鋼管混凝土柱的破壞機理及其應對措施研究

趙永濤，陳 軍

（天津中建七局華北公司，天津 塘 沽300450）

1 鋼管混凝土柱的工作機理

鋼管混凝土柱是依靠內部混凝土和鋼管壁共同作用，承擔軸向壓力和彎矩作用。鋼管混凝土柱在軸向壓力作用下，柱芯混凝土承擔一部分壓力，鋼管壁承受一部分壓力。另外，鋼管壁對柱芯混凝土的約束，使得柱芯內部的混凝土處于三向受壓狀態，大大提高了混凝土抗壓極限應力，促使柱芯混凝土順縱軸的微裂縫有重新閉合的趨勢，約束了混凝土的破壞。因此，鋼管混凝土細微裂縫的發生和發展只有在較高的壓應力下才會產生。而微柱的失穩就只有在更高的應力下才能發生，其結果提高了混凝土的抗壓強度和抗變形能力。

鋼管混凝土柱的工作機理具有三向受壓混凝土的特點。在側壓力不太高的情況下，混凝土的破壞面主要是粗骨料和水泥砂漿的結合面。如果側壓力很高，沿骨料和水泥砂漿結合面形成的微柱始終不失穩，則混凝土的破壞就是粗骨料的破壞，混凝土粗骨料將如同處于三軸壓力的巖石一樣，在更高的軸向壓力下，在平行于最大主壓應力的平面形成第二層次的微柱。隨著壓應力的進一步增加，最后這些第二層次的微柱失穩而導致混凝土的破壞。

鋼管與混凝土的有效結合，充分利用了鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，并利用了兩者共同作用產生的合力效應，達到提高鋼管混凝土柱整體抗壓能力的效果。此外，利用鋼管壁對內部混凝土的保護作用，減少混凝土的自然損壞，增加耐久性。

2 鋼管柱芯混凝土的澆筑方式

2．1 泵送頂升澆筑法

在鋼管接近地面的適當位置安裝一個帶閘門的進料支管，直接與泵車的輸送管相連，由泵車將混凝土連續不斷自下而上灌入鋼管，無需振搗。

2．2 立式手工澆筑法

將混凝土自鋼管上口灌入，當管徑大于350mm時，用插入式內部振搗器振搗密實，每次振搗時間不少于30s，混凝土一次澆筑高度不超過2m；當管徑小于350mm時，可采用附著在鋼管外壁的外部振搗器進行振搗，外部振搗器的位置應隨混凝土澆灌的進展而加以調整。

2．3 高位拋落無振搗法

以混凝土下落產生的動能達到振實混凝土的目的。它適用于管徑大于350mm，高度不小于4m的情況。對于拋落高度不足4m的區段，應用內部振搗器振密，一次拋落量宜在0．7m3［1］。

3 鋼管混凝土柱的受力分析

多肢鋼管混凝土柱充分利用混凝土的抗壓性能、鋼管格構的抗彎矩性能及其兩者有效結合產生的聯合效應，承受上部偏心荷載的作用。將偏心受壓的作用可以分解為軸向壓力和彎矩作用。本文重點分析軸向壓力的作用以及多肢鋼管混凝土柱的抗壓性能。

3．1 結構受力分析的理想狀態假設條件

為便于簡化理論分析，在對鋼管混凝土柱進行受力狀態分析前，進行如下假設：混凝土內部為勻質；受壓特點為截面均勻受壓；混凝土與管壁結合完美，即共同作用的效用理想；管壁無缺陷，鋼管壁厚薄一致，材質同一。

3．2 抗壓性能分析

鋼管與其中的混凝土共同作用，主要承擔上部結構施加的靜荷載和可變荷載。兩者結合產生的抗壓強度遠大于二者抗壓強度的簡單相加，為便于分析，將柱芯混凝土，鋼管壁分別隔離研究其受壓狀態及破壞路徑，最后在對二者共同作用所增加的抗壓能力做一簡單歸納。大量實驗表明：鋼管混凝土短試件在軸向力的作用下鋼管和核心混凝土隨著縱向壓力的增加兩者均產生較大的縱向應力和縱向應變。

3．2．1 混凝土的抗壓性能

F1＝πr2，

式中，F1為混凝土極限承載力；r為鋼管混凝土截面半徑；σ0為混凝土抗壓強度。當外界荷載F1＇增加到F1時，柱芯混凝土即達到破壞臨界壓力。繼續增加F1＇，當F1＇＞F1，柱芯混凝土應力釋放，導致混凝土破壞（圖1）。

圖1 柱芯混凝土受壓

3．2．2 鋼管壁的抗壓性能

F2＝πt（R＋r）σ0，

式中，F2為鋼管壁的極限承載力；R為鋼管外徑；r為鋼管內徑；σ0為混凝土抗壓強度。當外界荷載F2＇增加到F2時，鋼管壁即達到破壞臨界壓力。繼續增加F2＇，當F2＇＞F2，鋼管壁應力釋放，導致鋼管抗壓能力急劇下降而導致破壞（圖2）。

圖2 鋼管壁受壓

3．2．3 鋼管壁與柱芯混凝土的共同作用

鋼管混凝土柱在軸向壓力的作用下，鋼管壁與混凝土共同作用的應力路徑是比較復雜的?？梢钥隙ǖ氖?，鋼管壁對柱芯混凝土的約束作用，成倍提高了混凝土的抗壓性能。大量的工程實際也充分證明，鋼管壁對柱芯混凝土的約束作用及其對提高混凝土抗壓強度起到了積極的作用。

鋼管混凝土柱在軸向壓力作用下，將產生橫向變形。橫向應變與縱向應變的關系為：

εIS＝μSε3S，εIC＝μCε3C

式中的ε3，ε1分別為縱向、環向應變，μ為材料的泊松比，下標S，C分別代表鋼管和核心混凝土。在軸向力作用下鋼管和核心砼的變形是協調的，即ε3S＝ε3C。鋼材的泊松μS在彈性階段為一常數（0．283），進入塑性階段（應力達屈服點fy時）增大至0．5而保持不變。而混凝土的橫向變形系數μC則為變數，可以從低應力時的0．17增加到0．5至1．0甚至大于1．0。由上式可見，鋼管混凝土在軸心壓力N作用下，開始時μS＞μC，故εIS＞εIC，但μC在很快趕上μS，則μS＝μC，而εIS＝εIC，隨后μC＞μS，εIC＞εIS。

上述分析表明鋼管混凝土在軸向壓力作用下混凝土向外的橫向變形大于鋼管向外的橫向變形。鋼管約束了砼，在鋼管與混凝土之間產生了相互作用力，從而使鋼管縱向和徑向受壓而環向受拉，混凝土則處于三向受壓狀態（圖3、圖4和圖5）。

圖3 鋼管壁的約束作用

圖4 柱芯混凝土三向受力

圖5 鋼管壁切線方向的環向拉應力

為便于理解，將二者共同作用所增加的部分抗壓能力按下式計算：

F3＝Δsσ。

式中，Δs為約束系數（與混凝土和鋼管壁的彈性模量、泊松比和鋼管內外徑有關的綜合調整系數）；σ為約束應力（與混凝土抗壓強度，鋼管壁極限抗壓應力有關的綜合調整值）。

鋼管壁與柱芯混凝土的共同作用，提高了混凝土的抗壓強度，同時塑性性能得到了很大的改善。由原來的脆性材料轉變為塑性材料，這一轉變決定了鋼管混凝土這種結構形式的基本性質和特點?？梢詫摴芑炷林妮S向抗壓性能歸納如下：

F＝F1＋F2＋F3＝π（R－r）tσ＋πr2σ＋Δsσ

4 鋼管混凝土柱的缺陷分析

4．1 空腔

在澆筑混凝土的過程中，空氣混入混凝土拌合物，大部分可以排出。少量殘留的空氣聚集成空腔，形成混凝土空氣夾層。空氣夾層的存在，導致相關截面的抗壓強度減小，降低了鋼管混凝土柱的整體抵抗軸向壓力的能力?；炷恋呐浜媳炔划?，泵送混凝土的坍落度大于180mm。由于用水量大，造成混凝土的干縮變形大而引起脫空。

4．2 收縮縫缺陷

混凝土在硬化過程中，體積收縮變形引起的應力大于混凝土與鋼管的粘結應力后所形成的縫隙。

4．3 混凝土與管壁粘結不良

由于鋼管壁和混凝土兩種材質的性質差異，加上施工過程中的出現的缺陷，柱芯混凝土與鋼管壁結合不良。鋼管內壁的銹蝕、雜質未除盡，以及空氣夾層的存在，使得柱芯混凝土和鋼管壁不能有效結合。

圖6 鋼管壁與混凝土的不完美結合

4．4 混凝土缺陷

混凝土在攪拌過程中，實際投料的比值與理論配合比的偏差，以及混凝土攪拌完畢至澆筑完成的時間間隔，都是影響混凝土澆筑質量的重要因素。由此可能引起混凝土內部孔洞、離析、松散不密實。

4．5 柱身完整性遭到破壞

柱芯混凝土澆筑的需要，在柱身開孔，破壞了鋼管壁的完整性，雖經過補焊，在一定程度上彌補了孔洞導致的柱身缺陷，但無法保證柱身的抗壓應力達到完整管壁的狀態。柱身開孔導致鋼管壁的破壞以及柱芯混凝土的孔洞（圖7至圖9）。

圖7 柱身開孔及補焊

圖8 柱芯混凝土孔洞

圖9 開孔部位的補焊缺陷

4．6 混凝土與柱頂端板的收縮縫隙

柱芯混凝土澆筑完畢時（主要是頂升法存在此類現象），由于下部卸壓，柱芯混凝土頂端與鋼管柱端板接觸部位，出現微小縫隙，加之隨后的混凝土硬化收縮，使得柱芯混凝土頂端出現成片微縫（圖10）。

圖10 混凝土與柱頂端板的縫隙

在軸心壓力作用下，上部端板的應變不足以使得柱芯混凝土分擔荷載，此時，鋼管壁承擔了所有的荷載。因此，該部位形成鋼管混凝土的薄弱環節之一。假設，上述缺陷導致的抗壓應力損失為σi，缺陷的數量調整系數為Si。每種缺陷導致的抗壓能力損失為：

Fi＝σi×Si

在某一截面的最大抗壓力則為：

F（σ）＝F－Fi

隨著壓應力的增加，首先在F（σ）＝F－max（Fi）的位置，出現破壞。由于材料、施工工藝及人為因素的影響難以避免，建立在假設條件之上的理論分析與實際的應力傳遞路徑存在偏差。實際上，在某些部位的應力分布和傳遞情況比理想狀態要集中。在這些部位，最容易出現受壓破壞的情況。另外，加上彎矩和軸向壓力的共同存在，導致上述部位成為應力釋放的突破點，并最終導致鋼管混凝土柱的整體失穩，承載力急劇降低。

5 防止鋼管混凝土柱破壞的應對措施

5．1 加強振搗

頂升法澆筑柱芯混凝土是依靠地泵泵送的向上推力將混凝土由下向上頂滿鋼管，由于重力作用，混凝土比較密實。在澆筑過程中，不得振搗，以免頂升壓力不足，導致澆筑中斷。高空拋落免振搗法和立式手工澆筑法施工，必須及時充分振搗，使得混入混凝土內部的空氣能夠及時排除，避免在鋼管柱內形成空氣層。

5．2 注漿

對于細微縫隙，鑒于其帶來的危害較大，必須及時檢測，并進行壓漿處理。環氧糠酮漿液可用于處理大于0．1mm的縫隙，該材料收縮率低，穩定性好，抗拉強度大于15MPa，抗壓強度大于60MPa，與混凝土的粘結力大于25MPa。尤其是此壓漿材料造價較低，操作方便，而且比較安全，強度較高。

另一種處理微小縫隙的方法是在其中注入甲凝漿液，甲凝漿液的粘度低，甚至比水還低，可灌性更好，可注入細微裂隙（0．05mm），且粘結強度高，物理性能好，耐老化，其抗壓強度高達60MPa以上。由于其相對費用較高，且部分材料有劇毒，因此在施工中往往采用第一種壓漿材料［3］。

5．3 加強施工中的過程質量控制

鋼管混凝土使用的粗骨料一般都經設計確認在一定的粒徑范圍內，并對水灰比、坍落度有嚴格要求。在拌制混凝土時必須嚴格按照規定進行，以免影響混凝土成型質量。為滿足坍落度的要求，須加入適量減水劑，同時，為減少收縮量，摻入適量的混凝土膨脹劑。

5．4 補焊

柱身開孔等造成的柱身缺陷，需要嚴格按照焊接質量要求，保證焊縫焊接質量，避免應力損失。使用開孔焊割掉的材料在完成混凝土澆筑后補焊到原來位置。補焊的鋼板應與鋼管壁齊平，不得突出鋼管壁。以保證開孔部位的鋼管壁在受壓時應力分擔均勻，保證柱身的完整性。

5．5 加勁肋的合理設計

增加加勁肋主要用于鋼管混凝土柱頂端板下部（圖11）所示，通常將加勁肋均勻設置為四肋或六肋。加勁肋的設置，使柱頂荷載的應力傳遞路徑改變，由原來的鋼管壁和柱芯混凝土的共同承壓，變為豎向加勁肋分擔頂端板傳遞的壓力。尤其是在存在柱芯混凝土頂端縫隙的情況下，能分擔該水平截面內鋼管壁的壓力。加勁肋將分擔的軸向壓力，向下傳遞給下部的鋼管壁和柱芯混凝土，從而增加了鋼管混凝土柱頂端部分的抗壓能力。

圖11 增加加勁肋

6 結語

鋼管混凝土柱在偏心壓力的作用下，應力傳遞的實際路徑與理論分析存在一定的偏差。由于施工工藝、材料及人為因素的影響，出現的一般缺陷足以導致鋼管混凝土柱在這些缺陷部位首先破壞，以釋放比較集中的壓應力。并最終導致鋼管混凝土柱整體失穩。因此，研究鋼管混凝土柱的一般缺陷，分析其破壞機理，并提出相關應對措施，對于提高鋼管混凝土的承載能力，提高鋼管混凝土柱的質量水平具有借鑒意義。

［1］王壽華．建筑施工手冊（第四版）［M］．北京：中國建筑工業出版社，2009．

［2］劉 勇．淺談鋼管混凝土結構［J］．施工技術，2011（1）：31～32．

［3］劉東平．鋼管混凝土柱的檢測與補強［J］．建筑技術，2001，32（6）：393～394．