切槽式钢套管混凝土柱的原理与应用★

刘洪华 韩金生

(1．青岛地质工程勘察院，山东青岛 266071;2．山东科技大学土木建筑学院，山东青岛 266590)

0 引言

钢套管混凝土柱是利用外部钢管对核心混凝土柱产生横向约束的一种结构形式。从外观上看钢套管混凝土柱与普通的钢管混凝土相近，但是从承载机理上来讲两者有明显的差异。钢管混凝土柱的钢管在浇筑混凝土前可以作为承重骨架，浇筑混凝土时可以作为模板，混凝土硬化后又能对混凝土产生横向的套箍约束作用，与混凝土共同工作。钢管的横向约束作用是钢管混凝土柱承载性能优越的一个重要原因。但是钢管混凝土柱的钢管同时还要承受很大的纵向压力，处于双向受力状态，根据Mises屈服准则，较大的纵向压力导致其对混凝土的横向约束能力显著降低。也就是说，钢管混凝土柱的钢管对混凝土柱具有一定的约束作用，但是约束能力并没有完全发挥。出于某些使用目的或者在某些特殊的工程情况下，有时需要尽可能地发挥钢管的约束作用，因此部分学者提出了钢套管混凝土柱的概念。钢套管混凝土柱中的钢套管通过采取一定的措施以减小其承受的纵向压力，而主要起约束混凝土横向变形和抗剪的作用，称之为“套管”效应。钢套管内部的混凝土柱承受纵向压力和钢套管的横向约束，处于三向受压状态，套管效应越强，混凝土柱的抗压能力和变形能力越好。

1985年，日本的Tomii，Sakino和我国的肖岩等学者最早提出了外部包裹钢管的钢筋混凝土柱的概念［1］。与钢管混凝土柱的主要区别就是钢套管只起到约束混凝土柱的作用而在纵向并不受力［2］。广义上来讲所有具有显著的外部横向约束的柱子都可以称为套管柱，包括FRP约束的结构柱。但是通常所讲的套管柱还是以钢套管混凝土柱为主。目前为止，只有个别学者对钢套管混凝土柱进行了少量的研究［3-5］，研究范围比较有限。

传统的钢套管混凝土柱有两种形式:截断式和穿孔式的钢套管混凝土柱。截断式钢套管混凝土柱如图1a)所示，钢管在柱端被截断并缩短一段，这样可以使得柱子在受压后钢管并不直接承受纵向压力，以期实现套管效应。日本的Sato等提出了如图1b)所示的穿孔式钢套管混凝土柱，并申请了专利。穿孔式钢套管混凝土柱通过在柱端附近的钢管上加工一排穿孔形成薄弱部位。薄弱部位在承受压力后提前屈服，同样可以减小钢管承受的纵向压力，实现横向约束为主的套管效应。

但是截断式钢套管混凝土柱和穿孔式钢套管混凝土柱都存在一些明显的缺点:1)截断或穿孔处钢套管承受的纵向压力会显著减小，但是由于粘结力和摩擦力的存在使得钢套管的中间部分仍然承受较大且沿高度分布不均的纵向压力;2)钢套管截断或穿孔后浇筑混凝土时容易漏浆，增加了施工难度，钢套管很难再用作浇筑混凝土的模板;3)钢套管截断后不再是完整的整体，不能作为施工时的承重结构。这些问题是限制钢套管混凝土柱广泛应用和方便施工的关键问题，因此目前只有少量的试验性应用［2］。套管柱在工程中的首次应用是在日本某建筑公司承建的大阪的一栋高层钢筋混凝土结构中［6］。1999年，美国阿拉斯加州交通局进行了一个采用套管柱的桥柱结构的足尺试验［7］，进行套管柱在桥柱结构设计中的尝试应用。Priestley等人对钢套管混凝土柱在加固工程中的应用进行了研究［8］，指导了加利弗尼亚等地区的大量桥梁的加固工程。

图1 钢套管混凝土柱

为了克服传统钢套管混凝土柱存在的问题，更好地在工程中得到推广和应用，课题组提出了一种新型的利用圆形或螺旋形切槽来实现套管效应的切槽式钢套管混凝土柱，并申请了专利［9］。本文对切槽式钢套管混凝土柱的基本概念、基本原理、基本性能和应用前景与应用价值进行简单的探讨。

1 切槽式钢套管混凝土柱的原理

1．1 切槽的作用原理

切槽式钢套管混凝土柱利用钢套管上加工的切槽来实现套管效应，如图1c)所示。钢套管上的切槽可以采用多道具有一定间隔的环形切槽，也可以采用螺旋形切槽。受压后切槽处的钢管率先屈服，从而减小荷载向钢套管的传递，而主要起到约束混凝土柱的作用。图2给出了普通钢管混凝土柱的钢管与钢套管混凝土柱的钢套管在受压后竖向应变和横向应变的对比。除了钢套管上有多道环向切槽外，两个试件的尺寸和材料等完全相同。通过对比可见，在相同的竖向荷载作用下钢套管的竖向应变要明显小于钢管的竖向应变，而横向应变的差异很小。因此，通过在钢管上切槽是可以实现套管约束的目的的。

图2 钢套管与钢管的应变对比

1．2 切槽式钢套管混凝土柱的优点与存在的问题

采用切槽形式的钢套管混凝土柱相比传统的钢套管混凝土柱有许多优点:

1)钢套管上有多道切槽，可以使得钢套管的削弱更充分，得到更理想的套管效应;

2)钢套管切槽处未截断时可以作为浇筑混凝土的模板，且切槽处的剩余承载能力使得钢套管仍然可以作为施工中的支撑体系，因此施工方法与钢管混凝土柱类似，没有额外增加施工难度和费用;

3)截断式钢套管混凝土柱主要应用在已有结构的加固中，由于施工上的问题难以在现浇结构中得到大范围的应用，而切槽式钢套管混凝土柱则能够克服施工上的困难，因此可以方便地应用于现浇结构工程中，应用前景乐观。

切槽后钢套管混凝土柱的承载机理与钢管混凝土柱相比产生了一定区别，切槽后钢套管虽然能够增加对混凝土柱的横向约束能力，但是也减小了自身的纵向承载能力。因此与钢管混凝土柱相比，切槽式钢套管混凝土柱存在两个问题:1)切槽部位成为钢套管混凝土柱的薄弱截面，在开始受力后是否很快就被压坏，导致钢套管的作用来不及发挥。2)切槽对钢套管混凝土柱的作用到底是利大于弊还是弊大于利。切槽式钢套管混凝土柱的整体承载能力和变形能力与普通的钢管混凝土柱相比有什么差异。为了了解这些问题需要加强切槽式钢套管混凝土柱承载机理和性能的相关研究。

1．3 切槽式钢套管混凝土柱的性能

文献［10］给出了4个切槽式钢套管混凝土柱与钢管混凝土柱轴心受压荷载作用下的试验结果，见表1。试验结果表明:在达到极限荷载之前切槽式钢套管混凝土柱的整体外观没有出现显著变化，切槽处的薄弱截面也并没有发生显著的压缩变形或破坏;切槽式钢套管混凝土柱与钢管混凝土柱的受压变形全过程类似，没有明显的差异;虽然钢套管的纵向承载能力被削弱，但是其提供的更强的横向约束作用会使得内部混凝土柱的纵向承载能力显著提高，因此切槽式钢套管混凝土柱的整体承载能力不仅没有降低反而略有提高，平均提高幅度约5%。

表1 试件参数表

总之，切槽对钢套管混凝土柱的承载能力、弹性阶段的刚度和塑性变形能力均未造成明显不利的影响，甚至对承载能力产生了一定的有利影响。

2 切槽式钢套管混凝土柱的应用

切槽式钢套管混凝土柱的形式比较灵活。钢套管可以预先在工厂内制作完成也可以后期在施工现场包裹到混凝土柱上;钢套管可以是一体的形式也可以由小的板肋拼接而成;切槽处的钢套管可以完全断开也可以保留一定的厚度。因此切槽式钢套管混凝土柱形式新颖，性能优越，施工便利，应用范围广泛，有较好的应用前景。

切槽式钢套管混凝土柱的工程实用价值和优势主要体现在两个方面:

1)既有结构的加固。加固是钢套管混凝土柱的一个主要应用领域，截断式和穿孔式钢套管混凝土柱最初就是用于混凝土柱加固的。但是这两种钢套管混凝土柱都是利用整个的钢套管来包裹混凝土柱的，施工难度很大，不易实现。而切槽式钢套管混凝土柱的钢套管可以在切槽处断开，这样整体的钢套管即由多个小的板肋组成，加工制作和现场包裹到混凝土柱上都比较容易实现，因此用于加固工程方便灵活，有较大优势。

2)现浇结构中代替普通的钢管混凝土柱。从制作、施工和使用上来讲切槽式钢套管混凝土柱都可以取代钢管混凝土柱。大部分尺寸较大的钢管混凝土柱的钢管都是由钢板卷制后焊接而成的，通常要求采用对接焊缝并与钢材等强，加工难度大造价高。实际上卷制钢板的接缝处只进行简单焊接，即相应于钢套管的切槽位置，成为切槽式钢套管混凝土柱。根据初步的研究结果，切槽式钢套管混凝土柱与普通钢管混凝土柱的承载性能基本相当甚至略有提高。同时，当切槽处没有断开时钢套管混凝土柱与钢管混凝土柱的施工过程完全相同。因此，在工程实际中采用切槽式钢套管混凝土柱代替普通的钢管混凝土柱具有很大的实用价值和经济价值。

3 结语

1)提出了切槽式钢套管混凝土柱这种改进的套管混凝土柱。切槽可以更好地减小钢套管承受的纵向压力，从而充分发挥其对内部混凝土的横向约束能力，更好的实现套管约束效应。

2)切槽处并没有成为切槽式钢套管混凝土柱明显的薄弱部位;切槽的钢套管对内部混凝土柱约束能力的增加弥补了钢套管纵向承载能力降低的损失;切槽式钢套管混凝土柱的弹性刚度和塑性变形能力与普通的钢管混凝土柱基本相当，而极限承载能力则略有提高。

3)切槽式钢套管混凝土柱用于既有结构的加固或现浇结构的基本构件，都是方便可行的。根据初步研究结果，在实际工程中利用卷制钢板简单焊接形成的钢套管混凝土柱代替普通的钢管混凝土柱是合理可行的，并有很高的实用价值和经济价值。

［1］TomiiM，Sakino K，Xiao Y，et al．Earthquake resisting hysteretic behavior of reinforced concrete short columns confined by steel tube［C］//Proceedings of the International Specialty Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures．Harbin，August，1985:119-125．

［2］肖 岩．套管钢筋混凝土柱结构的发展和展望［J］．土木工程学报，2004，37(4):8-12，69．

［3］Xiao Y，TomiiM，Sakino K．Experimental study on designmethod to prevent shear failure of reinforced concrete short circular columns by confining in steel tube［J］．Transactions of Japan Concrete Institute，1986(8):535-542．

［4］Sato T．Studies on un-bond concrete filled steel tubular structures［C］//Proceedings of JCI Annual Conference．August，1986，1417-1424．

［5］Aboutaha R S，Machado R I．Seismic resistance of steel tubed high strength reinforced concrete columns［J］．ASCE Journal of Structural Engineering，1999，125(5):458-494．

［6］Takeda K．Experimental studies on square steel tube and concrete filled steel tubular columns under high axial load［C］//Proceedings of JCI Annual Conference．October，1987:1285-1286．

［7］Silva P，Sritharan S，Seible F，et al．Fullscale test of the Alaska cast-in-place steel shell three column bridge bent［R］．Research Report of Charles Lee Powell Structural Research Laboratories，No SSRP 98P13．February，1999:157．

［8］Priestley MJN，Seible F，Calvi M．Seismic Design and Retrofit of Bridges［M］．New York:John Wiley ＆Sons，1996:686．

［9］韩金生，孙其卧．切槽式钢套管混凝土柱［P］．中国专利:201220153717．6，2013-01-30．

［10］韩金生，王立一，王雪雯．切槽式钢套管混凝土柱的承载性能研究［J］．山东科技大学学报(自然科学版)，2013，32(4):80-85．