钢管约束混凝土的研究应用与发展

冯兆琦 余志伟 段方正

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590；2.中建三局集团有限公司,北京 100097；3.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

·建筑材料及应用·

钢管约束混凝土的研究应用与发展

冯兆琦1余志伟2段方正3

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590；2.中建三局集团有限公司,北京 100097；3.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

介绍了钢管约束混凝土的概念、类型及研究现状，结合在建筑工程中的应用，分析了其所具有的优势和不足，并提出了未来的研究方向，有利于促进钢管约束混凝土在工程建设中的推广应用。

钢管约束混凝土，抗震性能，承载能力

0 引言

在当今社会中，随着高层建筑以及大跨度结构的大量出现，钢管混凝土这一结构得到了极大的推广，并且现在有了长远的发展。其中，钢管约束混凝土作为钢管混凝土的一个重要分支，更是吸引了众多研究者和研究机构的关注。影响钢管约束混凝土承载能力的因素较多，国内外学者虽然对其做过许多研究，但是往往只侧重于单一方面，不可能考虑到所有的问题。系统的总结钢管约束混凝土的研究进展及应用现状，对于加深当前人们对其性能的了解，并以此为基础开展下一步工作具有重要意义。

1 钢管约束混凝土的概念及分类

钢管混凝土是一种钢管和混凝土组合结构，自19世纪80年代被首次应用于桥墩以来，以其优越的性能和经济的造价获得了极大的认可。钢管混凝土通过套在混凝土外侧的钢管的包箍作用使混凝土处于三向应力状态，因而限制混凝土的开裂，同时利用混凝土高于钢管的承载力来限制钢管的内屈曲变形。通过这一结构形式使二者的优势得到了充分的发挥，并且最大化的弥补了各自的劣势。

根据钢管混凝土不同的受力机理，我们可以将其定义为以下两种类型：一种是组成钢管混凝土的钢管和混凝土受荷初期，即共同受力的类型；第二种是外加荷载反作用在核心混凝土上，钢管只起到约束其核心混凝土的作用的类型。钢管约束混凝土则输入上述第二种类型。

一般情况下，我们可根据削弱钢管承担纵向压力的方式，将钢管约束混凝土分为三类：截断式钢管约束混凝土构件、穿孔式钢管约束混凝土构件和切槽式钢管约束混凝土构件。截断式钢管约束混凝土构件是最先被提出的一类设想，它通过在构件的节点端截断一段钢管，使未截断钢管不直接承受纵向压力。日本的Soto等提出了穿孔式钢管约束混凝土构件这一概念，该概念中没有通过截断的方式，而是在节点附近的钢管上打上一圈孔洞，当钢管最初承受纵向压力时，孔洞部位钢管因为受到了削弱而率先发生屈曲，从而使传向起约束作用的钢管的纵向压力大幅降低。综合以上两种方法，我国的韩金生提出了切槽式钢管约束混凝土构件，将钢管整体设置环形或螺旋形切槽，使钢管受压时既能通过屈曲降低其纵向压力，又会使钢管不至于因变形丧失横向约束能力。目前，截断式钢管约束混凝土构件得到了较大推广，后两者则更多的处于理论分析阶段。

2 钢管约束混凝土的优点

关于钢管约束混凝土的优点，主要从其结构性能、工程应用以及构件连接三个方面进行论述。

1)结构性能优越。钢管与混凝土相比，其泊松比在达到一定的限值后不会继续变化，而混凝土泊松比在达到这一限值后会继续增大，因此钢管会对混凝土起到横向约束作用，使结构表现出良好的塑性和抗震性能。钢管约束混凝土对钢管的节点周围都进行了弱化处理，由于混凝土明显高于钢管的抗压承载力，所以可避免钢管因承受过大的纵向压力发生屈曲，丧失约束能力。

2)工程应用性强。当前的建筑结构越来越向超高层以及大跨度发展，受此影响，单柱的承载力也在不断增高。但是由于继续采用传统的钢筋混凝土柱需要的尺寸过大，因而会对建筑的外观及使用产生负面的影响。若采用钢管约束混凝土柱，由于相同截面的柱的承载力较钢筋混凝土柱有大幅的提高，这对于减小结构对使用空间的占用，保证结构的灵活性具有重要的意义。同时，钢管可以作为混凝土的模板，也会节省浇筑混凝土时模板制作、安装、拆除的费用，降低工程造价。

3)构件连接方便。现有的研究大多是以钢管混凝土柱单体作为研究对象，忽略了节点处与梁的连接。钢管约束混凝土柱特别是截断式钢管约束混凝土柱因为在节点区采用了截断，很好的解决了梁与柱连接的问题。

3 钢管约束混凝土的研究现状

虽然钢管混凝土早在19世纪末就已经出现并被应用于工程当中，但是钢管约束混凝土这一概念直到20世纪中期以后才逐渐被人们提出。前苏联学者Marenin和Renskiy最早进行了钢管混凝土轴压试件在不同加载模式下的实验，我国的陈肇元和蔡绍怀也分别展开了类似的研究。1985年，日本的Tomii，Sakino和我国的肖岩等首先提出了钢管约束混凝土这一概念，并将其命名为超级钢筋混凝土结构或套管柱。随后，国外学者对这一结构展开了大量的研究，他们对加载方式、混凝土等级、轴压比、钢管的径厚比、削弱钢管纵向压力的方式、尺寸效应等方面都展开了讨论，论述了其对钢管约束混凝土性能的影响。我国的孙玉平、肖言、于清、韩林海等也陆续展开过对钢管约束混凝土的研究。2003年以来，哈尔滨工业大学对钢管约束混凝土结构的力学性能也进行了深入和系统的研究。通过分析总结过去的成果，目前国内外关于钢管约束混凝土的研究可分为以下三类：

1)钢管约束混凝土的静力性能研究：国内外的众多学者在近几十年来针对钢管约束混凝土的静力性能开展了大量的实验并进行了理论分析，分别提出了各类钢管约束混凝土柱的承载力的计算方法，将其成功推广到工程设计当中。

2)钢管约束混凝土的抗震性能研究：钢管约束混凝土这一结构可以得到推广，除了具有更高的承载能力，优秀的抗震性能也是一个重要的原因。众多的学者通过实验发现，钢管约束混凝土可以有效提高柱的延性、变形能力和耗能能力，使其具有良好的抗震性能。

3)节点区的研究：在实际工程中，钢管约束混凝土柱往往是同梁连接共同受力的，但是柱的性能过强，便会造成“强构件弱节点”这一与设计规则相悖的问题。因此，国内外学者对节点区的连接构造也展开了研究，得出了一系列行之有效的方法。

4 钢管约束混凝土的应用

在钢管约束混凝土被应用之前，其他更多的应用集中于建筑加固这一层面，在近年来才开始运用于新的工程中。1987年，在大阪建设一幢高层建筑时，日本大林组建筑公司就首次将钢管约束混凝土应用于施工当中，在其底层各柱采用了方钢管约束钢筋混凝土柱。在1991年，Yoshimura在方钢管约束混凝土短柱抗震性能试验研究的基础上，对一栋加层的教学楼底部钢筋柱进行加固，效果显著。同样，在1999年，美国阿拉斯加交通局也采用了钢管约束混凝土桥墩，首次将钢管约束混凝土柱概念应用于桥墩。在日本，于2006年建成的东京中央区的超高层住宅，为保证底部承担很大荷载的超高强度混凝土柱的抗震性能，同样采用了方钢管约束混凝土柱。

近年来，随着钢管约束混凝土理论的完善，我国也出现了一批采用这一结构的建筑。在2010年年底投入使用的大连市体育馆因支撑上部大跨度屋面的框架柱截面较大，不能满足抗震要求，且节点区连接复杂，所以采用了钢管约束钢筋混凝土柱。次年，在大连建成的大连中国石油大厦为满足经济和建筑使用要求，也采取了钢管约束混凝土柱。在黑龙江省博物馆自然展厅项目中，为了满足一组斜柱的承载能力和防火要求，采用了矩形和圆形钢管约束混凝土斜柱。此外，丹东市体育场和大连市体育场的悬臂柱结构也应用了钢管约束混凝土这一形式。

5 钢管约束混凝土的不足

钢管约束混凝土虽然具有良好的承载能力和抗震性能，但这些性能的增强也产生了相应的缺点，亟待我们解决。首先，虽然可以通过在梁两端加腋以及在节点区加密箍筋的方式来强化整体建筑中的梁柱边节点和普通节点，但角节点也会因此出现整体刚度严重不均匀，需要我们提出更好的办法进一步加强。其次，因为钢管约束混凝土浇灌属于隐蔽工程，所以内部混凝土的质量无法直接检查，且若通过超声波检测法或低应变法检测出结构存在不密实，只能通过钻孔压浆的办法进行补强，整体工序相对复杂。因此采用钢管约束混凝土结构时，需要对施工、工艺以及检测进行严格的把关。

6 结论与展望

钢材和混凝土是现代建筑业中使用最多的两种材料，使其在结构中合理有效的结合，对于在当前这个社会中实现经济效益和结构安全的统一具有重要的意义。综合过去的成果以及工程中的应用需求分析，今后有关钢管约束混凝土的研究可以从以下四个方面开展：

1)钢管约束混凝土在火灾中及火灾后的性能研究。2)钢管约束混凝土长柱压弯构件的静力性能及抗震性能的研究。3)长期荷载作用下钢管约束混凝土构件的性能研究。4)钢管约束混凝土与其他构件协同受力作用下的性能研究。

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The research application and development of steel tube confined concrete

Feng Zhaoqi1Yu Zhiwei2Duan Fangzheng3

(1.CivilEngineeringandArchitectureCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.ChinaRailwayThirdBureauLimitedCompany,Beijing100097,China;3.ChinaConstructionEighthEngineeringBureauLimitedCompany,Shanghai200120,China)

This paper introduced the concept,types and research status of steel tube confined concrete,combining with the application in construction engineering,analyzed the advantages and disadvantages of it,and put forward the future research direction,was conducive to promote the promotion and application of steel tube confined concrete in engineering construction.

steel tube confined concrete,seismic performance,bearing capacity

2015-10-16

冯兆琦(1991- )，男，在读硕士；余志伟(1991- )，男；段方正(1992- )，女

1009-6825(2015)36-0105-03

TU528 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A