薛媛媛XUE Yuan-yuan；蔡祖榮CAI Zu-rong

（①湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，湘潭 411101；②湖南建投地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，長沙 410005）

0 引言

鋼管混凝土是指鋼管內(nèi)填充混凝土后，鋼管和混凝土同時受力的構(gòu)件[1]。隨著鋼管混凝土在實際工程中的應(yīng)用日益增多，其發(fā)生火災(zāi)的頻率也隨之提高，對鋼管混凝土構(gòu)件而言，核心混凝土具有較大的吸熱作用，同時鋼管提供約束核心混凝土的作用，因此其火災(zāi)后仍然具有良好的承載能力，建筑物可在火災(zāi)后進(jìn)行加固繼續(xù)使用，因此深入研究其在高溫后的力學(xué)性能顯得非常重要。針對高溫后鋼管混凝土柱軸壓力學(xué)性能，目前國內(nèi)外學(xué)者開展了一定數(shù)量的試驗及理論研究，并取得了一定的成果[2-8]，高溫后鋼管混凝土柱力學(xué)性能的劣化一直是工程實際中和研究者所關(guān)心的問題，基于國內(nèi)外研究者的大量研究，本文對影響高溫后鋼管混凝土柱力學(xué)性能的因素進(jìn)行分析討論，并對今后開展的研究進(jìn)行展望，提出一些建議。

1 鋼管混凝土的粘結(jié)機理

鋼管混凝土是兩種不同屬性材料的組合，既利用了混凝土承載能力高的特點，同時利用了鋼材抗拉、抗壓強度高和具有良好的彈塑性等特點，因此在很大程度上提升了鋼管混凝土的力學(xué)性能。在外荷載作用下，兩種材料共同受力，鋼管對內(nèi)部混凝土提供約束作用，使管內(nèi)混凝土處于多向應(yīng)力狀態(tài)下，提高了混凝土的強度與韌性[9，10]，而核心混凝土對鋼管的支撐作用使得鋼管承載能力增強，并能延緩鋼管的局部屈服，因此兩種不同屬性的材料協(xié)同工作能大大提高其承載能力和強度[11]。

鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力由三部分構(gòu)成：混凝土中的水泥凝膠體與鋼材表面的化學(xué)膠結(jié)力、鋼材與混凝土界面粗糙不平產(chǎn)生的機械咬合力以及摩擦力。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)工作機理如圖1 所示。

圖1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)工作機理示意圖

2 高溫后鋼管混凝土柱的剩余承載力（N0uT）

通過對國內(nèi)外關(guān)于高溫后鋼管混凝土力學(xué)性能試驗研究成果的綜合分析可知，影響構(gòu)件N0uT的主要參數(shù)包括溫度、含鋼率、混凝土強度、冷卻方式、混凝土類型、截面尺寸等?，F(xiàn)就一些參數(shù)對構(gòu)件N0uT的影響總結(jié)如下。

2.1 溫度

研究表明溫度對N0uT具有顯著影響。余志武等[2]完成了48 根高溫后鋼管高性能混凝土短柱試驗研究，結(jié)果表明隨著溫度的升高，N0uT整體上呈降低趨勢，且溫度高于500℃后，其下降速度更快。Han 等[3]完成了在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下12 根鋼管混凝土柱的力學(xué)性能試驗研究，結(jié)果表明N0uT隨著升溫溫度的增加而降低，文獻(xiàn)[13、14]得出相同的結(jié)論。Huo 等[7]研究了火災(zāi)后鋼管混凝土短柱力學(xué)性能，結(jié)果表明N0uT隨著溫度的升高而降低，但影響不顯著。陳宗平等[8]進(jìn)行了高溫后方鋼管高強混凝土軸壓短柱試驗研究，結(jié)果表明溫度低于400℃時N0uT變化幅度不大，而超過400℃時N0uT迅速下降?？聲攒姷萚12]進(jìn)行了37 根高溫后方鋼管再生混凝土短柱軸壓試驗，結(jié)果表明N0uT隨著經(jīng)歷最高溫度增加先小幅度升高再降低。陳宗平等[15]進(jìn)行了高溫噴水冷卻后鋼管高強混凝土的軸壓性能試驗，結(jié)果表明隨著溫度的增高，N0uT呈先增大再減小的趨勢。陳宗平等[16]進(jìn)行了高溫噴水冷卻后方鋼管再生混凝土短柱軸壓性能試驗研究，隨著最高溫度的升高，高溫噴水冷卻后同一取代率試件的N0uT基本上呈下降趨勢。陳宗平等[17]進(jìn)行了高溫后圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的承載力研究，結(jié)果表明隨著溫度的升高，N0uT先略微下降后小幅提高，隨后大幅下降。顧連勝等[18]進(jìn)行了高溫后矩形鋼管橡膠混凝土軸壓短柱的試驗研究，結(jié)果表明隨溫度增加，N0uT整體為下降趨勢，但在溫度為400℃時，N0uT有一小幅上升。蘇益聲等[19]進(jìn)行了高溫后方鋼管全再生混凝土短柱軸壓試驗研究，結(jié)果表明自然冷卻試件隨著溫度的升高，N0uT呈現(xiàn)降低再升高之后再降低的趨勢。鐘水溶[20]進(jìn)行了火災(zāi)后方鋼管混凝土短柱軸壓力學(xué)性能試驗研究，隨著升溫時間越長溫度越高，N0uT越小。

由于篇幅限制，僅列出部分高溫后鋼管混凝土柱剩余承載力研究參數(shù)如表1，用圖2 表示各試件在高溫后的剩余承載力相對常溫下的剩余承載力。從分析結(jié)果可知，隨著溫度的升高，N0uT先略微下降后小幅提高，隨后大幅下降[2，8，16-19]；隨著溫度的升高，試件的N0uT越小[3，7，13，14，20]。隨著溫度的升高，試件N0uT先增大再減小的趨勢[12，15]。出現(xiàn)研究結(jié)果不一致的原因可能是：①主要原因在于當(dāng)溫度較低時，水泥石中的結(jié)合水脫出程度較輕，界面裂縫寬度變化不大，因此混凝土的強度損失不大，還有經(jīng)歷較低溫度的鋼材，冷卻后其屈服強度相對常溫鋼材變化不大；隨著溫度的提高，混凝土內(nèi)部自由水和少量結(jié)合水逐漸損失，凝膠材料分解條件不利，但在溫度達(dá)到某一個值時，內(nèi)部自由水蒸發(fā)形成大量水蒸氣，加速未被熟化水泥顆粒的水化反應(yīng)，混凝土強度提高，只要這種有利因素超過混凝土高溫作用后損傷的影響，試件的承載力就會增加；但過高的溫度使水泥石中的C-S-H 凝膠大量脫水、分解，使得結(jié)構(gòu)過于疏松，導(dǎo)致混凝土中的裂縫發(fā)展，高溫?fù)p傷愈發(fā)嚴(yán)重，從而混凝土強度大幅下降，導(dǎo)致剩余承載力大幅降低；研究結(jié)果總體上表現(xiàn)出隨著溫度的升高，N0uT逐漸下降。②試驗結(jié)果本身存在不可避免的誤差且各試驗條件不盡相同。

表1 高溫后鋼管混凝土柱剩余承載力研究參數(shù)匯總

圖2 各試件相對剩余承載力

2.2 混凝土類型

研究表明混凝土類型對N0uT具有明顯影響。Liu Wenchao 等[4]研究表明在含鋼率相對較低時，隨著再生骨料混凝土取代率的增加，N0uT下降?？聲攒姷萚12]研究表明N0uT隨著再生骨料取代率的增加呈波動變化。侯睿等[14]研究表明當(dāng)再生骨料混凝土類型相同時，N0uT隨著再生骨料取代率的增加而降低。陳宗平等[16，17]研究表明再生粗骨料取代率對N0uT影響不大。顧連勝等[18]研究表明N0uT隨橡膠混凝土取代率的增加而下降。從試驗分析結(jié)果可知，混凝土類型對N0uT的影響不一致，可能由于試驗結(jié)果本身存在不可避免的誤差、各試驗條件不盡相同加上試驗數(shù)據(jù)有較大的離散性等。

2.3 冷卻方式

柯曉軍等[12]研究表明無論是自然還是噴水冷卻，N0uT總體表現(xiàn)出降低趨勢，但噴水冷卻試件N0uT比自然冷卻試件降低更快。陳宗平等[15]研究表明高溫噴水冷卻后試件的N0uT相較于自然冷卻后均有所提高。陳宗平[16]和蘇益聲[19]等研究表明采用不同冷卻方式對試件N0uT影響并不顯著。從試驗結(jié)果可知，冷卻方式對N0uT的影響不一致，可能由于各試驗條件不盡相同加上試驗數(shù)據(jù)有較大的離散性等。

2.4 混凝土強度

陳宗平等[8，15]研究表明在其他參數(shù)相同時，試件N0uT隨混凝土強度等級的提高而增大。

2.5 含鋼率

余志武[2]和Liu Wenchao[4]等研究表明在其他條件相同時，試件N0uT隨含鋼率增加略有提高。

2.6 其他的一些影響因素

①長細(xì)比，Han 等[3]研究表明N0uT隨著長細(xì)比的增加而減小。②軸壓比，Huo 等[7]研究表明軸壓比對火災(zāi)后鋼管混凝土柱的N0uT沒有顯著影響；鐘水溶[20]研究表明隨升溫時間的延長，N0uT先隨軸壓比增大而增大，后隨之增大而減小。③排氣孔數(shù)量，鐘水溶[20]研究表明N0uT會隨著排氣孔的數(shù)量的增加而減小。④鋼管混凝土內(nèi)抗剪連接件，孟凡欽等[21]研究了火災(zāi)后鋼骨-方鋼管混凝土短柱的軸壓力學(xué)性能研究，結(jié)果表明在其他相同條件下，內(nèi)置鋼骨的方鋼管混凝土柱承載力損傷程度要小于鋼管混凝土柱。

3 總結(jié)

國內(nèi)外研究者對于高溫后試件雖得到了一些因素對剩余承載力的影響規(guī)律，但由于影響因素眾多，變形機理復(fù)雜，且結(jié)果具有一定的離散性，尚未能形成成熟的理論，故有必要進(jìn)一步開展試驗研究，考慮更多可能的影響參數(shù)，分析對高溫后鋼管混凝土剩余承載力的影響規(guī)律，得到具有一般性的可供工程實踐參考的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停焕糜邢拊治鰧Ω邷睾箐摴芑炷潦Ｓ喑休d力做進(jìn)一步精細(xì)化的機理分析和參數(shù)分析?；谠囼灁?shù)據(jù)庫，引入一些新的分析手段，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)分析等等。

本文分析總結(jié)了現(xiàn)有國內(nèi)外研究者對高溫后鋼管混凝土柱剩余承載力的相關(guān)研究，包括高溫后鋼管混凝土剩余承載力及影響剩余承載力的主要因素?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：①溫度、混凝土類型、冷卻方式、混凝土強度、含鋼率等都是影響高溫后鋼管混凝土剩余承載力的主要因素。溫度對鋼管混凝土的剩余承載力有明顯的影響，影響規(guī)律不完全一致，但研究結(jié)果總體上表現(xiàn)出剩余承載力隨溫度的升高逐漸下降。剩余承載力隨混凝土強度等級、含鋼率的提高而增大。但混凝土類型、冷卻方式對鋼管混凝土剩余承載力的結(jié)果較離散，影響規(guī)律并不明確。②其他影響因素如軸壓比、排氣孔數(shù)量等也有一定的影響，其研究尚未成熟，還需進(jìn)行更多的試驗來研究這些問題。③這些成果對于解釋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工作機理和承載力的劣化規(guī)律具有重要意義，可為工程設(shè)計提供參考。