關于對鋼管混凝土設計理論與試驗方法的研析

林康

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

由于鋼管混凝土(concrete-filled steel tube, CFST)具有承載力高、抗震性能優異、施工簡便等優點，其在大跨度及超高層領域已有許多工程實例應用，如圖1 所示。鋼管混凝土通過鋼管與核心混凝土的組合作用來發揮各自的材料優勢，外包鋼管約束核心混凝土的受壓膨脹，而核心混凝土又反過來延緩鋼管因內陷式局部屈曲而導致的失穩破壞，從而顯著提高鋼管混凝土的承載力和延性。另外，在施工階段，鋼管可以作為混凝土澆筑的模板，從而省去拆摸、支模工序，縮短施工周期，提高施工效率。

圖1 鋼管混凝土的工程實例應用

過去幾十年里，學者們對鋼管混凝土的力學性能、抗震性能、耐火性能和韌性性能等開展了大量的試驗研究和理論分析。以往研究表明，建立鋼管混凝土設計理論的核心在于如何準確評估鋼管和核心混凝上之間的組合效應，這也決定了鋼管混凝土受力機理分析的復雜性。因此，已有的理論研究往往需要借助某些理想化假定，且常規的試驗研究也只能得到鋼管混凝土整體所承擔的荷載，無法直接得到鋼管和核心混凝土的全過程內力分配情況，使得試驗研究無法為精細化的理論研究提供可靠指導。總結來說，不同學者對鋼管混凝土中鋼管與核心混凝土組合效應的復雜性和全過程軸壓受力機理的認識不盡相同，致使無法對其進行統一的標準化設計。

為了充分認識鋼管混凝土的受力機理，形成實用、真實合理的研究和設計方法，本論文基于目前已提出的“鋼管混凝土統一理論”和“極限平衡法理論”，分析鋼管混凝土構件的設計和計算方法要點，并提出一種可直接量測鋼管混凝土中內力分量的試驗方法，為鋼管混凝土設計理論的精細化研究提供思路和可行建議。

1 相關理論研究

1.1 鋼管混凝土統一理論

按照截面形式的不同，鋼管混凝土通?？煞譃閳A形鋼管混凝土、方形或矩形鋼管混凝土以及異形鋼管混凝土，而后又經由優化設計，其截面形式由實心構件發展至空心構件，如圖2 所示。鐘善桐教授團隊在前人研究的基礎上，提出了適用于不同截面形式、不同受力狀態下的“鋼管混凝土統一理論”[1]。

圖2 各種截面形式的實心（a-c）和空心（d-f）鋼管混凝土柱

以受壓構件為例計算方法如式（1）、式（2）所示。

式中：N，M，T，V 分別是構件所受的軸向壓力，彎矩，扭矩和剪力；N0，M0，T0，V0分別是構件的軸向壓力，彎矩，扭矩和剪力設計承載力；NE——歐拉臨界力，NE=3.1416EscmAsc/λ；λ——構件的長細比；βm——等效彎矩系數，按鋼結構設計規范采用；Asc——橫截面面積，實心、空心構件不同；fsc——鋼管混凝土構件的軸壓強度設計值；φ——實心圓鋼管混凝土軸壓構件的穩定系數，其他截面取ksφ，ks取值可參考相關文獻[1]。

可以看出，為了便于指導相關實踐，該理論簡易化地將鋼管混凝土視為一種組合材料（單一材料），其承載力按統一形式的公式進行設計，不區分鋼管和核心混凝土，忽略了鋼管與核心混凝土在受力全過程中存在的復雜受力行為和破壞機理；另外，該理論的提出是基于實心鋼管混凝土的，其對空心鋼管混凝土的適用性有待進一步考究。

1.2 極限平衡法理論

蔡紹懷教授認為鋼管和核心混凝上之間的組合作用歸功于鋼管對核心混凝土的套箍效應，這使得鋼管混凝土的承載力和延性大為提高。因此，蔡紹懷教授在分析鋼管混凝土的組合作用時引入“套箍系數θ”，并建立了“極限平衡法理論”[2]，對后續相關研究工作有一定借鑒意義。

以軸壓鋼管混凝土為例：

（1）套箍系數。

式中：As和fs分別是鋼管的橫截面面積和屈服強度，Ac和fc分別是核心混凝土的橫截面面積和抗壓強度。

（2）鋼管混凝土軸壓承載力按式（4）、式（5）計算。

實際應用時，當θ＞1，公式可簡化為式（6）。

由式（6）可知，該理論通過引入套箍系數θ 來考慮鋼管與核心混凝土的組合作用，套箍系數越大，鋼管混凝土的軸壓承載力的提高幅度越大，強度與套箍系數呈正相關。以往研究表明[3-5]，鋼管在屈服后（極限狀態）仍能繼續有效約束核心混凝土，而“極限平衡法理論”在考慮套箍系數θ 時僅以鋼管屈服強度fs為限值，后續研究有必要對鋼管的屈曲后行為和其他因素的影響進行更為深入的分析。

2 試驗研究方法

2.1 概述

由以上分析可知，無論是“鋼管混凝土統一理論”還是“極限平衡法理論”，兩者對鋼管混凝土中鋼管與混凝土組合效應的復雜性和全過程軸壓受力機理的認識不盡相同，致使無法對其進行統一的標準化設計。此外，常規的試驗研究也只能得到鋼管混凝土整體所承擔的荷載，無法直接得到鋼管和混凝土的全過程內力分配情況，試驗研究無法為精細化的理論研究提供可靠指導。因此本文提出如下可直接量測鋼管混凝土中軸力分量的試驗方法，為鋼管混凝土設計理論的精細化研究提供思路和可行建議。

2.2 試驗研究方法及可行性分析

本文所提出的鋼管混凝土軸力分量量測的試驗方法如圖3 所示。試件包括單邊有面板的外包鋼管、核心混凝土以及力測量裝置組成，見圖3（a）。為實現軸力量測目的，把試件劃分為上、下兩個組成部分：也就是下部的鋼管混凝土試驗段，包括試驗段外包鋼管和核心混凝土；上部的軸力量測段，由量測段外包鋼管和力測量裝置組成。量測段外包鋼管由內壁口徑與試驗段外包鋼管的外壁口徑一致的鋼管焊接在試驗段外包鋼管上部而成。通過預先設計量測段外包鋼管的壁厚和力量測裝置的尺寸，使兩者在加載過程中始終處于為彈性階段，避免鋼材進入屈服階段而影響量測結果的精度。在安裝力量測裝置前，可以在其中部布設應變傳感器，通過反復軸壓來標定出力量測裝置的彈性段軸力-軸向平均應變關系，如圖 3（b）~（c）所示。

圖3 鋼管混凝土軸力分量量測的試驗方法

加載過程中，可以利用力量測裝置所測的實時軸向平均應變數據和標定出的軸力-軸向平均應變關系來計算出核心混凝土所承擔的軸壓力，并進一步直接得到鋼管的軸力分量，以此達到本文試驗方法的目的。值得注意的是，混凝土澆筑完成后，安裝力量測裝置時應提前在核心混凝土上平鋪一層高強無收縮材料，確保二者之間的應力傳遞更加均勻。

基于上述方法，本文對方鋼管混凝土開展了相關的軸壓試驗，試件詳細尺寸見表1。試件SI-W 采用軸力量測方案，試件ST 則為同尺寸的純鋼管對比件。所有鋼管采用Q235 鋼，試驗中制作了12 個同批次的標準立方體試塊（150mm×150mm×150mm），所有試塊均進行密封養護，以實現模擬核心混凝土實際養護環境的目的。立方體抗壓強度實測平均值為39.2MPa，標準差為1.2MPa。

表1 試件詳細尺寸

各試件的軸力分量-軸向平均應變關系曲線如圖4所示?？梢灾庇^看出，試件SI-W 為在達到峰值荷載時，鋼管已經進入屈服后強化階段，其所承擔的軸力也基本達到峰值，而核心混凝土由于受壓開裂進入了承載力下降段；對比試件SI-W 和試件ST，鋼管在進入承載力下降段后，由于核心混凝土的反約束作用，試件SIW 中鋼管的軸力分量-平均應變曲線相比于試件ST 的軸力-平均應變曲線來說具有更平緩的下降段，也就是前者具有更好的屈服后延性。

圖4 試件的軸力分量-軸向平均應變關系曲線

基于試驗結果可知，本文所提出的試驗方法可有效量測鋼管混凝土中鋼管和混凝土的全過程受力分配情況，對于鋼管的屈服后行為等因素對鋼管混凝土的承載力和延性的影響可進一步開展更細致的研究工作。因此，本文對后續理論和試驗研究提出以下建議：基于軸力分量量測方法，對不同截面形式鋼管混凝土的軸壓性能開展參數范圍更廣的試驗研究，以真實有效的試驗數據為理論研究提供依據，并進一步修正鋼管混凝土的承載力公式，提出更合理的鋼管混凝土全過程受力機理模型。

3 結語

由于鋼管混凝土中鋼管和混凝土之間的相互作用具有一定的復雜性，“鋼管混凝土統一理論”和“極限平衡法理論”的理想化假定均無法真實的反映實際鋼管混凝土的受力行為；基于此本文提出一種可直接量測鋼管混凝土中內力分量的試驗方法，為鋼管混凝土設計理論的精細化研究提供思路和可行建議，具有較強的現實指導意義。