钢套管混凝土柱的新发展★

孙宗军 陈小洁 韩金生

(山东科技大学，山东 青岛 266590)



·结构·抗震·

钢套管混凝土柱的新发展★

孙宗军 陈小洁*韩金生

(山东科技大学，山东 青岛 266590)

为了提高钢套管混凝土柱的套管效应和施工的便利性，对钢套管混凝土柱的构造进行了改进，提出了切槽式钢套管混凝土柱和组合式钢套管混凝土柱的结构形式，并阐述了相关概念和原理，探讨了各自的优缺点，为类似问题研究提供了理论依据。

钢套管混凝土柱，切槽，套管效应，受力机理

钢筋混凝土柱与外部约束套管组合而成的结构形式即套管混凝土柱，当采用钢管作为套管时即为钢套管混凝土柱。钢套管柱的概念最早是由Tomii,Sakino和肖岩等于1985年提出的，最初为外部包裹钢管的钢筋混凝土柱[1]，结构形式与普通的钢管混凝土柱相似，但是受力机理不同。普通钢管混凝土既要受到约束混凝土柱的横向膨胀变形又要受到其竖向压力导致的变形作用；但钢套管混凝土柱的钢套管要避免承受很大的竖向压力，主要起到约束混凝土柱的作用[2]。通常来讲，所有具有外部约束部件、充分利用横向约束作用的混凝土柱都可以称为套管柱，外部套管的约束效应称为“套管效应”。外部套管可以采用碳纤维、玻璃纤维、复合材料、钢材等各种材料，但是最常见的还是钢套管混凝土柱。

钢套管混凝土柱是一种概念比较新颖的结构形式，其本身的受力机理比较特殊，并具有良好的承载性能。但是目前只有部分学者对钢套管混凝土柱进行了少量的研究[3-5]，研究的广度和深度都比较有限，在实际工程中也仅有少量的应用。虽然钢套管混凝土柱在研究和应用上都存在一定的不足，但是通过改进其构造形式，可以进一步提高其承载性能和施工的便利性，扩大其应用前景。课题组在传统钢套管混凝土柱的基础上对套管混凝土柱的构造形式进行了改进，并申请了专利[6,7]。本文即针对钢套管混凝土柱在构造形式上的新发展及其特点作简要介绍。

1 传统钢套管混凝土柱

传统的钢套管混凝土柱有两种形式：钢套管截断式和钢套管穿孔式。混凝土柱的截断式钢套管比内部的混凝土柱要短，这样造成的结果就是混凝土柱直接受压而不是钢套管，这就实现了钢管效应，体现了钢管的作用，如图1a)所示。图1b)为日本Sato等提出的钢套管穿孔式的混凝土柱。像这种穿孔式的钢套管混凝土柱，它的作用原理是：在柱端附近的钢管上开一排孔，使其形成薄弱部位，由于薄弱部位在承受压力后会提前屈服，这样可以一并减小钢管所承受的纵向压力，从而实现以套管的横向约束为主的套管效应。

尽管如此，钢套管截断式混凝土柱跟钢套管穿孔式混凝土柱都明显存在一些不可忽略的缺点：1)在钢套管部位，其截断和穿孔处部位承受的纵向压力会明显减小，然而不管是截断还是开孔都只是局限在局部，其他部位钢管与混凝土之间的粘结和附着还是很大，这就必然使钢管的中间部分仍然承受沿着高度分布不均匀的较大纵向压力作用；2)截断或者穿孔后的混凝土柱容易造成内部混凝土漏浆，大大增加了施工难度，使钢套管不能再用于浇筑混凝土柱的模板；3)截断后钢套管就不再是完整的个体，混凝土硬化之前不能再单独承受压力，也不能用于施工过程中的承重。这些缺点便限制了钢套管混凝土柱在建筑施工中的应用。

2 切槽式钢套管混凝土柱

为了克服传统钢套管混凝土柱的不足，更好地发挥和利用钢管的约束能力并且便于施工，提出了一种新的钢套管混凝土柱——切槽式钢套管，并为其申请了专利。这种切槽式的钢套管混凝土柱是在钢套管上加工多道切槽来实现套管效应。如图2所示，在钢管上切削出具有一定间距和一定深度的凹槽，切槽可以是多道环形的，也可以是整条螺旋形的；切槽的截面形状可以是直角矩形的，也可以是倒角梯形的；凹槽的深度略小于钢管厚度。

切槽式钢套管混凝土柱在竖向受压的开始阶段，钢套管和混凝土柱同时受压，但是在一个较小的荷载作用下钢套管的切槽处即被压屈并发生竖向的压缩变形，此后钢套管承受的竖向压力基本不再增加，增加的压力主要由中心的混凝土柱承受。因此钢套管相比钢管混凝土柱的钢管，仅承受较小的竖向压力，而主要对内部混凝土柱的膨胀变形起到约束作用，从而实现了套管约束的目的。

由于钢套管在切槽处没有截断，还有一定的厚度，能够承受一定的荷载，因此切槽式钢套管可以作为独立的构件与其他梁柱构件相连接，形成结构框架，并直接承受施工荷载。然后在钢套管的内部浇筑混凝土，此时的钢套管即作为浇筑混凝土的模板。混凝土硬化后与钢套管成为整体，最终形成切槽式的钢套管混凝土柱。切槽式钢套管混凝土柱的施工过程和便利程度类似于普通的钢管混凝土柱。

对比之前传统的钢套管混凝土柱，切槽式的钢套管有很多优点：1)在钢管上加工多道切槽，这样便使得钢套管的削弱作用更加充分，效果更加明显；2)在钢套管切槽处没被截断时可以用作混凝土制作的模板，而且切槽处的剩余承载力能够有效支撑钢套管在施工中的应用，因此没有增加在施工过程中的额外费用跟难度；3)像截断式的钢套管，主要被用于已建结构的加固，但是碍于施工上的难题在现浇结构中难以大范围应用，而切槽式钢套管混凝土柱则完全解决了截断式的问题，因此在现浇结构中可以广泛应用。

3 组合式钢套管混凝土柱

如前所述，切槽式钢套管混凝土柱具有较好的套管效应和良好的施工便利性，优点明显；但是也存在一些缺点，最主要的缺点就是加工难度较大。需要在数控车床上精确加工，成本较高，能够加工的直径和尺寸也有限。此外，切槽式钢套管只能与一定高度的混凝土柱相适配，当浇筑的混凝土柱的高度变化时，需要重新加工钢套管。

针对切槽式钢套管混凝土柱存在的问题，又提出了一种组合式钢套管混凝土柱的概念[7]，如图3所示。钢套管由外部的环状或螺旋状钢板箍和内部的薄壁钢管组成，钢板箍的内径与薄壁钢管的外径相同，两者套在一起后适当点焊连接即组合形成整体的钢套管。组合钢套管的分解如图4所示，内部的薄壁钢管主要起到施工时的支撑作用和浇筑混凝土的模板作用，壁厚可以根据需要进行调整，可厚可薄，可有可无；钢板箍套在薄壁钢管的外部，在竖向基本不受压力作用，因此主要对内部混凝土柱提供更充分、更强大的套管约束作用。

组合式钢套管混凝土柱具备切槽式钢套管混凝土柱的优点：内部薄壁钢管可以承重，并可以作为浇筑混凝土的模板；外部钢箍承受的竖向压力非常小，能够充分发挥对混凝土的约束作用；当用于加固工程时，可以进一步取消薄壁钢管，将钢箍直接包裹在既有混凝土柱上即可。同时组合钢套管的加工更简单，钢箍可以单独进行加工制作，不需要复杂的工艺和设备，简单方便，因此也更经济。此外，组合钢套管的钢箍数量和间距可以灵活调整，通过改变钢箍的个数就可以适配不同高度的混凝土柱，因此组合式钢套管混凝土柱在实际工程中的应用也更加灵活方便。

[1] Tomii M,Sakino K,Xiao Y,et al.Earthquake resisting hysteretic behavior of reinforced concrete short columns confined by steel tube[A].Proceedings of the International Specialty Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures[C].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,Tomii M,Sakino K.Experimental study on design method 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[A].Proceedings of JCI Annual Conference[C].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] 韩金生，孙其卧.切槽式钢套管混凝土柱[P].中国专利：CN202706331U，2013-01-30.

[7] 韩金生，楚克伟.一种组合式钢套管混凝土柱[P].中国专利：CN205012560U，2016-02-03.

[8] 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.

The new development of steel casing concrete column★

Sun Zongjun Chen Xiaojie*Han Jinsheng

(Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

In order to improve the casing effect of steel casing concrete column and the construction convenience, improved the structure of steel tube concrete column, proposed the structure type of groove type steel sleeve concrete column and combined steel tube concrete column, and elaborated the related concept and principle, discussed their advantages and disadvantages, provided theoretical basis for the research on similar problems.

steel casing concrete column, cutting groove, casing effect, stress mechanism

1009-6825(2016)34-0037-03

2016-09-22★：青岛市建设科技计划项目(项目编号：JK2014-15)

孙宗军(1976- )，男，副教授； 韩金生(1978- )，男，副教授

陈小洁(1990- )，女，在读硕士

TU375.3

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