鋼骨—鋼管混凝土組合柱的研究進(jìn)展

許惠清 溫宇平

(南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063)

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鋼骨—鋼管混凝土組合柱的研究進(jìn)展

許惠清 溫宇平

(南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063)

介紹了鋼骨—鋼管混凝土組合柱的研究背景，論述了其結(jié)構(gòu)形式，并探討了鋼管外置及內(nèi)置型新型組合柱的受力性能，分析了該新型組合柱的研究進(jìn)展，指出該新型組合柱在結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有一定的發(fā)展前景。

鋼骨—鋼管混凝土，結(jié)構(gòu)形式，力學(xué)性能，組合柱

0 引言

現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)高度和跨度的增加對承重柱的力學(xué)性能提出了更高的要求，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)以其承載能力高、輕型大跨、截面尺寸小、抗震性能好等優(yōu)點，迎合著現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展[1]。

基于結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)對高軸壓的情況，目前工程上廣泛應(yīng)用的是鋼—混凝土組合柱，大量的國內(nèi)外研究表明：型鋼與混凝土組合成的柱子具有承載力高、延性好等優(yōu)點[2]。常用的鋼—混凝土組合柱有鋼骨混凝土柱(如圖1a)所示)和鋼管混凝土柱(如圖1b)所示)。鋼骨混凝土柱是用混凝土把鋼骨包裹起來，提高了柱子的抗剪能力[3]，同時混凝土也增加了鋼骨的剛度和提高了柱子的耐火性能，缺點是施工需支護(hù)模板和配鋼筋以防混凝土剝落。鋼管混凝土柱澆混凝土?xí)r無需模板和箍筋，利用鋼管對混凝土的約束作用使核心混凝土具有更高的抗壓和抗變形能力，缺點是如果要提高其防火性能，需在其內(nèi)加入鋼筋等[2]。

綜合考慮這兩種鋼—混凝土組合柱優(yōu)缺點，有學(xué)者于2002年首先提出了一種鋼管外置型組合柱的新模式——鋼骨—鋼管混凝土組合柱[4](如圖2a)所示)。這是在鋼管混凝土柱內(nèi)埋設(shè)鋼骨后澆灌混凝土而形成的一種新型組合柱。其后，有學(xué)者于2005年開始對這類新型組合柱開展了研究，并提出了另一種鋼管內(nèi)置型的鋼骨—鋼管混凝土柱[13](形式如圖2f)所示)。鑒于此，本文總結(jié)現(xiàn)有的研究成果，闡述了該新型組合柱的提出背景、結(jié)構(gòu)形式和抗壓、抗震等力學(xué)性能，并對其研究作出總結(jié)分析。

1 結(jié)構(gòu)形式及特點

在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，鋼骨—鋼管混凝土組合柱的結(jié)構(gòu)形式主要有鋼管外置型(如圖2a)～圖2e)所示)和鋼管內(nèi)置型(如圖2f)所示)兩種[4，9，11-13]。

目前研究的新型組合柱結(jié)構(gòu)形式主要如圖2所示。其主要特點歸納如下：

1)鋼管外置型組合柱優(yōu)點[4-12]：

a.集合實腹式鋼骨和鋼管混凝土柱的優(yōu)點，可減少柱截面尺寸，增大建筑物使用空間；b.利用約束混凝土的概念來提高管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度和變形能力，從而提高了柱子的抗震性；c.柱內(nèi)無需配箍筋，施工上優(yōu)于鋼骨混凝土柱；d.能在一定程度上提高柱的耐火性；e.適用于高軸壓情況。

2)鋼管內(nèi)置型組合柱優(yōu)點[13-15]：

a.可在未增加材料用量情況下，增加柱受力性能，減少柱截面尺寸，增大建筑物使用空間，有利于抗震；b.可方便施工，在一定程度上減少梁柱節(jié)點處的施工難度；c.利用約束混凝土的概念來提高柱中混凝土的強(qiáng)度和變形能力，從而提高了柱子的抗震性和承載力；d.外包鋼骨—鋼管混凝土柱，非常適用于柱上有較多預(yù)埋件的建筑；e.改進(jìn)了空腹式鋼骨混凝土柱的應(yīng)用。

2 力學(xué)性能

2.1 鋼管外置型新型組合柱力學(xué)性能

2002年開始，有學(xué)者先后進(jìn)行不少于33根鋼骨—鋼管混凝土組合柱力學(xué)性能的試驗研究[4-7]，試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

綜合研究結(jié)果表明[4-7]：

1)該組合柱軸壓承載力及延性：隨混凝土強(qiáng)度等級、套箍指標(biāo)、配骨指標(biāo)的增加而增大；隨長細(xì)比的增加而下降。

2)該組合柱偏壓承載力及延性：隨套箍指標(biāo)、配骨指標(biāo)增大而提高；隨長細(xì)比及偏心距增大而下降。

3)建議該組合短柱軸壓承載力計算公式如式(1)所示；長柱軸壓承載力計算公式如式(2)所示；抗彎承載力計算公式如式(3)所示；壓彎承載力簡化計算公式如式(4)所示。

N0=fcAc(1+2θ+ρ)

(1)

其中，fc，Ac分別為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和截面面積；fvs，As分別為鋼骨材料屈服強(qiáng)度和截面面積；fvt，At分別為鋼管材料屈服強(qiáng)度和截面面積；配骨指標(biāo)ρ=Asfvs/Acfc；套箍指標(biāo)θ=Atfvt/Acfc。

Nu=φN0

(2)

Mu=ζ·r·N0

(3)

(4)

4)該組合柱具有很好的延性，特別適用于高地震烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計時可不對軸壓比做限制。

5)影響組合柱壓彎力學(xué)性能的主要因素是配骨指標(biāo)、套箍指標(biāo)、軸壓比和長細(xì)比，其中壓彎承載力隨長細(xì)比的增大而下降。

6)當(dāng)剪跨比一定時，該組合柱延性的主要影響因素是混凝土強(qiáng)度、配骨指標(biāo)及軸壓比，其中其耗能能力和延性會隨著軸壓比增大而下降。

2007年開始，有學(xué)者對該形式組合柱節(jié)點設(shè)計方法和抗震性能進(jìn)行了探索，試件模型如圖4所示。其通過制作組合柱與鋼梁、組合柱與鋼筋混凝土梁共32個節(jié)點試件進(jìn)行試驗研究[8]。

研究結(jié)果表明[8]：1)重載柱與鋼梁和混凝土梁連接節(jié)點的破壞形態(tài)共6種；2)研究的四類節(jié)點試件滯回曲線豐滿，具有較好的承載力和良好的抗震性；3)軸壓比對試件的延性影響不大，但應(yīng)避免柱在高軸壓下的壓曲破壞；4)重載柱節(jié)點核心區(qū)的抗剪承載力計算公式如式(5)所示。

V=Vs1+Vc+Vs2

(5)

該組合柱的節(jié)點抗剪承載力計算由鋼管Vs1、核心混凝土Vc和鋼骨Vs2這三部分組成。

2005年開始，有學(xué)者先后進(jìn)行不少于39根鋼骨—方鋼管混凝土組合柱力學(xué)性能的試驗研究[9，10]，試驗?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

綜合研究結(jié)果表明[9，10]：

1)澆筑達(dá)標(biāo)的自密實混凝土可以不用振搗，適當(dāng)?shù)恼駬v也不會引起自密實混凝土力學(xué)性能的劣化。

2)組合柱的承載力和延性：隨著混凝土強(qiáng)度提高而有所降低；隨著方鋼管的寬厚比和鋼骨含量的增加而提高。

3)推出該組合短柱軸壓承載力計算公式如式(6)所示；長柱軸壓承載力計算公式如式(7)所示,同時驗證了可采用疊加法和極限狀態(tài)設(shè)計法來計算其受彎承載力。

N0=fcAc(1+1.2θ+ρ)

(6)

Nu=φN0

(7)

4)長細(xì)比在3～12范圍內(nèi)構(gòu)件延性表現(xiàn)較好。

5)軸壓比是影響該組合柱延性主要影響因素，要對軸壓比作出限制。

2006年，有學(xué)者通過8根內(nèi)置工字型鋼骨的組合柱進(jìn)行軸壓試驗研究和有限元分析，模型簡圖如圖6所示。

研究結(jié)果表明[11]：

1)內(nèi)置鋼骨能有效提高組合柱的承載力和延性；軸壓組合柱的彈性極限隨著混凝土強(qiáng)度的提高而提高。

2)軸壓組合柱的承載力隨套箍系數(shù)的增加而提高。

3)推導(dǎo)出了軸壓組合柱承載力計算公式如式(8)所示。

N0=fckAc(1+αξ+ρ)

(8)

4)有限元軟件ANSYS可以很好地對試驗進(jìn)行數(shù)值模擬。

2014年，有學(xué)者[12]通過4根內(nèi)置十字型鋼骨的組合柱對其抗震性能進(jìn)行擬靜力試驗研究，模型簡圖如圖7所示。

研究結(jié)果表明[12]：1)該組合柱具有很好的耗能和抗震性能；2)當(dāng)鋼骨含量增加，承載力和延性明顯改善；當(dāng)軸壓比增加，強(qiáng)度退化速率加快，構(gòu)件延性相應(yīng)變差。

2.2 鋼管內(nèi)置型新型組合柱力學(xué)性能

2005年，有學(xué)者提出了外包鋼骨內(nèi)置圓鋼管形式的新型組合柱概念并通過多次試驗對其力學(xué)性能展開研究[13-15]，試件模型如圖8所示。

通過學(xué)者們對該新型組合柱的多次試驗及理論分析得到了很好的成果[13，15]：

1)當(dāng)含鋼骨率大于0.36%時，鋼管內(nèi)混凝土柱與管外混凝土能共同工作直至破壞；2)構(gòu)件的承載力和延性隨含鋼骨率的增加而增加；3)建議該組合柱承載力計算公式如式(9)所示，并對比計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好；4)建議用考慮環(huán)箍效應(yīng)的疊加方法計算該新型組合柱的正截面承載力，且計算得出其承載力比鋼管混凝土核心柱(如圖9所示)高出約15%。

Nu=As1fs1+φAc1fc1+Ac2fc2(1+1.8Φ)

(9)

其中，鋼管套箍系數(shù)Φ=As2fs2/Ac2fc2；Ac1，fc1分別為外圍混凝土的凈面積和強(qiáng)度；Ac2，fc2分別為鋼管內(nèi)混凝土的面積和抗壓強(qiáng)度；As1，fs1分別為鋼骨截面積和屈服強(qiáng)度；As2，fs2分別為鋼管截面積和屈服強(qiáng)度；影響系數(shù)φ=1.2+0.3x，x為含鋼率。

2008年，有學(xué)者[14]通過3根含鋼骨率不同的軸壓短柱試驗來探討用折減系數(shù)法和套箍約束法計算組合柱的組合剛度(見式(10))，研究表明：用套箍約束法計算的組合剛度值稍大于試驗值；而用折減系數(shù)法計算的組合剛度值偏保守小于試驗值。

EscAsc=EoAo+EIAI

(10)

其中，Eo，Ao分別為外圍混凝土部分的組合彈性模量及截面面積；EI,AI分別為管內(nèi)混凝土部分的組合彈性模量及截面面積。

2009年以來，有學(xué)者進(jìn)一步通過對該新型組合柱力學(xué)性能進(jìn)行試驗研究，探討了其抗震性能等方面的影響。研究結(jié)果表明[15]：1)試件開裂荷載隨含骨率、軸壓比的增大而增大；試件極限荷載和極限位移隨含骨率的增大而增大，隨軸壓比的增大而減小；2)含骨率越大，試件的累計耗能越大；軸壓比越大，試件的累計耗能越小；3)增加含骨率或減小軸壓比有利于減緩組合柱的剛度退化；4)該組合柱的延性隨軸壓比的增大而降低明顯，隨含骨率的增大而有所提高，經(jīng)分析建議含骨率設(shè)計在2%～2.5%；5)具有較好的抗震性能，在高軸壓比下的延性仍能滿足抗震設(shè)計的要求。

3 結(jié)語

鋼骨—鋼管混凝土組合柱是一種重載柱設(shè)計的新模式，其集合了鋼骨及鋼管混凝土柱的優(yōu)點且具有很高承載力和良好的延性，可有效減少柱截面尺寸，增加建筑物使用空間，迎合現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)大跨度、大柱網(wǎng)、高聳及功能復(fù)雜的發(fā)展。在高層結(jié)構(gòu)或橋梁等工程應(yīng)用上具有很好的應(yīng)用前景。進(jìn)一步加強(qiáng)對新型組合柱的受力性能、節(jié)點處理等方面的研究將有助于鋼—混凝土新型組合結(jié)構(gòu)整體水平的提高，進(jìn)而為其應(yīng)用于工程實踐提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)具有重要的意義。

[1] 王連廣.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)理論與計算[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

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The research progress of steel-reinforced concrete filled steel tube composite column

Xu Huiqing Wen Yuping

(CivilEngineering&ArchitectureCollegeofNanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

This paper introduced the research background of steel-reinforced concrete filled steel tube composite column, discussed its structure type, and discussed the force performance of steel pipe external and internal new composite column, analyzed the research progress of this new composite column, pointed out that the new type composite column had certain development prospects in structure design.

steel-reinforced concrete filled steel tube, structure type, mechanical property, composite column

1009-6825(2016)05-0034-03

2015-12-05

許惠清(1990- )，男，在讀碩士； 溫宇平(1975- )，男，博士，碩士生導(dǎo)師，講師

TU375.3

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