鋼管混凝土柱優化設計方法研究進展

孫玉濤 胥獻忠

近年來，方（矩）形鋼管混凝土結構在工程應用日益廣泛。但是，對于方鋼管混凝土結構來說，方鋼管提供的約束力較不均勻，角部混凝土受到的約束較強，邊中部混凝土受到的約束較弱，在軸壓荷載下，管壁易較早出現局部屈曲。為了改善方鋼管混凝土這一缺陷，研究者對其進行了添加不同構造措施的探索。本文主要從方鋼管混凝土柱、帶肋方鋼管混凝土柱和帶約束拉桿方鋼管混凝土柱這三大方面的研究現狀進行總結和分析。

1 方鋼管混凝土柱的研究現狀

1.1 方鋼管膨脹混凝土柱研究現狀

為了改善普通鋼管混凝土在受力時緊箍力出現較晚的情況，在配置混凝土的時，加入適量的膨脹劑，使方鋼管和混凝土受力前就產生緊箍力，二者作為一個整體一同承受荷載，從而提高試件的極限承載力。

盧方偉等[1]研究顯示，在軸壓荷載下，當荷載接近極限荷載時，鋼管對核心混凝土開始產生約束效應，且約束效應主要集中在兩對角區域；在偏壓荷載下，方鋼管膨脹混凝土柱表現出良好的彈塑性工作性能和延性性能，其極限承載力比普通方鋼管混凝土柱提高了3%～12%，且承載力隨著偏心率增大而降低，當偏心率一定時，試件極限承載力隨含鋼率增大而增大。

但是，與普通方鋼管類似，方鋼管膨脹混凝土柱的約束效應也集中在角部區域，并沒有增強其對核心混凝土的約束作用，易產生局部屈曲的問題也并沒有得到改善。

1.2 內置CFRP圓管的方鋼管高強混凝土柱研究現狀

內置CFRP 圓管的方鋼管高強混凝土柱指的是將CFRP 圓管的圓心置于方鋼管的幾何中心，再澆筑高強混凝土而形成的結構。

李幗昌等[2]研究表明，內置CFRP 圓管有效約束了核心混凝土，改善了方鋼管易出現角部應力集中的現象，使3 種材料能夠較好地協同工作；試件承載力隨CFRP 圓管與鋼管配置率的增加而增大；當承載力相同時，與方套圓中空夾層鋼管混凝土柱相比，內置CFRP 圓管的方鋼管高強混凝土柱的經濟性能更為優越。

但在實際工程施工時，一方面要確保CFRP 圓管幾何中心和方鋼管的幾何中心重合，且在澆筑混凝土時不移位，另一方面要確保試件內澆筑混凝土的質量，在一定程度上，增大了施工難度，對施工質量要求較高。此外，內置的CFRP 圓管不利于核心混凝土的散熱。

1.3 型鋼—方鋼管自密實高強混凝土柱研究現狀

型鋼—方鋼管自密實高強混凝土柱是在方鋼管中填充自密實高強混凝土和型鋼而形成。

王清湘等[3]研究結果表明：設置型鋼能有效地延緩高強混凝土中剪切裂縫的產生，從而提高了構件的延性；自密實混凝土不用振搗也可以達到自密實的效果，并不影響構件力學性能的實現。此外，還推導出了型鋼—方鋼管自密實高強混凝土軸心受壓短柱的承載力計算公式。朱美春等[4]試驗研究發現，在試件軸壓比相同的前提下，加入型鋼可以大幅度提高組合柱的耐火極限；與內置CFRP 圓管不同，內置型鋼并不能有效改善方鋼管對核心混凝土的約束作用，且內置型鋼需要的用鋼量較大，其經濟性有待進一步研究。

2 帶肋鋼管混凝土柱研究現狀

2.1 帶肋方鋼管混凝土柱

帶肋方鋼管混凝土柱是在截面內每邊焊接縱向加勁肋形成的結構，其截面形式如圖1 所示。

圖1 帶肋方鋼管混凝土柱（來源：作者自繪）

趙均海等[5]根據統一強度理論，推導出了帶肋方鋼管混凝土短柱的極限軸壓承載力計算公式，并利用公式對相關試驗進行計算，計算結果與試驗結果者吻合較好。此外，與普通鋼筋混凝土柱相比，帶肋方鋼管混凝土柱的綜合效益良好。

通過對方鋼管內部焊接縱向加勁肋，削弱了方鋼管的角部應力，提高了鋼管對混凝土的約束作用，減小試件局部屈曲的波長，顯著提高了方鋼管混凝土柱的極限承載力和延性。

2.2 開孔鋼板（PBL）加勁型方鋼管混凝土短柱

開孔鋼板加勁型方鋼管混凝土柱是加勁肋沿縱向等距開孔，其截面形式如圖2 所示。

圖2 開孔鋼板加勁型方鋼管混凝土短柱（來源：作者自繪）

劉永健等[6]研究表明：PBL 加勁型方鋼管混凝土軸壓短柱破壞模式與加勁肋剛度有關，當不完全加勁時，管壁呈“單波”鼓曲，與無肋鋼管混凝土柱的破壞模式相近；當完全加勁時，管壁呈“雙波”鼓曲；未加勁、PBL 加勁肋、鋼板加勁肋的構件承載力依次增大。

通過對加勁肋開孔，增強鋼管混凝土界面黏結強度，防止鋼管混凝土界面的脫空和減小二者之間相對滑移，有效改善節點性能和鋼板抗局部屈曲性能，提高套箍效應。與一般帶肋方鋼管混凝土相比，PBL 加勁型方鋼管混凝土的施工要復雜一些，其經濟性還有待研究。

2.3 帶肋的異形鋼管混凝土柱

在普通T 形、L 形鋼管混凝土柱截面的中部或薄弱區增設加勁肋，形成帶肋的異形鋼管混凝土柱，其截面形式如圖3 所示。

圖3 帶肋的異形鋼管混凝土柱（來源：作者自繪）

沈祖炎等[7]對L 形鋼管混凝土短肢柱進行了軸壓研究，指出加勁肋的設置可以有效延緩管壁屈曲發生，減少屈曲波數，從而改善柱子的延性，但不能提高其承載力。林震宇等[8]研究表明，加勁肋的設置對L 形鋼管混凝土長肢柱的承載力及延性均無明顯影響。

與帶肋方鋼管相似，加勁肋的設置將增強管壁的側向剛度，延緩管壁局部屈曲的發生，提高對核心混凝土的約束作用，從而提高構件的延性。由于對異形鋼管混凝土設置只能改善構件的延性，而對其承載力提高基本不起作用，在工程中使用比較局限，且不夠經濟。

3 帶約束拉桿鋼管混凝土柱研究現狀

3.1 帶約束拉桿方鋼管混凝土柱

為了彌補方鋼管混凝土的不足，沿構件縱向截面上等間距設置一定數量的約束拉桿，帶約束拉桿方鋼管混凝土柱截面形式如圖4 所示。

圖4 帶約束拉桿方鋼管混凝土柱（來源：作者自繪）

何振強等[9]研究結果表明，設置水平約束拉桿不僅能延緩甚至避免鋼管在達到屈服前發生失穩性的局部屈曲，而且能使鋼管對核心混凝土的約束作用得到提高；隨著約束拉桿縱向間距的縮小，試件極限承載力和對應的應變隨之增大。蔡健、何振強等[10]基于能量變分法并假定非載荷邊為彈性約束邊對鋼管局部屈曲強度計算公式進行了推導，并給出了約束拉桿縱向間距的合理設置值和外鋼管的寬厚比限值，以便工程使用。

通過對方鋼管設置水平約束拉桿可延緩管壁在鋼管屈服前發生鼓曲變形，增強對核心混凝土的約束作用，從而提高了試件的極限承載力和延性。但在約束拉桿之間的區域會出現彈塑性局部屈曲現象，削弱對內填混凝土的約束作用，從而影響構件后期的力學性能。

3.2 帶約束拉桿的異形鋼管混凝土柱

在普通T 形、L 形和十字形鋼管混凝土柱各邊等間距設置橫向拉桿組成帶約束拉桿的異形鋼管混凝土柱，其截面形式如圖5 所示。

圖5 帶約束拉桿的異形鋼管混凝土柱（來源：作者自繪）

龍躍凌等[11]試驗研究表明，設置約束拉桿不僅能限制鋼板側向變形，提高了構件的極限承載力；而且能顯著改善鋼管陰、陽角邊及短邊對核心混凝土約束的不均衡性，延緩或甚至避免鋼管在達到屈服前發生局部屈曲，明顯提高了試件的延性。孫剛等[12]在試驗研究的基礎上，并通過分析帶約束拉桿L 形鋼管混凝土柱的受力機理，建立了帶約束拉桿L 形鋼管混凝土柱的軸壓承載力計算公式。

趙均海等[13]對帶約束拉桿十字形鋼管混凝土短柱進行了軸心受壓試驗，指出構件承載力隨拉桿間距和鋼管寬厚比的增大而減小；拉桿橫向間距越大，縱向間距對承載力影響越小；拉桿直徑對承載力的影響不明顯，這與龍躍凌等[11]研究得到的結論一致。

王培友等[14]數值模擬分析表明，設置約束拉桿的T 形鋼管混凝土短柱可以減小陰角處應力較大的范圍，減輕構件管壁的鼓曲現象，提高對核心混凝土的約束作用，從而提高構件整體的極限承載力和剛度。

通過對異形鋼管設置拉桿，增強管壁對核心混凝土的約束作用，延緩管壁的局部鼓曲，提高構件的承載能力及延性。但是，凸出于管壁的拉桿和螺栓會影響建筑的美觀性，后期需要進行處理。

3.3 勁化方鋼管混凝土柱

僅設置約束拉桿的鋼管混凝土柱約束拉桿之間的區域會出現彈塑性局部屈曲現象，削弱對內填混凝土的約束作用。為改善僅設拉桿鋼管混凝土柱的不足，提出勁化方形截面鋼管混凝土柱，其立面圖和截面形式如圖6所示。

圖6 勁化方鋼管混凝土柱（來源：作者自繪）

蔡健等[15]研究結果表明：勁化帶的設置使鋼管壁對核心混凝土的約束作用更趨均勻，改變了鋼管的局部屈曲變形狀態，明顯提高了方鋼管混凝土柱的軸壓承載力和變形能力。根據勁化方形截面鋼管混凝土短柱的受力分析，提出了勁化方形截面鋼管混凝土短柱軸壓承載力計算式。鄭新志等[16]研究發現：勁化帶寬厚比對帶約束拉桿方形鋼管混凝土試件的軸壓性能影響顯著，隨著勁化帶寬厚比的減小，試件的承載力增大，試件發生局部屈曲時對應的縱向應變增大，延性系數增大。

與其他對方鋼管混凝土柱的改進措施相比，通過對方鋼管混凝土柱合理設置勁化帶與約束拉桿，可以在增加較少用鋼量又不增加施工難度的前提下，最大限度地減緩約束拉桿之間彈塑性屈曲，提高管壁的側面約束能力，改善柱的力學性能，是比較理想的一種組合結構。

4 工程應用

鋼管混凝土是一種具有相當長歷史的組合結構。英國在1879 年修建的Severn 鐵路橋橋墩是最早采用鋼管混凝土的工程之一，當時內填混凝土的目的是為了防止鋼管內部銹蝕。直到20 世紀60 年代初，鋼管混凝土結構在我國修建北京地鐵站臺柱時才首次被應用。從20 世紀80 年代開始，我國對鋼管混凝土結構的研究工作進一步深入，并增加其在實際工程中的應用。其中，帶約束拉桿的鋼管混凝土在實際工程中應用較為廣泛，如在名匯商業大廈建造過程中，采用了帶約束拉桿的異形鋼管混凝土柱，既充當剪力墻內的暗柱，又與剪力墻混凝土復合成為核心筒的一部分。在新中國大廈的結構設計中，為改善較小直徑的圓柱其截面慣性矩及剛性偏小、與剪力墻核心筒剛度欠協調的情況，采用了帶約束拉桿方鋼管混凝土柱。這種改進型的帶約束拉桿方鋼管混凝土柱不僅減少了鋼結構的防火費用，而且與普通鋼筋混凝土柱相比，極大縮減了柱占用面積，增大了使用空間。

5 結語

可預見，在工程結構領域，開展有關鋼管混凝土的深化研究不僅能產生巨大的經濟效益，而且有廣闊的應用前景，將推動我國建筑事業的發展。目前，國內外研究者對鋼管混凝土結構已進行了大量試驗研究與理論分析，但作者認為，對于鋼管混凝土結構，還有以下幾方面需要進行進一步研究：

1）內置CFRP 圓管的方鋼管混凝土柱在抗震性能、火災后的力學性能的研究。

2）勁化方形鋼管混凝土長柱在軸心荷載、偏心荷載作用下力學性能以及其抗震性能的研究。

3）帶肋T 形、L 形鋼管混凝土組合柱的抗震性能以及在偏壓荷載下的力學性能研究。

4）帶約束拉桿T 形、L 形和十字形鋼管混凝土組合柱的節點、框架的力學性能進行研究。