高溫后鋼管混凝土柱剩余承載力影響因素分析

薛媛媛XUE Yuan-yuan；蔡祖榮CAI Zu-rong

（①湖南城建職業(yè)技術(shù)學院建筑工程系，湘潭 411101；②湖南建投地產(chǎn)集團有限公司，長沙 410005）

0 引言

鋼管混凝土是指鋼管內(nèi)填充混凝土后，鋼管和混凝土同時受力的構(gòu)件[1]。隨著鋼管混凝土在實際工程中的應用日益增多，其發(fā)生火災的頻率也隨之提高，對鋼管混凝土構(gòu)件而言，核心混凝土具有較大的吸熱作用，同時鋼管提供約束核心混凝土的作用，因此其火災后仍然具有良好的承載能力，建筑物可在火災后進行加固繼續(xù)使用，因此深入研究其在高溫后的力學性能顯得非常重要。針對高溫后鋼管混凝土柱軸壓力學性能，目前國內(nèi)外學者開展了一定數(shù)量的試驗及理論研究，并取得了一定的成果[2-8]，高溫后鋼管混凝土柱力學性能的劣化一直是工程實際中和研究者所關(guān)心的問題，基于國內(nèi)外研究者的大量研究，本文對影響高溫后鋼管混凝土柱力學性能的因素進行分析討論，并對今后開展的研究進行展望，提出一些建議。

1 鋼管混凝土的粘結(jié)機理

鋼管混凝土是兩種不同屬性材料的組合，既利用了混凝土承載能力高的特點，同時利用了鋼材抗拉、抗壓強度高和具有良好的彈塑性等特點，因此在很大程度上提升了鋼管混凝土的力學性能。在外荷載作用下，兩種材料共同受力，鋼管對內(nèi)部混凝土提供約束作用，使管內(nèi)混凝土處于多向應力狀態(tài)下，提高了混凝土的強度與韌性[9，10]，而核心混凝土對鋼管的支撐作用使得鋼管承載能力增強，并能延緩鋼管的局部屈服，因此兩種不同屬性的材料協(xié)同工作能大大提高其承載能力和強度[11]。

鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力由三部分構(gòu)成：混凝土中的水泥凝膠體與鋼材表面的化學膠結(jié)力、鋼材與混凝土界面粗糙不平產(chǎn)生的機械咬合力以及摩擦力。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)工作機理如圖1 所示。

圖1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)工作機理示意圖

2 高溫后鋼管混凝土柱的剩余承載力（N0uT）

通過對國內(nèi)外關(guān)于高溫后鋼管混凝土力學性能試驗研究成果的綜合分析可知，影響構(gòu)件N0uT的主要參數(shù)包括溫度、含鋼率、混凝土強度、冷卻方式、混凝土類型、截面尺寸等?，F(xiàn)就一些參數(shù)對構(gòu)件N0uT的影響總結(jié)如下。

2.1 溫度

研究表明溫度對N0uT具有顯著影響。余志武等[2]完成了48 根高溫后鋼管高性能混凝土短柱試驗研究，結(jié)果表明隨著溫度的升高，N0uT整體上呈降低趨勢，且溫度高于500℃后，其下降速度更快。Han 等[3]完成了在標準火災下12 根鋼管混凝土柱的力學性能試驗研究，結(jié)果表明N0uT隨著升溫溫度的增加而降低，文獻[13、14]得出相同的結(jié)論。Huo 等[7]研究了火災后鋼管混凝土短柱力學性能，結(jié)果表明N0uT隨著溫度的升高而降低，但影響不顯著。陳宗平等[8]進行了高溫后方鋼管高強混凝土軸壓短柱試驗研究，結(jié)果表明溫度低于400℃時N0uT變化幅度不大，而超過400℃時N0uT迅速下降。柯曉軍等[12]進行了37 根高溫后方鋼管再生混凝土短柱軸壓試驗，結(jié)果表明N0uT隨著經(jīng)歷最高溫度增加先小幅度升高再降低。陳宗平等[15]進行了高溫噴水冷卻后鋼管高強混凝土的軸壓性能試驗，結(jié)果表明隨著溫度的增高，N0uT呈先增大再減小的趨勢。陳宗平等[16]進行了高溫噴水冷卻后方鋼管再生混凝土短柱軸壓性能試驗研究，隨著最高溫度的升高，高溫噴水冷卻后同一取代率試件的N0uT基本上呈下降趨勢。陳宗平等[17]進行了高溫后圓鋼管再生混凝土軸壓短柱的承載力研究，結(jié)果表明隨著溫度的升高，N0uT先略微下降后小幅提高，隨后大幅下降。顧連勝等[18]進行了高溫后矩形鋼管橡膠混凝土軸壓短柱的試驗研究，結(jié)果表明隨溫度增加，N0uT整體為下降趨勢，但在溫度為400℃時，N0uT有一小幅上升。蘇益聲等[19]進行了高溫后方鋼管全再生混凝土短柱軸壓試驗研究，結(jié)果表明自然冷卻試件隨著溫度的升高，N0uT呈現(xiàn)降低再升高之后再降低的趨勢。鐘水溶[20]進行了火災后方鋼管混凝土短柱軸壓力學性能試驗研究，隨著升溫時間越長溫度越高，N0uT越小。

由于篇幅限制，僅列出部分高溫后鋼管混凝土柱剩余承載力研究參數(shù)如表1，用圖2 表示各試件在高溫后的剩余承載力相對常溫下的剩余承載力。從分析結(jié)果可知，隨著溫度的升高，N0uT先略微下降后小幅提高，隨后大幅下降[2，8，16-19]；隨著溫度的升高，試件的N0uT越小[3，7，13，14，20]。隨著溫度的升高，試件N0uT先增大再減小的趨勢[12，15]。出現(xiàn)研究結(jié)果不一致的原因可能是：①主要原因在于當溫度較低時，水泥石中的結(jié)合水脫出程度較輕，界面裂縫寬度變化不大，因此混凝土的強度損失不大，還有經(jīng)歷較低溫度的鋼材，冷卻后其屈服強度相對常溫鋼材變化不大；隨著溫度的提高，混凝土內(nèi)部自由水和少量結(jié)合水逐漸損失，凝膠材料分解條件不利，但在溫度達到某一個值時，內(nèi)部自由水蒸發(fā)形成大量水蒸氣，加速未被熟化水泥顆粒的水化反應，混凝土強度提高，只要這種有利因素超過混凝土高溫作用后損傷的影響，試件的承載力就會增加；但過高的溫度使水泥石中的C-S-H 凝膠大量脫水、分解，使得結(jié)構(gòu)過于疏松，導致混凝土中的裂縫發(fā)展，高溫損傷愈發(fā)嚴重，從而混凝土強度大幅下降，導致剩余承載力大幅降低；研究結(jié)果總體上表現(xiàn)出隨著溫度的升高，N0uT逐漸下降。②試驗結(jié)果本身存在不可避免的誤差且各試驗條件不盡相同。

表1 高溫后鋼管混凝土柱剩余承載力研究參數(shù)匯總

圖2 各試件相對剩余承載力

2.2 混凝土類型

研究表明混凝土類型對N0uT具有明顯影響。Liu Wenchao 等[4]研究表明在含鋼率相對較低時，隨著再生骨料混凝土取代率的增加，N0uT下降。柯曉軍等[12]研究表明N0uT隨著再生骨料取代率的增加呈波動變化。侯睿等[14]研究表明當再生骨料混凝土類型相同時，N0uT隨著再生骨料取代率的增加而降低。陳宗平等[16，17]研究表明再生粗骨料取代率對N0uT影響不大。顧連勝等[18]研究表明N0uT隨橡膠混凝土取代率的增加而下降。從試驗分析結(jié)果可知，混凝土類型對N0uT的影響不一致，可能由于試驗結(jié)果本身存在不可避免的誤差、各試驗條件不盡相同加上試驗數(shù)據(jù)有較大的離散性等。

2.3 冷卻方式

柯曉軍等[12]研究表明無論是自然還是噴水冷卻，N0uT總體表現(xiàn)出降低趨勢，但噴水冷卻試件N0uT比自然冷卻試件降低更快。陳宗平等[15]研究表明高溫噴水冷卻后試件的N0uT相較于自然冷卻后均有所提高。陳宗平[16]和蘇益聲[19]等研究表明采用不同冷卻方式對試件N0uT影響并不顯著。從試驗結(jié)果可知，冷卻方式對N0uT的影響不一致，可能由于各試驗條件不盡相同加上試驗數(shù)據(jù)有較大的離散性等。

2.4 混凝土強度

陳宗平等[8，15]研究表明在其他參數(shù)相同時，試件N0uT隨混凝土強度等級的提高而增大。

2.5 含鋼率

余志武[2]和Liu Wenchao[4]等研究表明在其他條件相同時，試件N0uT隨含鋼率增加略有提高。

2.6 其他的一些影響因素

①長細比，Han 等[3]研究表明N0uT隨著長細比的增加而減小。②軸壓比，Huo 等[7]研究表明軸壓比對火災后鋼管混凝土柱的N0uT沒有顯著影響；鐘水溶[20]研究表明隨升溫時間的延長，N0uT先隨軸壓比增大而增大，后隨之增大而減小。③排氣孔數(shù)量，鐘水溶[20]研究表明N0uT會隨著排氣孔的數(shù)量的增加而減小。④鋼管混凝土內(nèi)抗剪連接件，孟凡欽等[21]研究了火災后鋼骨-方鋼管混凝土短柱的軸壓力學性能研究，結(jié)果表明在其他相同條件下，內(nèi)置鋼骨的方鋼管混凝土柱承載力損傷程度要小于鋼管混凝土柱。

3 總結(jié)

國內(nèi)外研究者對于高溫后試件雖得到了一些因素對剩余承載力的影響規(guī)律，但由于影響因素眾多，變形機理復雜，且結(jié)果具有一定的離散性，尚未能形成成熟的理論，故有必要進一步開展試驗研究，考慮更多可能的影響參數(shù)，分析對高溫后鋼管混凝土剩余承載力的影響規(guī)律，得到具有一般性的可供工程實踐參考的經(jīng)驗模型；利用有限元分析對高溫后鋼管混凝土剩余承載力做進一步精細化的機理分析和參數(shù)分析?；谠囼灁?shù)據(jù)庫，引入一些新的分析手段，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)分析等等。

本文分析總結(jié)了現(xiàn)有國內(nèi)外研究者對高溫后鋼管混凝土柱剩余承載力的相關(guān)研究，包括高溫后鋼管混凝土剩余承載力及影響剩余承載力的主要因素?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：①溫度、混凝土類型、冷卻方式、混凝土強度、含鋼率等都是影響高溫后鋼管混凝土剩余承載力的主要因素。溫度對鋼管混凝土的剩余承載力有明顯的影響，影響規(guī)律不完全一致，但研究結(jié)果總體上表現(xiàn)出剩余承載力隨溫度的升高逐漸下降。剩余承載力隨混凝土強度等級、含鋼率的提高而增大。但混凝土類型、冷卻方式對鋼管混凝土剩余承載力的結(jié)果較離散，影響規(guī)律并不明確。②其他影響因素如軸壓比、排氣孔數(shù)量等也有一定的影響，其研究尚未成熟，還需進行更多的試驗來研究這些問題。③這些成果對于解釋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工作機理和承載力的劣化規(guī)律具有重要意義，可為工程設(shè)計提供參考。