钢管混凝土徐变问题研究分析

【摘要】随着技术的进步， 高性能混凝土技术在建筑工程领域得到了越来越广泛的应用，钢管混凝土构件在实际工程中的应用也日益广泛，因而研究钢管混凝土构件的徐变特性有着极其重要的现实意义。本文通过对钢管混凝土徐变机理进行研究分析，以期对钢管混凝土的徐变对构件力学性能的影响有个充分认识。

【Abstract】As technology advances，high-performance concrete technology in the field of construction has been more widely used， steel concrete structures in practical engineering applications are increasingly widespread， and thus study the creep of concrete filled steel tubular structures characteristic has an extremely important practical significance.based on the mechanism of creep of concrete pipe research and analysis， with a view to the creep of concrete filled steel tube mechanical properties of the component have a full understanding.

【关键词】钢管混凝土；徐变特性；研究

【Keywords】CFST（Conerete Filed Steel Tubulra）；creep properties；research

1. 引言

钢管混凝土指的是在钢管中填充入混凝土，钢管和核心混凝土共同承担外荷载作用的组合结构构件。钢管混凝土结构能够充分发挥钢材的抗拉、抗压能力以及混凝土的抗压性能，因此，它主要用于承受轴向压力的构件。由于其有较高的承载力，塑性、韧性好，良好的耐火性能，施工方便以及良好的经济效益等优点，满足大跨度、重载、高耸等现代工程结构的发展需求，使其得到迅速推广使用，因而对钢管混凝土构件工作性能的深入研究具有非常重要的意义。

由于钢管混凝土是由钢管和混凝土两种不同材料组成的组合材料，当混凝土和钢筋粘结成一个整体时，以钢管混凝土的结构形式应用于各种建筑时，其综合性能会大大提高，但是当徐变使钢筋和混凝土分离时，会对钢管混凝土的力学性能产生一定的影响，主要是对钢管混凝土中的混凝土产生影响，而混凝土的徐变过程钢管也参与其中，而且钢管和混凝土的受力都很复杂，因此研究钢管混凝土构件的徐变特性有一定的难度。

2. 徐变理论

2.1 基本概念

所谓徐变，亦称“蠕变”，是指物体在荷载作用下，变形随时间增长而增长的现象。徐变是混凝土在长期荷载作用下的固有特性。对于静定结构，徐变不影响结构的受力状态，但是会使结构的变形增加，造成混凝土开裂。对于超静定结构，徐变会引起应力重分布，对结构有卸载的作用。对于预应力混凝土结构，混凝土的徐变使预应力损失大大增加，会造成预应力钢筋的松弛，这是极其不利的。因此，预应力结构一般要求较高的混凝土强度等级以减小徐变及预应力损失。

混凝土在外荷载作用下立即产生瞬时弹性变形，当荷载稳定下来以后，该混凝土构件即开始徐变变形（一般徐变比瞬时弹性变形大1～3倍），随着荷载时间的越来越长，徐变变形就会不断增加，但是徐变速率却随着持荷时间的增长而降低。混凝土徐变可以持续很长时间，然而大多数徐变却会在1、2年内完成。

2.2徐变影响因素

一般混凝土徐变的影响因素可分为内部因素和外部因素。其中内部因素主要有混凝土的强度等级、水灰比以及拌和混凝土时所添加的各种外加剂等。混凝土的强度等级越大，徐变越小，水灰比大的混凝土徐变大且试验表明：徐变与水灰比近似成直线关系。混凝土中产生徐变的物质主要是水泥浆体，如保持强度不变，徐变随灰浆率的增加而增大，两者近似成正比关系。外部因素主要有加荷龄期、持荷应力、持荷时间、湿度、温度等。徐变随加荷龄期的增长而减小；当混凝土受力不超过其强度的40%时，可认为徐变与应力成正比；周围环境的相对湿度是影响混凝土徐变的最重要的外部因素之一，对某一给定的混凝土来说，相对湿度越低，徐变就越大；温度也是影响混凝土徐变的主要外部因素之一，一般来说，温度升高，使混凝土粘性降低，也使其弹性模量降低从而使徐变增加。

2.3混凝土徐变计算理论

徐变主要计算理论有：有效模量法、老化理论法、弹性徐变理论及继效流动理论、龄期调整有效模量法等。这些方法均假定徐变与应力的关系是线性的，且都服从波尔兹曼叠加原理，即在时间 t 变应力作用下的总应变 ε（t） 为每一应力增量△σ（t）引起的应变总和：

式中： -第一次加载龄期 d；

-徐变函数。

若应力变化是连续的，则上式变为：

定义徐变函数为弹性变形与徐变变形之和，则有：

式中：

-τ 龄期的弹性模型；

-单位应力作用下的徐变。

徐变系数 定义为：

则，

下图为混凝土徐变组成示意图：

图2.1 混凝土徐变组成示意图

3. 钢管混凝土的徐变

3.1 钢管混凝土徐变的计算模式

关于混凝土的徐变理论很多，不同的科学工作者由于考虑的因素不同，所提出的计算模型也不一样，在模式的计算形式上，归纳起来有两种。一是将徐变系数表达成各分项系数乘积的形式，如ACI209（1982）的规定；二是将徐变系数表达成各分项系数之和的形式，如CEB-FIP（1978）将徐变系数表达成初始瞬时变形、滞后弹性变形和流变变形三部分之和。这些模型主要有：美国ACI2009委员会推荐模式、国际预应力协会CEB-FIP1978模式（简称MC78）、CEB-FIP1990模式（MC90）、BP2模式、澳洲1988年混凝土规范（AS3600），我國桥梁规范（JTJ023-85）中建议采用国际预应力协会CEB-FIP1978模式。但由于组成混凝土材料的复杂性及硬化混凝土的不均匀性，使得混凝土徐变受到水泥品种、水胶比、骨料品种及级配、浆集比、养护条件、构件尺寸、环境温湿度、外加剂品种及掺量、荷载水平等多种因素的综合影响，没有一种模式和理论能恰当的解释混凝土的收缩徐变机理，而其相应的数学模型也存在着一定的分歧和不确定性。

3.2钢管混凝土徐变的处理方法

由于徐变对钢管混凝土构件的性能有很大影响，所以在钢管混凝土构件实际应用中必须考虑徐变因素，但目前对钢管混凝土徐变问题尚未达成共识的理论，所以，各个国家的设计规范对这一问题的考虑也不同。

1） 德国的处理方法

将长期荷载乘以一个大于1的系数来考虑徐变的不利影响。

式中， 一长期荷载；

一非长期荷载；

—徐变效应系数，随含钢率的增大而减小，变化于0.5～0.7之间，一般含钢率时， ；钢管混凝土构件的常用含钢率为0.1以下，因而 约为0.6。

2） 日本的处理方法

采用降低容许应力的方法来考虑。取混凝土的容许应力为短期荷载容许应力的0.5倍，钢材的容许应力为短期荷载容许应力的1/1.5倍。

如含钢率为0.1时，对三号钢和C30混凝土，相当于构件承载力下降约40%。

3） 原苏联的处理方法

对静定结构，认为由于混凝土徐变而产生的应力是自相平衡的内应力，不影响组合材料的极限承载力。

4） 我国的处理方法

我国的规程中，原能源部的《火力发电厂主厂房钢一混凝土组合结构设计暂行规定》考虑了核心混凝土的影响，影响的大小与永久荷载所占的比例及构件的长细比有关，给出了考虑徐变影响的强度折减系数 。在中国工程建设标准化协会的《钢管混凝土结构设计与施工规程》中，没有考虑徐变对钢管混凝土构件影响。

3.3 徐变对钢管混凝土结构的影响

由于徐变使得混凝土的变形增大，引起钢管和混凝土之间荷载及应力的重新分配，钢管受荷增大，加大了钢管混凝土的总变形，而且因为钢管和混凝土的泊松比不同，徐变变形又会导致钢管和混凝土之间紧箍力的变化，进而对整个钢管混凝土的承载力、稳定性和变形能力都有所影响。徐变对钢管混凝土结构构件的影响主要体现在以下几个方面：

1）徐变会增大构件、结构的挠度；

2）徐变会增大偏心柱的弯曲，增大初始偏心，降低柱的承载能力；

3）预应力混凝土构件中，徐变和收缩会导致预应力损失；

4）如果结构构件为组合截面，徐变会使截面上应力重分布；

5）对于超静定结构，混凝土徐变将导致结构内力重分布，即徐变将引起结构的次内力；

6）混凝土收缩会使较厚构件（或在结构构件截面突变处）的表面开裂。这种表面裂缝是因为收缩总在构件的表面开始，但受到内部的阻碍引起收缩拉应力而产生的。

由以上可以看出，对于钢管混凝土组合结构来说，徐变的影响是非常重要的。钢管混凝土徐变问题的分析与钢筋混凝土及其它组合结构的徐变问题相比更为复杂。首先，钢管混凝土中核心混凝土处于复杂应力状态之下，这要应用多轴应力状态的徐变理论；其次，徐变主要针对的是钢管混凝土中的混凝土，但钢管又要参与混凝土徐变的过程，在此徐变过程中，既要考虑混凝土的徐变特性，又要考虑钢管的参与作用，钢管与混凝土之间的各种影响因素相互祸合，相互关联。

3.4不同影响因素下的钢管混凝土徐变

普通混凝土徐变的内外部影响如上面所提，国内外学者对此已有了诸多研究。而对于钢管混凝土组合结构来说，其力学性能、组合结构强度及稳定性等都与普通混凝土有所不同。因结构的差异、养护条件的不同，钢管混凝土中核心混凝土与普通混凝土所处的环境不一样，影响因素及其影响的程度自然有所不同。一般，钢管混凝土徐变的影响因素主要考虑以下几个：含钢率、应力级别、载荷、核心混凝土的强度等级等，具体结论如下：

l）当含钢率相同时，徐变应变随着作用应力级别的增加而增加；

2）相同应力级别时，含钢率的大小对徐变的影响不可一概而论。虽然含钢率的增大会限制钢管混凝土徐变的发展，但相同的应力级别使含钢率较大的构件作用应力值要大，其结果将使混凝土的徐变增加，最终应该根据两者相互作用综合结果判断徐变的增大还是减小。

3）相同荷载下，含钢率越大，构件的徐变值越小。

4）钢管混凝土中，随核心混凝土强度等级的提高徐变有所增大，而强度等级越高，徐变增长幅度反趋缓慢。

此外，通过研究可以发现，钢管混凝土随核心混凝土强度等级提高徐变增大的特性正好与普通混凝土构件随着混凝土强度等级的提高而减小的特性相反。然而钢管混凝土组合结构中核心混凝土构件的徐变随混凝土的强度等级提高而增大的量值很小，在实际工程中可以不予考虑。由此，在研究钢管混凝土徐变问题时，影响混凝土强度等级的相关内因也可以忽略。

3.5钢管混凝土不同受力情况下徐变的研究状况

钢管混凝土在工程应用中主要作为受压构件。根据混凝土的受力特点，对计算模型进行了简化，以继效流动理论为基础，提出了轴心受压短柱钢管混凝土的徐变计算公式。然而，由于制造偏差、轴心线的偏离等小概率因素，理想的轴心受压状态几乎是不可能存在的。基于继效流动理论及多轴应力状态下混凝土的徐变理论，对偏心受压构件的力学性能和核心混凝土徐变进行了一系列的研究工程，其中包括徐变模型、计算构件徐变的方法以及徐变影响因素等。钢管混凝土小偏心受压构件的徐变在1年左右几乎停止，而且其徐变稳定阶段到达的时间比普通混凝土构件徐变要早得多，徐变量值也比普通混凝土要小得多。对小偏心受压构件来说，偏心率由0.2增加到0.4，构件的徐变量增加60%左右。应该说，工程实践中这是一个不可忽视的数目针对钢管混凝土大偏心受压情况做过一些探讨，得到了與实验数据良好吻合的徐变计算公式；应该说，偏心率是确定偏心受压构件工作性能的重要指标，构件截面的应力分布也与偏心率有着直接关系，对大偏心受压构件来说，偏心率越大，构件的徐变也就越大。在其它条件不变仅偏心率由0.6增加到0.8时，构件的徐变量将增加30%左右。对比大小偏心引起的徐变量值的多少可知，偏心率值对小偏心构件的影响更显著。

4. 结论

本文通过理论分析研究，对钢管混凝土的徐变影响有了一定的认识与了解，本文得到的结论如下：

1）含钢率越高的钢管高强混凝土轴压构件其强度储备越大。而不同强度核心混凝土的钢管高强混凝土轴压构件其强度利用率基本相近。

2）在同一应力级别下，钢管高强混凝土轴压构件的徐变比普通混凝土的徐变要小。

3）在同一应力级别下，含钢率越高，钢管高强混凝土轴压构件徐变越小；核心混凝土强度越大，徐变越大。

4）徐变过程中核心混凝土的卸载比例很大，能达40%以上，而且核心混凝土的卸载比例随着应力级别的提高而减小。

此外，就钢管混凝土而言，作者认为还有以下几方面需进一步的研究、努力：

l）由于钢管混凝土特殊之处在于钢管与混凝土之间的套箍作用，目前极少有涉及紧箍力影响因素、相关系数的研究。对他们的深入研究为钢管混凝土工作性能本质的认识至关重要，钢管混凝土构件的徐变性能与钢管套箍作用的大小紧密相关。

2）深入研究钢管混凝土小偏心受压的徐变，实际工程中钢管混凝土构件的受力形式一般为小偏心受压。

3）深入研究加载龄期、持荷时间等因素对钢管混凝土徐变的影响。

4）深入研究徐变对钢管混凝土长柱的性能影响。因为钢管混凝土长柱在实际工程中较为常用。

【参考文献】

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【2】钟善桐.钢管混凝土结构（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2003.

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【5】Furlong R W.Design of Steel_Encased Concrete Beam_Columns[J].Journal of Structural Division.ASCE，1968，94（ST1）.

作者簡介：

孙洪波，男，1977年，山东人，结构工程师，从事结构设计工作，青岛北方建筑设计研究院有限公司。