薄壁钢管约束超高强混凝土柱性能研究

摘 要：随着科技的不断进步，对承载力的要求也越来越高，其钢管混凝土这种结构形式也越来越受到重视，为了探索钢管混凝土的潜力，提高钢管混凝土的强度、减少用钢量，把新技术、新材料运用到组合结构的新领域。

关键词：薄壁方钢管-圆钢管；超高强混凝土；力学性能；研究设想

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.102

1 研究现状

随着现代土木工程结构技术的不断发展，建筑形式逐渐向高层、大跨、轻量化等方向扩展，结构对混凝土强度的要求也越来越高。在我国，一般认为强度等级C50以下的混凝土为普通强度混凝土，C60～C90的混凝土为高强混凝土，C100及以上的混凝土为超高强混凝土。与普通中低强度混凝土相比，超高强混凝土可以有效地减轻结构自重、增大使用空间、大量减少材料用量及工程造价、减少能耗，具有很大的应用价值。但是随着混凝土强度等级的提高，混凝土的脆性越来越大，延性也越来越差。尤其对于超高强混凝土，在压力作用下，峰值应变与极限应变基本重合，应力-应变曲线几乎没有下降段，导致超高强混凝土更容易发生脆性破坏[1]。为了避免在超高强混凝土发生脆性破坏，充分利用其优势，可采用薄壁钢管与超高强混凝土组合的结构模式，将薄壁钢管和超高强混凝土的优势结合，充分利用超高强混凝土的高抗压性能和薄壁钢管的抗拉变形能力，大幅度提高薄壁钢管约束超高强混凝土构件的承载力和延性，进一步推动超高强混凝土在土木工程中的应用。

目前国、内外规范中尚无有关专门针对薄壁钢管混凝土柱设计及施工的规定。但是，对薄壁钢管混凝土的研究工作才刚刚起步，各方面的研究还非常不成熟，需要进一步做大量的理论分析和实验研究，对其进行不断的完善。

钢管混凝土结构大多用于高层和超高层建筑作为承重柱，主要承受轴力作用为防止因为焊接引起厚壁钢管发生层状撕裂，考虑采用高强薄壁钢管，并且在钢管混凝土工程中采用薄壁钢管，可以减少钢材用量，减轻焊接工作量，达到降低工程造价的目的[2]，同时钢管约束作用，使得钢管在施工过程中可以充当混凝土的模板，免去拆除模板的工序，提高施工效率。

随着科技的不断进步，混凝土结构高度和跨度的不断增加，混凝土材料科学已经发展到了一个新的高度，从我国可持续发展的基本国策和建设节约型社会的要求来看，超高强混凝土的应用不仅能够减少混凝土的用量，经济效益可观，而且可节约大量不可再生的宝贵资源，降低能耗，减轻对环境的污染，社会效益显著。可见，提出应用超高强混凝土是符合社会经济发展的，也是符合我国国情需要的，同时更加符合技术进步的需要。

但是，随着混凝土强度等级的提高，混凝土的脆性越来越大，构件的延性也越来越差，为了改善超高强混凝土容易发生脆性破坏的弱点。同时，对于薄壁空心钢管来说，它的承载力极其不稳定，且对局部缺陷非常敏感，容易发生屈曲失稳破坏[3]。针对上述问题，提出应用薄壁钢管对超高强混凝土进行约束，不仅能从根本上改变构件在整体结构中的受力机制，延缓混凝土受压时的纵向开裂，同时也能够充分利用混凝土的高抗压性能和钢材的抗拉性能，使得超高强混凝土的作用延缓薄壁钢管的局部失稳，其相互作用改善其自身缺陷，从而大幅度超高强混凝土构件的承载能力和延性。

2 研究内容

（1）收集资料。收集国内外关于薄壁钢管的应用现状，及超高性能混凝土的应用及配比情况的相关研究和试验资料，合理设计试验方案，保证项目研究内容处于国内外领先水平；

（2）薄壁方钢管-圆钢管约束超高强混凝土柱轴心受压性能研究。

从试验和理论两个方面对薄壁方钢管-圆钢管约束超高强混凝土柱轴心受压性能进行研究。

①试验研究。考虑不同薄壁方钢管壁厚、不同超高强混凝土强度等级、不同挖空率和内置圆钢管壁厚等参数的影响，设计轴心受压组合柱的试验方案，观察其破坏模式，分析其工作机理、给出试验过程的荷载-应变曲线、荷载-位移曲线等，从而确定试验研究情况下各种参数影响的轴心受压承载力。

②理论研究。根据薄壁方钢管和圆钢管的受力特点以及超高强混凝土的力学性能，从理论上建立薄壁方钢管-圆钢管超高强混凝土轴心受压承载力计算公式和变形计算公式，并将理论结果与试验结果进行对比。

（3）薄壁方钢管-圆钢管约束超高强混凝土柱偏心受压性能研究。

①试验研究。考虑不同薄壁方钢管壁厚、不同超高强混凝土强度等级、不同挖空率、内置圆钢管壁厚和不同偏心距等参数对偏心受压构件的影响，从而设计偏心受压组合柱的试验方案，觀察其破坏模式，分析其工作机理、给出试验过程的荷载-应变曲线、荷载-位移曲线等，从而确定试验研究情况下各种参数影响的偏心受压承载力。

②理论研究。根据薄壁方钢管和圆钢管的受力特点以及超高强混凝土的力学性能，并参考偏心受压理论，从理论上建立薄壁方钢管-圆钢管超高强混凝土偏心受压承载力计算公式和变形计算公式，并将理论结果与试验结果进行对比。

（4）薄壁方钢管-圆钢管约束超高强混凝土柱受弯性能研究。

①试验研究。考虑不同薄壁方钢管壁厚、不同超高强混凝土强度等级、不同挖空率和内置圆钢管壁厚等参数的影响，设计研究组合柱受弯性能的试验方案，观察受弯作用情况下，组合柱的破坏模式，分析其工作机理、给出试验过程的荷载-应变曲线、荷载-位移曲线等，从而确定试验研究情况下各种参数影响的组合柱受弯性能。

②理论研究。根据薄壁方钢管和圆钢管的受力特点以及超高强混凝土的力学性能，并参考构件受弯性能理论，从理论上建立薄壁方钢管-圆钢管超高强混凝土柱受弯构件的承载力计算公式和变形计算公式，并将理论结果与试验结果进行对比。

参考文献：

[1]刘连鹏.圆钢管约束型钢超高强混凝土短柱轴压受力性能研究[D].大连理工大学，2015.

[2]张翔.薄壁钢管混凝土梁柱力学性能试验研究[D].浙江大学， 2010.

[3]金周.薄壁钢管混凝土短柱基本力学性能研究[D].华侨大学， 2008.

作者简介：哈娜（1981-），女，辽宁沈阳人，博士生。