薄壁鋼管約束超高強混凝土柱性能研究

摘 要：隨著科技的不斷進步，對承載力的要求也越來越高，其鋼管混凝土這種結構形式也越來越受到重視，為了探索鋼管混凝土的潛力，提高鋼管混凝土的強度、減少用鋼量，把新技術、新材料運用到組合結構的新領域。

關鍵詞：薄壁方鋼管-圓鋼管；超高強混凝土；力學性能；研究設想

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.102

1 研究現狀

隨著現代土木工程結構技術的不斷發展，建筑形式逐漸向高層、大跨、輕量化等方向擴展，結構對混凝土強度的要求也越來越高。在我國，一般認為強度等級C50以下的混凝土為普通強度混凝土，C60～C90的混凝土為高強混凝土，C100及以上的混凝土為超高強混凝土。與普通中低強度混凝土相比，超高強混凝土可以有效地減輕結構自重、增大使用空間、大量減少材料用量及工程造價、減少能耗，具有很大的應用價值。但是隨著混凝土強度等級的提高，混凝土的脆性越來越大，延性也越來越差。尤其對于超高強混凝土，在壓力作用下，峰值應變與極限應變基本重合，應力-應變曲線幾乎沒有下降段，導致超高強混凝土更容易發生脆性破壞[1]。為了避免在超高強混凝土發生脆性破壞，充分利用其優勢，可采用薄壁鋼管與超高強混凝土組合的結構模式，將薄壁鋼管和超高強混凝土的優勢結合，充分利用超高強混凝土的高抗壓性能和薄壁鋼管的抗拉變形能力，大幅度提高薄壁鋼管約束超高強混凝土構件的承載力和延性，進一步推動超高強混凝土在土木工程中的應用。

目前國、內外規范中尚無有關專門針對薄壁鋼管混凝土柱設計及施工的規定。但是，對薄壁鋼管混凝土的研究工作才剛剛起步，各方面的研究還非常不成熟，需要進一步做大量的理論分析和實驗研究，對其進行不斷的完善。

鋼管混凝土結構大多用于高層和超高層建筑作為承重柱，主要承受軸力作用為防止因為焊接引起厚壁鋼管發生層狀撕裂，考慮采用高強薄壁鋼管，并且在鋼管混凝土工程中采用薄壁鋼管，可以減少鋼材用量，減輕焊接工作量，達到降低工程造價的目的[2]，同時鋼管約束作用，使得鋼管在施工過程中可以充當混凝土的模板，免去拆除模板的工序，提高施工效率。

隨著科技的不斷進步，混凝土結構高度和跨度的不斷增加，混凝土材料科學已經發展到了一個新的高度，從我國可持續發展的基本國策和建設節約型社會的要求來看，超高強混凝土的應用不僅能夠減少混凝土的用量，經濟效益可觀，而且可節約大量不可再生的寶貴資源，降低能耗，減輕對環境的污染，社會效益顯著。可見，提出應用超高強混凝土是符合社會經濟發展的，也是符合我國國情需要的，同時更加符合技術進步的需要。

但是，隨著混凝土強度等級的提高，混凝土的脆性越來越大，構件的延性也越來越差，為了改善超高強混凝土容易發生脆性破壞的弱點。同時，對于薄壁空心鋼管來說，它的承載力極其不穩定，且對局部缺陷非常敏感，容易發生屈曲失穩破壞[3]。針對上述問題，提出應用薄壁鋼管對超高強混凝土進行約束，不僅能從根本上改變構件在整體結構中的受力機制，延緩混凝土受壓時的縱向開裂，同時也能夠充分利用混凝土的高抗壓性能和鋼材的抗拉性能，使得超高強混凝土的作用延緩薄壁鋼管的局部失穩，其相互作用改善其自身缺陷，從而大幅度超高強混凝土構件的承載能力和延性。

2 研究內容

（1）收集資料。收集國內外關于薄壁鋼管的應用現狀，及超高性能混凝土的應用及配比情況的相關研究和試驗資料，合理設計試驗方案，保證項目研究內容處于國內外領先水平；

（2）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱軸心受壓性能研究。

從試驗和理論兩個方面對薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱軸心受壓性能進行研究。

①試驗研究?？紤]不同薄壁方鋼管壁厚、不同超高強混凝土強度等級、不同挖空率和內置圓鋼管壁厚等參數的影響，設計軸心受壓組合柱的試驗方案，觀察其破壞模式，分析其工作機理、給出試驗過程的荷載-應變曲線、荷載-位移曲線等，從而確定試驗研究情況下各種參數影響的軸心受壓承載力。

②理論研究。根據薄壁方鋼管和圓鋼管的受力特點以及超高強混凝土的力學性能，從理論上建立薄壁方鋼管-圓鋼管超高強混凝土軸心受壓承載力計算公式和變形計算公式，并將理論結果與試驗結果進行對比。

（3）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱偏心受壓性能研究。

①試驗研究?？紤]不同薄壁方鋼管壁厚、不同超高強混凝土強度等級、不同挖空率、內置圓鋼管壁厚和不同偏心距等參數對偏心受壓構件的影響，從而設計偏心受壓組合柱的試驗方案，觀察其破壞模式，分析其工作機理、給出試驗過程的荷載-應變曲線、荷載-位移曲線等，從而確定試驗研究情況下各種參數影響的偏心受壓承載力。

②理論研究。根據薄壁方鋼管和圓鋼管的受力特點以及超高強混凝土的力學性能，并參考偏心受壓理論，從理論上建立薄壁方鋼管-圓鋼管超高強混凝土偏心受壓承載力計算公式和變形計算公式，并將理論結果與試驗結果進行對比。

（4）薄壁方鋼管-圓鋼管約束超高強混凝土柱受彎性能研究。

①試驗研究?？紤]不同薄壁方鋼管壁厚、不同超高強混凝土強度等級、不同挖空率和內置圓鋼管壁厚等參數的影響，設計研究組合柱受彎性能的試驗方案，觀察受彎作用情況下，組合柱的破壞模式，分析其工作機理、給出試驗過程的荷載-應變曲線、荷載-位移曲線等，從而確定試驗研究情況下各種參數影響的組合柱受彎性能。

②理論研究。根據薄壁方鋼管和圓鋼管的受力特點以及超高強混凝土的力學性能，并參考構件受彎性能理論，從理論上建立薄壁方鋼管-圓鋼管超高強混凝土柱受彎構件的承載力計算公式和變形計算公式，并將理論結果與試驗結果進行對比。

參考文獻：

[1]劉連鵬.圓鋼管約束型鋼超高強混凝土短柱軸壓受力性能研究[D].大連理工大學，2015.

[2]張翔.薄壁鋼管混凝土梁柱力學性能試驗研究[D].浙江大學， 2010.

[3]金周.薄壁鋼管混凝土短柱基本力學性能研究[D].華僑大學， 2008.

作者簡介：哈娜（1981-），女，遼寧沈陽人，博士生。