被動預應力和主動預應力鋼管混凝土柱研究概述

陳 果，何宛芬，向 華

(成都理工大學，四川 成都 610059)

1 概述

鋼管混凝土柱是由鋼管和混凝土兩種組件構成的一種新型組合結構，其中，混凝土材料具有受壓承載力高、抗裂性能差的特點，鋼材材料具有抗拉性能好、抗壓性能差的特性，而鋼管混凝土結構能夠更好的發揮這兩種材料的優點，也可改善鋼筋混凝土構件截面面積過大、鋼構件抗火性能差等缺點。由于鋼管混凝土結構具有強度高、質量輕、塑性好等一系列優點，使得鋼管混凝土結構的應用逐漸增加，例如，地下車站、單層廠房、多層或高層建筑以及大跨度橋梁工程等方面[1-3]。

2 預應力鋼管混凝土柱

在過去對鋼管混凝土研究過程中，學者們對鋼管混凝土結構進行了各種研究，如壓、彎、扭、剪及其復雜的組合作用下的受力分析、鋼管混凝土構件在受到自應力作用、初應力作用下的受力分析等方面已經做了充分的研究，但隨著鋼管混凝土結構的深入發展，伴隨而來的其他問題和負面作用逐漸顯現，還有待進一步探索。例如，在實際工程中，鋼管混凝土柱在受到工作荷載前一般會受到預加荷載，有的預加荷載是在施工過程中造成的，而有的是為了提高鋼管混凝土結構的力學性能而施加的[4]。

在施工過程中被動產生的預緊力，對鋼管混凝土產生負面影響，國外一些學者將其定義為被動預應力，而為了使鋼管混凝土產生正面影響，在設計階段主動施加給構件(結構)預應力以提高其力學性能的預加載，定義為主動預應力。關于“主動”“被動”的概念，除了Milan[5]定義了鋼管混凝土柱的被動預應力和主動預應力外，Naghipour M等[6]也在其文獻中提出了“主動”的概念。

2.1 被動預應力鋼管混凝土柱

在施工過程中，例如，在高層建筑或者超高層建筑中，在將混凝土泵入鋼管之前需要安裝好幾層結構(見圖1，圖2)，這導致鋼管受到初始壓力作用，即預應力。一般來說，在受到工作荷載之前，鋼管混凝土柱通常會先受到一個初始負載，這些負載往往會產生消極作用，如鋼管自重、濕混凝土重量和一些臨時施工設備或構件的重量。除此之外，混凝土干縮也會使得混凝土端面低于鋼管的端面，使得在鋼管混凝土受到工作荷載前先受到一個鋼管預壓。

韋灼彬，韓林海[7]通過試驗表明，初應力系數越大，試件的極限承載力性能降低越明顯。張曉慶，鐘善桐[8]通過試驗研究，初應力對偏壓鋼管混凝土構件的塑性性能和延性都有一些影響。黃福云，陳寶春[9-10]提出了有限元計算方法，初應力系數和長細比增大，極限承載力降低的幅度也會變大。韓林海，堯國皇[11]考慮了鋼管的初應力影響，可使鋼管混凝土構件的極限承載力最多降低20%左右。查曉雄等[12]對有預壓和無預壓下的軸壓鋼管混凝土柱做了對比試驗和有限元計算。結果表明，預緊力的存在降低了受壓柱的穩定承載力；隨著預緊力的增大，穩定性系數也隨之增大。Liew等[13]也進行了相關研究，預緊力產生的附加變形會由于鋼管局部屈曲而對中細長鋼管混凝土柱的軸向受力性能影響更大。如果預壓水平(βa)較高(βa>0.6)，軸向壓縮能力的降低將超過20%。Caio C.Milan等[14]也探討了兩種被動預緊力(見圖3)，探討了在軸心荷載作用下，各種情況的受力機理。結果表明：混凝土預加載使得其工作荷載容量降低41%，鋼管預加載使得工作荷載容量降低36%。

由上述研究分析可知，被動預應力可能會使得鋼管沒有充分發揮其對核心混凝土的約束作用，從而降低其受力性能，甚至會對鋼管混凝土結構造成危害，為了避免此危害，學者們想通過外在力或組件使得鋼管混凝土的性能有所增強，并得以運用，此時的預應力對鋼管混凝土柱產生一種積極作用，即主動預應力鋼管混凝土柱。

2.2 主動預應力鋼管混凝土柱

對于鋼管混凝土柱而言，在設計階段為改善其性能而有意施加的預應力被歸類為主動預應力，目前主要采用主動預應力的工況有：第一類是在鋼管混凝土柱周圍施加一個環向荷載(如圖4所示)，環對鋼管混凝土柱產生一個環向預緊力，使得其在受到工作荷載前就已經處于三向受壓狀態了；第二類是(自密實)自應力混凝土，通過添加膨脹劑，使得混凝土膨脹，由于鋼管對混凝土產生的環向箍緊作用，在受到工作荷載后，其受力性能明顯增加(如圖5所示)。

Morteza等也在其文獻中采用水力法對鋼管混凝土主動施加橫向預應力。結果表明，主動預壓CFST試件具有較高的抗壓彎曲能力。Caio C.Milan等探討了兩種主動預緊力(見圖6)，探討了在軸心荷載作用下，各種情況的受力機理。結果表明：兩種預加載模式中只有環向預加載(見圖6(b))是切實可行的，并能有效的增強鋼管混凝土柱的承載力及延性，相比于普通鋼管混凝土，其承載力可提高36%。在初始應力的影響下,對于鋼管自應力混凝土的彈性工作階段比普通鋼管混凝土大10%左右,承載力也有5%～20%的提高；而對于鋼管自應力自密實高強混凝土柱，當初始自應力達到3 MPa～5 MPa時，其承載力提高9.2%～11.7%，因而，當鋼管膨脹混凝土摻加適量膨脹劑能提高其力學性能，其極限承載力大于普通鋼管混凝土承載力[15-17]，因此，鋼管混凝土柱在自應力的作用下能有效的提高其受力性能。趙政[18]課題組設計了液壓法施加預應力的裝置(見圖7)，并對6根液壓預應力鋼管混凝土短柱和2根普通鋼管混凝土短柱的軸壓對比試驗，證明了液壓預應力鋼管混凝土短柱的極限承載能力高于普通鋼管混凝土短柱。王金蘭[19]在他的文章中開展了力學性能試驗，試驗表明：使用了摻膨脹劑的方法降低了液壓預應力鋼管混凝土的預應力損失。

基于上述討論，通過添加膨脹劑、施加環向預應力、液壓預應力等外力作用或外在組件使得鋼管混凝土柱的受力性能增強，產生積極的效果，即產生主動預應力，使構件具有良好的受力性能。此研究課題有良好的發展前景。

3 結論

目前，對于如何給鋼管混凝土柱施加主動預應力，主要是通過給混凝土添加膨脹劑、施加環向預應力、液壓預應力等方法使得鋼管混凝土柱的受力性能增強。而這些方法缺乏大量的試驗驗證，以及與之相適應的材料本構關系、預應力大小較難控制、預應力的損失理論計算還不夠完善、施加預應力的裝置還不夠成熟，需要進一步改進等一系列問題還待進一步解決。

1)目前國內幾乎沒有學者對鋼管混凝土的被動預加載和主動預加載進行定義和界定，國外也只有少數的學者進行了探討。

2)沒有將預應力類型進行系統的歸類，在為了提高鋼管混凝土的性能而進行的設計很少，目前有自應力鋼管混凝土、液壓預應力鋼管混凝土等。

3)自應力鋼管混凝土,由于其使用的膨脹水泥用量較大，而不經濟；其預應力大小受人為的影響，不能很好的控制；目前的鋼管混凝土柱的本構關系不能很好的滿足自應力鋼管混凝土軸壓短柱的計算。

4)液壓預應力鋼管混凝土，在試驗過程中預應力損失較大，且其實驗裝置較為復雜，在施工中應用和普及仍有較多問題需要解決。

5)Caio C.Milan等提出的四種預加載模式，只進行了軸壓有限元分析，缺少了試驗研究；鋼管混凝土柱在實際施工過程中，鋼管混凝土柱在受到預加載的情況下，可能受到偏心受壓、受剪、低周往復運動等復雜的受力過程。