投入工程使用的CCFST 案例仍然數(shù)量較少，需要進一步探索CCFST 的使用方法，以期在未來的建筑中更廣泛的使用。