不锈钢管混凝土轴压短柱承载性能研究综述

周宇航， 杨 璐， 张文学， 代 鹏

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

不锈钢管混凝土轴压短柱承载性能研究综述

周宇航， 杨 璐， 张文学， 代 鹏

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

钢管混凝土柱因其具有承载力高、塑性好、稳定性强、施工方便等优点，在实际工程中得到了广泛的应用。而不锈钢管混凝土结构由钢管混凝土结构发展而来，兼有不锈钢材料和普通钢管混凝土的优点，具有良好的力学性能和耐久性能，在海洋环境、腐蚀环境等对耐久性和美观性要求较高的建筑结构中具有较好的应用前景。文章回顾了对普通钢管混凝土轴压短柱的研究，对不锈钢管混凝土轴压短柱的研究进行了调查和分析，在此基础上对不锈钢管混凝土柱的进一步研究工作进行了探讨和展望。

不锈钢管混凝土； 轴心受压； 承载性能

我国目前正处于改革发展的重要时期，随着现代化超高层建筑、大跨桥梁工程、大型水利、海岸港口工程的大量修建，建筑工程的综合效益要求也愈加严格。相比钢筋混凝土结构，钢管混凝土的组合结构在相同的截面尺寸下拥有更大的承载力、更好的耐久性和稳定性，并且可以减少模板的搭建从而节省施工的经济成本和时间成本。从性能、经济、发展潜力等方面考虑，钢管混凝土结构在高层、超高层建筑结构中具有广阔的应用前景。

不锈钢是指至少含有10.5 %铬的防腐蚀合金钢，与普通钢材相比，不锈钢具有抗腐蚀性能强、耐久性好、外表美观、延性好、耐火性能好以及抗冲击和疲劳性能好等优点。因此已经有不少作为结构构件应用于土木工程的实例，如马来西亚首都吉隆坡的双子塔(图1(a))表面使用了大量的不锈钢装饰；卡塔尔新多哈国际机场(图1(b))波浪形屋顶是目前世界上最大的不锈钢屋顶，不锈钢的耐腐蚀性使屋顶能够抵抗临近海边的腐蚀性空气。

不锈钢管混凝土结构兼有不锈钢材料和钢管混凝土的优点，且具有良好的力学性能和优越的耐久性能，在海洋环境、腐蚀环境等对耐久性和美观要求较高的建筑结构中具有较好的应用前景。但由于不锈钢材料造价高、性能研究不充分等原因在一定程度下限制了不锈钢管混凝土结构在工程中的广泛应用，其力学性能与普通钢材相比也有较为明显的差异(图2)，所以需要进一步研究不锈钢管混凝土结构。

本文在回顾钢管混凝土轴压短柱承载性能研究进展的基础之上，对国内外不锈钢钢管混凝土轴压短柱的研究成果进行了总结，并对不锈钢管混凝土轴压柱的进一步研究提出了探讨和展望。

(a) 吉隆坡双子塔

图2 不锈钢与碳素钢的典型材料性能曲线

1 钢管混凝土柱的研究回顾

1987年，钢管混凝土柱在美国开始作为承重结构而应用到房屋建筑中。20世纪60年代，钢管混凝土因其更加优越的经济性在苏联、西欧、日本等发达国家开展相关研究，20世纪80年代，泵送混凝土工艺的成熟促进了钢管混凝土在世界范围内的研究和应用。钢管混凝土结构不仅具有良好的承载性、稳定性和延性，适用于复合结构，且用料经济、施工速度快，降低了工程成本。

表1对现有关于钢管混凝土轴心受压短柱的部分研究进行了总结。

从表1中可以看出：钢管混凝土轴压构件有着良好的承载性能，学者们研究截面形式、构件参数、加强因素等对构件承载性能影响的成果日益积累，并在构件设计方面进行了深入的探索与研究。因钢管混凝土拥有良好的受力性、功能性、经济性和施工性，在大跨桥梁、高层建筑等大型土木工程中发挥了重大作用。

2 不锈钢钢管混凝土轴压短柱的研究现状

2.1 现有研究总结

2004年，在澳大利亚举行的第18届结构和材料力学会议上，Roufegarinejad A、Uy B、Bradford MA等人首次提到将不锈钢用于钢管混凝土结构中。

表1 钢管混凝土轴压短柱研究成果汇总

2006年，Young B和Ellobody E[8]进行了5组方形和矩形截面的不锈钢管混凝土短柱轴压试验，并利用ABAQUS有限元软件进行了模拟，通过参数分析提出美国和澳大利亚钢管混凝土设计规范承载力设计公式的修正公式。

1）施肥比例失调。根据实地调查看，偏施氮肥、磷肥，轻施钾肥和中、微量元素肥的情况比较普遍，造成果园土壤养分失调，不利于产量和质量的提高。

2008年，Lam D和Gardner L[9]通过进行圆形和方形截面不锈钢管混凝土轴压短柱试验研究和各计算公式结果对比研究发现：现有钢管混凝土柱设计公式应用于不锈钢管混凝土柱偏向保守；连续强度理论因为能够对不锈钢管的承载力进行相对准确的预估，所以能够相对准确地预估不锈钢管混凝土的承载力。

2009年，廖飞宇[10]分析了不锈钢管混凝土轴压构件的有限元模型，结果表明与普通钢管混凝土相比，不锈钢管混凝土轴压构件具有更高的极限承载力和更好的延性。

胡成玺[11]通过有限元模拟与不锈钢管混凝土结构进行对比，结果表明：构件尺寸相近的不锈钢钢管混凝土柱，只有在具有足够的刚管壁厚时，才可以使两种材料的强度得到充分发挥，刚管壁厚太小会造成混凝土强度的浪费；不锈钢管混凝土组合柱内填充普通强度等级的混凝土产生的组合效益好，而内填高强度等级的混凝土时，不仅组合效益不明显，反而使柱的变形能力降低，更容易发生脆性破坏，使结构安全性降低。

2011年，查晓雄、宫永丽[12]对两种不同截面尺寸的不锈钢管混凝土短柱进行了轴压力学性能试验，并利用ABAQUS有限元软件进行模拟分析。结果表明：不锈钢管混凝土轴压构件与普通钢管混凝土构件的破坏形态类似，荷载-位移曲线弹性阶段的刚度比普通钢管混凝土低，曲线较早进入非线性阶段，不锈钢管混凝土具有更好的延性，并且在加载后期承载力曲线达到峰值点后又出现了上升的趋势。

Tao Z、Uy B[13]等人通过方形不锈钢管混凝土轴压短柱的有限元非线性分析发现，由于不锈钢材料表现出优秀的应变硬化特性，不锈钢管混凝土比普通钢管混凝土短柱的极限承载力有所提高；约束作用系数ξ可以用来预估方形不锈钢管混凝土柱的轴压性能。并通过回归分析提出了计算方形不锈钢钢管混凝土柱极限应变和极限承载力的简单计算公式。文献[14]通过不锈钢管混凝土短柱轴压试验研究和与现有普通钢管混凝土短柱设计方法对比研究发现：相比普通钢管混凝土，不锈钢管混凝土柱具有更好的延性和更高的残余强度；即使只有钢管截面受到轴向荷载，内填混凝土的钢管相比空钢管强度也有所提升；组合短柱的延性在压弯状态下有明显的提升，钢管混凝土柱的承载力和稳定性被核心混凝土加强。

2013年，陈誉[15]等人对热成型不锈钢圆管混凝土短柱轴向作用下承载性能进行试验研究，发现不锈钢管圆管混凝土短柱的高径比越大，试件的延性越好；随着钢管壁厚的增大，试件的延性和轴压承载力也有所提高；不锈钢管混凝土与普通钢管混凝土相比，钢管约束效应系数有一定的提高。

通过上述研究工作发现，钢管混凝土柱作为钢-混凝土组合结构中重要的部分已经在实际工程中发挥着重要的作用，而不锈钢管混凝土组合柱尚未能在工程中进行大面积推广和应用。相比较之下其两者不同之处主要在于：

(1)对于碳素钢管混凝土结构，各国学者已有上百年的研究历史，对其结构性能有着较成熟的了解和掌控。而不锈钢材料较碳素钢的特性有着较大出入，其非线性特性带来的设计复杂性以及国内相关规范的不成熟，在一定程度上限制了不锈钢材料在工程中、在不锈钢管混凝土组合结构中的广泛应用。

(2)不锈钢材料具有表面光滑、耐腐蚀性强等优势，钢材和混凝土的相互作用关系在不锈钢管混凝土和普通钢管混凝土中固然不同。在目前研究中，学者或利用叠加原理或利用统一原理进行截面承载力设计，普通钢管混凝土柱截面承载力设计公式是否适用于不锈钢管混凝土柱未得到进一步研究的验证。

3 结束语

本文总结介绍了近些年学者对不锈钢管混凝土轴心受压短柱的研究现状，并对不锈钢管混凝土和普通钢管混凝土结构的差异做了一定分析。随着不锈钢管混凝土组合结构的不断研究和发展，必将充分发挥这种组合结构的优势，在工程建设中扮演重要的角色。通过现有研究的分析，以下几方面值得关注：

(1)根据目前研究成果显示，大部分学者研究对象都是1～4mm薄壁不锈钢管混凝土结构，其尺寸也相对较小，导致破坏时外部钢管爆裂，与实际情况有一定差距。建议有条件的学者可以适当增加不锈钢管的壁厚和不锈钢管混凝土短柱的尺寸以达到实际工程中所相应的工况，从而得到更真实有效的试验成果。

(2)不锈钢钢管混凝土柱轴压短柱承载力计算公式尚未明确，目前研究多与外国钢混组合结构计算公式或国内理论研究公式进行比较，故在设计中很难较为准确的进行控制极限承载力，为不锈钢管混凝土结构的应用带来阻力。解决途径建议：一方面可以进一步加强不锈钢材料应力-应变曲线的精确化和有效化；另一方面可以在承载力计算公式中添加不锈钢管-混凝土组合作用承载力提高系数项或是约束混凝土承载力提高系数的优化。

(3)不锈钢材料表面光滑，对不锈钢管混凝土轴压短柱中界面粘结性能的研究较少，其两者之间的组合作用很难被定义，通过相关试验进一步了解界面粘结性能从而可以更深层次认识到两部分相互作用关系。

建议学者在不锈钢管混凝土轴压短柱的后续研究中，对以上三个方面的问题进行更为深入的研究和探索，从而可以更加准确地揭示不锈钢管混凝土轴压柱的承载性能。

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[15] 陈誉,李凤霞,王江. 热成型不锈钢圆管混凝土轴压短柱受力性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2013(2):106-112.

北京市科技新星计划(编号：2016117)

周宇航(1991～)，男，硕士研究生，主要从事钢结构研究；杨璐(1982～)，男，工学博士，副教授，主要从事钢结构、组合结构和施工技术研究；张文学(1975～)，男，工学博士，副教授，主要从事桥梁抗震及体系优化研究；代鹏(1994～)，男，硕士研究生，主要从事钢结构研究。

TU528.59

A

[定稿日期]2017-04-14