實復式鋼管混凝土的特性及發展

張兆強

（西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽621010）

1 引言

近年來，鋼管混凝土結構以其承載力高、延性和抗震性能好以及施工快捷等優點，在國內外的多高層建筑和大跨橋梁等結構中得到越來越廣泛的應用［1］。同時，工程結構對重載、高聳、大跨的要求也不斷提高，這就要求柱既要有很高的承載力，又要有較好的延性。因此，在鋼管混凝土的基礎上涌現出了一些新型結構形式。實復式鋼管混凝土就是其中一種，它是將兩層或者多層鋼管同心放置，并在鋼管中填充混凝土而形成的。常用的截面形式如圖1所示。

圖1 實復式鋼管混凝土截面形式

2 實復式鋼管混凝土的特點

實復式鋼管混凝土是在普通鋼管混凝土中增加圓鋼管形成的。由于增加圓鋼管后，鋼管和核心混凝土的相互作用進一步增強，使得實復式鋼管混凝土柱具有更高的承載力，整體穩定性得到提高，能更好地滿足高烈度地震區軸壓比和抗剪強度的要求。另外，由于內鋼管處于構件內部，受到外層混凝土的包裹和保護，即使外鋼管在火災作用下退出工作，內層混凝土仍能繼續發揮承載能力，因此，其具有比普通鋼管混凝土更好的耐火性能。適合于在高聳結構、高層建筑以及大尺寸的灌注樁中使用和加固現存的鋼管混凝土柱。

3 研究現狀

與鋼管混凝土上百年的研究歷史相比，對實復式鋼管混凝土的研究僅有十余年的時間，基本上還處于起步階段。已開展的研究工作主要集中在構件的軸壓、偏壓和滯回性能方面。

3.1 構件的受壓承載力和滯回性能研究

蔡紹懷和焦占拴［2］進行了實心復式鋼管混凝土短柱的軸壓性能試驗研究。共制作了兩個試件，其中一個為同心放置的三層鋼管組成的實心復式鋼管混凝土柱，另一個為“梅花”狀布置的鋼管束。試驗結果表明，在使用荷載作用下，試件仍處于彈性工作階段。文章還在試驗的基礎上，根據極限平衡理論提出了該類構件的極限承載力計算公式，理論計算結果與實測值符合較好。

張春梅等［3］進行了6個雙鋼管高強混凝土軸壓短柱的試驗研究，截面形狀如圖1（a）所示。試驗過程中，考慮的主要參數是構件的含鋼率和壁厚。研究結果表明：雙鋼管高強混凝土柱具有良好的力學性能，構件在屈服前基本為彈性，在屈服后表現出了較好的延性；在相同含鋼率的情況下，雙鋼管高強混凝土柱的軸壓承載力高于單鋼管混凝土柱；利用現有的鋼管混凝土構件承載力計算公式來計算雙鋼管混凝土柱的軸壓承載力，將產生較大的誤差，且偏于保守，應當考慮內層鋼管的套箍作用。并在此基礎上，分析了鋼管外直徑、鋼管內外直徑比、鋼管徑厚比和混凝土強度等因素對雙鋼管混凝土柱軸壓承載力的影響規律［4］。文獻［5］通過鋼－混凝土組合柱軸壓性能的試驗對比研究，發現鋼－高強混凝土組合柱在受力特點、破壞機制以及計算方法等方面均與普通鋼筋混凝土有很大的區別，組合柱均具有較高的軸壓承載力，尤以雙鋼管高強混凝土柱突出。

裴萬吉［6］對截面形狀如圖1（b）所示的內圓外方實復式鋼管混凝土短柱進行了軸壓和偏壓試驗，對長柱進行了軸壓試驗，分析了圓鋼管的壁厚、管徑及材料的屈服強度等因素對其承載力的影響，并在試驗的基礎上，利用ANSYS有限元軟件對內圓外方實復式鋼管混凝土軸壓短柱進行了分析，分析結果與試驗結果基本一致。張玉芬等［7］根據鋼管混凝土統一理論，提出復式鋼管等效套箍系數，計算了內圓外方實復式鋼管混凝土短柱的軸壓承載力，計算結果與試驗結果基本符合。文獻［8～10］運用雙剪統一強度理論，考慮中間主應力以及內、外鋼管對內層混凝土的雙重約束作用，分別推導了內圓外圓和內圓外方實復式鋼管混凝土短柱軸壓和偏壓承載力計算公式，計算結果與試驗結果吻合較好，并給出了較為合理的受力機理解釋。

陳國祥等［11］通過標準火災作用下雙鋼管混凝土柱截面溫度場分布的研究，得出了不同火災作用下內、外鋼管溫度比值變化規律，結果表明：內、外鋼管直徑比對其溫度比幅值影響較大，對內鋼管實際溫度影響較小。

周云等［12］通過低周反復水平荷載作用試驗，研究了雙鋼管高強混凝土柱的抗震性能。結果表明：雙鋼管高強混凝土柱在低周反復水平荷載作用下的荷載－變形曲線未出現捏縮現象，滯回曲線較飽滿，表現出了較好的抗震性能。

3.2 節點的抗震性能研究

文獻［13］采用ANSYS軟件對采用T型加勁板和加腋進行增強的實復式鋼管混凝土柱與工字鋼梁節點的抗震性能進行了數值模擬，結果表明：加強型節點承載力高，耗能能力較強，且不會發生節點域的板件斷裂，破壞時塑性鉸外移，屬于延性破壞，滿足強節點弱桿件的抗震設計原則。

文獻［14］提出了一種用于實復式鋼管混凝土結構的新型外鋼管不連通環梁節點，并通過4個試件的低周反復荷載試驗，研究了其抗震性能。結果表明：新型節點具有較好延性和變形能力，增加環梁配筋率和柱內鋼管尺寸可提高節點的承載力。節點整體性強，滿足結構設計“強柱弱梁”及“強節點弱構件”的設計原則，具有較好的抗震性能。

4 研究與發展中的若干關鍵問題

4.1 靜力性能研究

雖然目前對實復式鋼管混凝土構件在靜力荷載作用下的力學性能研究已有了一定的報道，但研究工作開展得還不夠充分和系統（如試件的數量偏少，考察參數還較為單一），且主要集中在構件的受壓力學性能上，有關壓彎構件的研究還很少。得到的承載力計算公式，雖已具有了較好的精度，但仍然顯得復雜。因此，還需要開展大量的試驗，并在此基礎上，結合理論分析方法系統研究不同截面形式構件在不同荷載作用下的工作機理，總結出便于工程應用的計算公式，制定有關設計和施工規程，為該類構件在實際工程中的應用奠定基礎。

4.2 動力性能研究

從前述研究現狀可看出，關于實復式鋼管混凝土構件在動力荷載作用下的力學性能才剛剛進行了一些嘗試性研究，對其恢復力模型、破壞機理等的分析尚欠深入。而工程結構通常要對其進行抗震設計，因此需要加強該方面的研究工作。

4.3 節點的設計和優化研究

鋼管混凝土結構的梁柱節點一直是工程應用和研究的熱點。目前，關于普通鋼管混凝土梁柱節點的研究已取得了大量的成果。但是，節點形式仍偏少，同時也缺乏較充分的試驗依據，已有的幾種節點形式在性能、施工和造價的處理上仍需要優化，且能否直接將其節點移植到實復式鋼管混凝土結構中，還需要大量深入的探討。因此，設計適合于實復式鋼管混凝土的梁柱節點，形成一套較為完整和成熟的計算理論和設計方法，具有重要的工程意義。

4.4 實復式鋼管混凝土組成的整體結構的力學性能研究

整體結構體系的性能并不是單一構件和節點性能的簡單疊加，通常情況下是有差異的。因此，有必要進行相關的框架試驗及理論計算，全面認識整體結構體系的力學性能，這對于整個結構的可靠度控制，進而促進該類結構的工程應用具有重要意義。

5 結語

實復式鋼管混凝土是一種新型結構形式，能夠適應現代工程結構向大跨、高聳、重載發展的需要，符合現代施工技術的工業化要求，具有很好的發展前景。隨著研究工作的深入和完善，其應用范圍將不斷擴大。

［1］ 鐘善桐.鋼管混凝土結構［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［2］ 蔡紹懷，焦占拴.復式鋼管混凝土柱的基本性能和承載力計算［J］.建筑結構學報，1997，18（6）：20～25.

［3］ 張春梅，陰 毅，周 云.雙鋼管高強混凝土柱軸壓承載力的試驗研究［J］.廣州大學學報：自然科學版，2004，3（1）：61～65.

［4］ 張春梅，陰 毅，周 云.影響鋼管混凝土柱軸壓承載力的因素分析［J］.工業建筑，2004，34（10）：66～68.

［5］ 張春梅，周 云，陰 毅.鋼－混凝土組合柱軸壓性能的試驗對比研究［J］.中山大學學報：自然科學版，2004，43（2）：46～49.

［6］ 裴萬吉.復式鋼管混凝土柱力學性能分析［D］.西安：長安大學，2005.

［7］ 張玉芬，趙均海，李小偉.基于統一理論的復式鋼管混凝土軸壓承載力計算［J］.西安建筑科技大學學報：自然科學版，2009，41（1）：41～46.

［8］ 張兆強，趙均海，姚 勇.圓實復式鋼管混凝土柱軸壓承載力研究［J］.西南科技大學學報，2008，23（1）：8～13.

［9］ 張玉芬，趙均海，劉一穎.基于雙剪統一強度理論的復式鋼管混凝土軸壓承載力計算［J］.力學與實踐，2012，34（3）：36～42.

［10］ 周 蓉，魏雪英，趙均海，等.內圓外方實復式鋼管混凝土柱偏壓承載力研究［J］.工業建筑，2009，39（增刊）：664～668.

［11］ 陳國祥，江 韓.軸心受壓雙鋼管混凝土柱火災后剩余承載力的研究［J］.江蘇建筑，2011，（6）：20～22.

［12］ 周 云，張春梅，陰 毅.雙鋼管高強混凝土柱抗震性能的試驗研究［J］.廣州大學學報：自然科學版，2009，8（4）：65～69.

［13］ 褚云朋，賈 彬，周俐俐.復式鋼管混凝土梁柱節點抗震性能研究［J］.西南科技大學學報：自然科學版，2009，24（1）：7～12.

［14］ 張玉芬，王育平，趙均海.復式鋼管混凝土外鋼管不連通環梁節點抗震性能試驗研究［J］.土木工程學報，2012，45（6）：90～100.