不銹鋼管混凝土軸壓短柱承載性能研究綜述

周宇航， 楊 璐， 張文學， 代 鵬

(北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124)

不銹鋼管混凝土軸壓短柱承載性能研究綜述

周宇航， 楊 璐， 張文學， 代 鵬

(北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124)

鋼管混凝土柱因其具有承載力高、塑性好、穩(wěn)定性強、施工方便等優(yōu)點，在實際工程中得到了廣泛的應用。而不銹鋼管混凝土結構由鋼管混凝土結構發(fā)展而來，兼有不銹鋼材料和普通鋼管混凝土的優(yōu)點，具有良好的力學性能和耐久性能，在海洋環(huán)境、腐蝕環(huán)境等對耐久性和美觀性要求較高的建筑結構中具有較好的應用前景。文章回顧了對普通鋼管混凝土軸壓短柱的研究，對不銹鋼管混凝土軸壓短柱的研究進行了調查和分析，在此基礎上對不銹鋼管混凝土柱的進一步研究工作進行了探討和展望。

不銹鋼管混凝土； 軸心受壓； 承載性能

我國目前正處于改革發(fā)展的重要時期，隨著現(xiàn)代化超高層建筑、大跨橋梁工程、大型水利、海岸港口工程的大量修建，建筑工程的綜合效益要求也愈加嚴格。相比鋼筋混凝土結構，鋼管混凝土的組合結構在相同的截面尺寸下?lián)碛懈蟮某休d力、更好的耐久性和穩(wěn)定性，并且可以減少模板的搭建從而節(jié)省施工的經濟成本和時間成本。從性能、經濟、發(fā)展?jié)摿Φ确矫婵紤]，鋼管混凝土結構在高層、超高層建筑結構中具有廣闊的應用前景。

不銹鋼是指至少含有10.5 %鉻的防腐蝕合金鋼，與普通鋼材相比，不銹鋼具有抗腐蝕性能強、耐久性好、外表美觀、延性好、耐火性能好以及抗沖擊和疲勞性能好等優(yōu)點。因此已經有不少作為結構構件應用于土木工程的實例，如馬來西亞首都吉隆坡的雙子塔(圖1(a))表面使用了大量的不銹鋼裝飾；卡塔爾新多哈國際機場(圖1(b))波浪形屋頂是目前世界上最大的不銹鋼屋頂，不銹鋼的耐腐蝕性使屋頂能夠抵抗臨近海邊的腐蝕性空氣。

不銹鋼管混凝土結構兼有不銹鋼材料和鋼管混凝土的優(yōu)點，且具有良好的力學性能和優(yōu)越的耐久性能，在海洋環(huán)境、腐蝕環(huán)境等對耐久性和美觀要求較高的建筑結構中具有較好的應用前景。但由于不銹鋼材料造價高、性能研究不充分等原因在一定程度下限制了不銹鋼管混凝土結構在工程中的廣泛應用，其力學性能與普通鋼材相比也有較為明顯的差異(圖2)，所以需要進一步研究不銹鋼管混凝土結構。

本文在回顧鋼管混凝土軸壓短柱承載性能研究進展的基礎之上，對國內外不銹鋼鋼管混凝土軸壓短柱的研究成果進行了總結，并對不銹鋼管混凝土軸壓柱的進一步研究提出了探討和展望。

(a) 吉隆坡雙子塔

圖2 不銹鋼與碳素鋼的典型材料性能曲線

1 鋼管混凝土柱的研究回顧

1987年，鋼管混凝土柱在美國開始作為承重結構而應用到房屋建筑中。20世紀60年代，鋼管混凝土因其更加優(yōu)越的經濟性在蘇聯(lián)、西歐、日本等發(fā)達國家開展相關研究，20世紀80年代，泵送混凝土工藝的成熟促進了鋼管混凝土在世界范圍內的研究和應用。鋼管混凝土結構不僅具有良好的承載性、穩(wěn)定性和延性，適用于復合結構，且用料經濟、施工速度快，降低了工程成本。

表1對現(xiàn)有關于鋼管混凝土軸心受壓短柱的部分研究進行了總結。

從表1中可以看出：鋼管混凝土軸壓構件有著良好的承載性能，學者們研究截面形式、構件參數(shù)、加強因素等對構件承載性能影響的成果日益積累，并在構件設計方面進行了深入的探索與研究。因鋼管混凝土擁有良好的受力性、功能性、經濟性和施工性，在大跨橋梁、高層建筑等大型土木工程中發(fā)揮了重大作用。

2 不銹鋼鋼管混凝土軸壓短柱的研究現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)有研究總結

2004年，在澳大利亞舉行的第18屆結構和材料力學會議上，Roufegarinejad A、Uy B、Bradford MA等人首次提到將不銹鋼用于鋼管混凝土結構中。

表1 鋼管混凝土軸壓短柱研究成果匯總

2006年，Young B和Ellobody E[8]進行了5組方形和矩形截面的不銹鋼管混凝土短柱軸壓試驗，并利用ABAQUS有限元軟件進行了模擬，通過參數(shù)分析提出美國和澳大利亞鋼管混凝土設計規(guī)范承載力設計公式的修正公式。

1）施肥比例失調。根據(jù)實地調查看，偏施氮肥、磷肥，輕施鉀肥和中、微量元素肥的情況比較普遍，造成果園土壤養(yǎng)分失調，不利于產量和質量的提高。

2008年，Lam D和Gardner L[9]通過進行圓形和方形截面不銹鋼管混凝土軸壓短柱試驗研究和各計算公式結果對比研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有鋼管混凝土柱設計公式應用于不銹鋼管混凝土柱偏向保守；連續(xù)強度理論因為能夠對不銹鋼管的承載力進行相對準確的預估，所以能夠相對準確地預估不銹鋼管混凝土的承載力。

2009年，廖飛宇[10]分析了不銹鋼管混凝土軸壓構件的有限元模型，結果表明與普通鋼管混凝土相比，不銹鋼管混凝土軸壓構件具有更高的極限承載力和更好的延性。

胡成璽[11]通過有限元模擬與不銹鋼管混凝土結構進行對比，結果表明：構件尺寸相近的不銹鋼鋼管混凝土柱，只有在具有足夠的剛管壁厚時，才可以使兩種材料的強度得到充分發(fā)揮，剛管壁厚太小會造成混凝土強度的浪費；不銹鋼管混凝土組合柱內填充普通強度等級的混凝土產生的組合效益好，而內填高強度等級的混凝土時，不僅組合效益不明顯，反而使柱的變形能力降低，更容易發(fā)生脆性破壞，使結構安全性降低。

2011年，查曉雄、宮永麗[12]對兩種不同截面尺寸的不銹鋼管混凝土短柱進行了軸壓力學性能試驗，并利用ABAQUS有限元軟件進行模擬分析。結果表明：不銹鋼管混凝土軸壓構件與普通鋼管混凝土構件的破壞形態(tài)類似，荷載-位移曲線彈性階段的剛度比普通鋼管混凝土低，曲線較早進入非線性階段，不銹鋼管混凝土具有更好的延性，并且在加載后期承載力曲線達到峰值點后又出現(xiàn)了上升的趨勢。

Tao Z、Uy B[13]等人通過方形不銹鋼管混凝土軸壓短柱的有限元非線性分析發(fā)現(xiàn)，由于不銹鋼材料表現(xiàn)出優(yōu)秀的應變硬化特性，不銹鋼管混凝土比普通鋼管混凝土短柱的極限承載力有所提高；約束作用系數(shù)ξ可以用來預估方形不銹鋼管混凝土柱的軸壓性能。并通過回歸分析提出了計算方形不銹鋼鋼管混凝土柱極限應變和極限承載力的簡單計算公式。文獻[14]通過不銹鋼管混凝土短柱軸壓試驗研究和與現(xiàn)有普通鋼管混凝土短柱設計方法對比研究發(fā)現(xiàn)：相比普通鋼管混凝土，不銹鋼管混凝土柱具有更好的延性和更高的殘余強度；即使只有鋼管截面受到軸向荷載，內填混凝土的鋼管相比空鋼管強度也有所提升；組合短柱的延性在壓彎狀態(tài)下有明顯的提升，鋼管混凝土柱的承載力和穩(wěn)定性被核心混凝土加強。

2013年，陳譽[15]等人對熱成型不銹鋼圓管混凝土短柱軸向作用下承載性能進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)不銹鋼管圓管混凝土短柱的高徑比越大，試件的延性越好；隨著鋼管壁厚的增大，試件的延性和軸壓承載力也有所提高；不銹鋼管混凝土與普通鋼管混凝土相比，鋼管約束效應系數(shù)有一定的提高。

通過上述研究工作發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土柱作為鋼-混凝土組合結構中重要的部分已經在實際工程中發(fā)揮著重要的作用，而不銹鋼管混凝土組合柱尚未能在工程中進行大面積推廣和應用。相比較之下其兩者不同之處主要在于：

(1)對于碳素鋼管混凝土結構，各國學者已有上百年的研究歷史，對其結構性能有著較成熟的了解和掌控。而不銹鋼材料較碳素鋼的特性有著較大出入，其非線性特性帶來的設計復雜性以及國內相關規(guī)范的不成熟，在一定程度上限制了不銹鋼材料在工程中、在不銹鋼管混凝土組合結構中的廣泛應用。

(2)不銹鋼材料具有表面光滑、耐腐蝕性強等優(yōu)勢，鋼材和混凝土的相互作用關系在不銹鋼管混凝土和普通鋼管混凝土中固然不同。在目前研究中，學者或利用疊加原理或利用統(tǒng)一原理進行截面承載力設計，普通鋼管混凝土柱截面承載力設計公式是否適用于不銹鋼管混凝土柱未得到進一步研究的驗證。

3 結束語

本文總結介紹了近些年學者對不銹鋼管混凝土軸心受壓短柱的研究現(xiàn)狀，并對不銹鋼管混凝土和普通鋼管混凝土結構的差異做了一定分析。隨著不銹鋼管混凝土組合結構的不斷研究和發(fā)展，必將充分發(fā)揮這種組合結構的優(yōu)勢，在工程建設中扮演重要的角色。通過現(xiàn)有研究的分析，以下幾方面值得關注：

(1)根據(jù)目前研究成果顯示，大部分學者研究對象都是1～4mm薄壁不銹鋼管混凝土結構，其尺寸也相對較小，導致破壞時外部鋼管爆裂，與實際情況有一定差距。建議有條件的學者可以適當增加不銹鋼管的壁厚和不銹鋼管混凝土短柱的尺寸以達到實際工程中所相應的工況，從而得到更真實有效的試驗成果。

(2)不銹鋼鋼管混凝土柱軸壓短柱承載力計算公式尚未明確，目前研究多與外國鋼混組合結構計算公式或國內理論研究公式進行比較，故在設計中很難較為準確的進行控制極限承載力，為不銹鋼管混凝土結構的應用帶來阻力。解決途徑建議：一方面可以進一步加強不銹鋼材料應力-應變曲線的精確化和有效化；另一方面可以在承載力計算公式中添加不銹鋼管-混凝土組合作用承載力提高系數(shù)項或是約束混凝土承載力提高系數(shù)的優(yōu)化。

(3)不銹鋼材料表面光滑，對不銹鋼管混凝土軸壓短柱中界面粘結性能的研究較少，其兩者之間的組合作用很難被定義，通過相關試驗進一步了解界面粘結性能從而可以更深層次認識到兩部分相互作用關系。

建議學者在不銹鋼管混凝土軸壓短柱的后續(xù)研究中，對以上三個方面的問題進行更為深入的研究和探索，從而可以更加準確地揭示不銹鋼管混凝土軸壓柱的承載性能。

[1] 蔡紹懷,焦占拴. 鋼管混凝土短柱的基本性能和強度計算[J].建筑結構學報, 1984,5(6) : 13-29.

[2] 韓林海,楊有福. 矩形鋼管混凝土軸心受壓構件強度承載力的試驗研究[J]. 土木工程學報,2001(4):22-31.

[3] Hu H T, Huang C S, Wu M H, et al. Nonlinear analysis of axially loaded concrete-filled tube columns with confinement effect[J]. Journal of Structural Engineering, 2003, 129(10): 1322-1329.

[4] 張耀春,王秋萍,毛小勇,等. 薄壁鋼管混凝土短柱軸壓力學性能試驗研究[J]. 建筑結構,2005(1):22-27.

[5] 李斌. 鋼管混凝土結構的研究[D].西安建筑科技大學,2005

[6] Ellobody E, Young B, Lam D. Behaviour of normal and high strength concrete-filled compact steel tube circular stub columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006, 62(7): 706-715.

[7] 占美森. 薄壁鋼管混凝土柱軸心受壓承載性能研究[D].南昌大學,2007.

[8] Young B, Ellobody E. Experimental investigation of concrete-filled cold-formed high strength stainless steel tube columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006, 62(5): 484-492.

[9] Lam D, Gardner L. Structural design of stainless steel concrete filled columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2008, 64(11): 1275-1282.

[10] 廖飛宇. 圓不銹鋼管混凝土軸壓力學性能的有限元分析[J]. 福建農林大學學報： 自然科學版,2009(6):659-662.

[11] 胡成璽. 不銹鋼管混凝土柱承載力分析[D].西安建筑科技大學,2010.

[12] 查曉雄,宮永麗. 不銹鋼管混凝土軸壓性能試驗和有限元分析[C]//中國鋼結構協(xié)會(China Steel Construction Society)，國家鋼結構工程技術研究中心(National Research Center for Steel Construction).2011全國鋼結構學術年會論文集,2011:4.

[13] Tao Z, Uy B, Liao F Y, et al. Nonlinear analysis of concrete-filled square stainless steel stub columns under axial compression[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2011, 67(11): 1719-1732.

[14] Uy B, Tao Z, Han L H. Behaviour of short and slender concrete-filled stainless steel tubular columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2011, 67(3): 360-378.

[15] 陳譽,李鳳霞,王江. 熱成型不銹鋼圓管混凝土軸壓短柱受力性能試驗研究[J]. 建筑結構學報,2013(2):106-112.

北京市科技新星計劃(編號：2016117)

周宇航(1991～)，男，碩士研究生，主要從事鋼結構研究；楊璐(1982～)，男，工學博士，副教授，主要從事鋼結構、組合結構和施工技術研究；張文學(1975～)，男，工學博士，副教授，主要從事橋梁抗震及體系優(yōu)化研究；代鵬(1994～)，男，碩士研究生，主要從事鋼結構研究。

TU528.59

A

[定稿日期]2017-04-14