浅谈钢管砼柱研究现状

李旭东

摘 要： 近年来，我国各类建筑工程中都大量地用到了钢管混凝土，并取得了良好的经济益。钢管混凝土结构的力学性能优越，在受力过程中，一方面混凝土由于外包钢管的约束，抗压强度和塑性性能都得到了提高;另一方面钢管由于内填混凝土的侧向支承，屈曲刚度和稳定性也得到了提高。由此可见，钢管混凝土结构充分发挥了钢管受拉性能好和混凝土抗压性能好的优势，作为一种性能优越的结构构件，钢管混凝土结构有着广阔的发展空间。本文将从钢管混凝土新的截面形式、新材料的应用、新的结构形式以及钢管混凝土新的研究方法等方面介绍钢管混凝土的一些新的研究内容，从而阐述钢管混凝土的研究和应用过程中发现和需要解决的一些问题。

关键词： 钢管混凝土;研究现状;研究方法;发展中的问题

【中图分类号】TU391     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.29.235

1 引言

与钢筋混凝土结构及钢结构相比，钢管混凝土结构力学性能方面的优越性主要源于两种材料之间的相互作用。一是钢管内混凝土的支撑作用防止钢管壁发生向内屈曲，提高了钢管壁的承载力;二是钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土在荷载作用下处于三向应力状态，从而混凝土抗压强度得到大大提高。钢管混凝土组合结构的运用，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的优点，研究表明两种材料的组合结构承载力大于它们各自承载力之和。作为竖向承重结构，钢管混凝土柱具有下列优点：

（1）承载力高。钢管混凝土构件在受力过程中，由于钢管和混凝土的相互作用，延缓其受压时的纵向开裂，有效避免了钢管过早的发生局部屈曲，使其承载力得到提高，一般高于钢管和混凝土两种材料单独承受荷载时的极限承载力的叠加。

（2）韧性和脆性好。混凝土的脆性通常比较大，随着强度越高表现越明显。

（3）抗震性能好。由于钢管对混凝土的约束作用，使核心混凝土脆性得到改善，塑性变性能力大幅度提高，同时内填的混凝土避免的钢管向内屈曲，使钢管混凝土柱在地震荷载作用下承载力、刚度高和耗能能力高，延性好、刚度退化小。

（4）耐火性能好。主要体现在火灾作用时具有优越的抗火性和火灾作用后具有很好的可修复性。

（5）便于施工。钢管混凝土柱在核心混凝土浇筑前，钢管本身可兼做支撑体系，承受上部施工荷載，减少了支、拆模以及钢筋的架立和绑扎的过程，使其比钢筋混凝土结构的施工简便得多。

（6）经济效果好。钢管混凝土结构作为一种组合构件，可以很好的发挥钢材和混凝土两种材料的力学特性，使各自优点得到充分和合理的发挥。

但是钢管混凝土也存在着不足，这些不足会限制其在工程中的应用。

（1）在循环荷载（地震作用）作用下，钢管柱端容易发生局部屈曲，使得内部混凝土过早被压碎，造成结构的局部破坏。在高轴压比作用下，破坏效果更加的明显。

（2）钢管混凝土柱中钢管既承受轴向作用，同时也起着约束混凝土的作用，考虑到钢材基本为各向同性的材料，在轴力的作用下屈服的时候，其对混凝土的约束会大大减弱，从而导致混凝土的抗压承载力大大降低

（3）在钢管混凝土结构中，梁柱节点的连接十分复杂，在国外，普遍的做法是在节点使用经过特别设计的钢梁;在国内，通过钢板以及螺栓和焊接来连接钢管混凝土柱和钢梁。

（4）钢管和混凝土在轴压荷载作用下，横向变形系数不同，这会导致二者在受力过程中脱离，大大降低构件的承载性能阵。

2 钢管混凝土柱的新截面形式

2.1 传统截面形式

钢管混凝土柱的常见截面形式有：圆形钢管混凝土柱、矩形钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱。

2.1.1 圆钢管混凝土柱

圆钢管混凝土柱在高层建筑中应用广泛，其承载力高、抗震性能好、施工方便。国内外对圆钢管混凝土柱的抗震性能进行了较为深入的研究，主要参数为：轴压比，径厚比，套箍指标，钢材强度，混凝土强度等。

研究结果表明：

（1）圆钢管对管内混凝土有较好的约束作用，增大壁厚（减小径厚比），提高管内混凝土的套箍指标，圆钢管混凝土短柱轴心受压的力-位移曲线有较长平台段，位移延性好;

（2）在轴压力作用下的水平力-位移滞回曲线饱满，耗能能力强;

（3）提高钢材和混凝土强度，能有效提高圆钢管混凝土柱的轴压和抗弯承载力。

2.1.2 矩形钢管混凝土柱

矩形钢管混凝土柱具有构造简单、节点连接方便、抗弯性能好、施工便捷等优点，在高层建筑中的应用较为广泛。国内外对方钢管混凝土柱的抗震性能进行较为深入研究，主要参数为：轴压比，矩形钢管的长宽比，钢管壁板宽厚比，长细比，钢材强度，混凝土强度等。

研究结果表明：

（1）轴压比对方钢管混凝土柱的抗震性能影响较大，轴压比增大时抗震性能变差，抗震设防地区的工程结构采用方钢管混凝土柱时，混凝土分担的荷载大小应满足相关规范的限值要求，以保证框架柱的抗震延性需求;

（2）提高钢材强度，或增加钢管壁厚，即减小钢管壁板宽厚比，有利于提高其水平承载力;

（3）宽厚比对钢管壁局部屈曲影响较为明显，减小宽厚比能推迟钢管壁板屈曲以及减小屈曲范围;

（4）矩形钢管混凝土柱截面的长宽比增大，其延性降低;

（5）混凝土强度等级越高，延性相对越差;

（6）长细比对刚度影响较大，对方钢管混凝土柱的弹性段和强化段影响明显。

矩形钢管对核心混凝土的约束作用不如圆钢管显著，但是矩形钢管混凝土结构既有钢结构的塑性变形能力强、延性好、抗震性能优良等特性，又克服了圆钢管混凝土结构由于截面形状特殊带来的设计、施工及使用上的不便，具有抗弯刚度大、节点连接方便的优点。因此，矩形钢管混凝土结构在高层及超高层建筑中具有很好的应用前景，现已受到国内外工程领域的普遍重视。

2.1.3 钢骨混凝土柱

相比钢筋混凝土柱，钢骨混凝土 （也称型钢混凝土柱）具有更高的承载力和更好的抗震性能，解决了超高层建筑底部由于轴压力大致使钢筋混凝土柱截面尺寸过大的问题。

研究结果表明：

（1）相比钢筋混凝土柱，钢骨混凝土柱的承载力、延性、耗能能力等有明显提高;

（2）引剪跨比小于 1.5时，钢骨混凝土短柱以斜压破坏为主;剪跨比介于 1.5-2.5时，以剪切勃结破坏为主，剪跨比大于 2.5时，以弯曲破坏为主;

（3）钢骨混凝土柱的滞回曲线饱满，具有较好的耗能能力;轴压比增大，骨架曲线下降变陡，承载力衰减加快，耗能能力减弱，塑性变形能力与延性变差;

（4）含钢率或配骨率提高，承载力增大，且承载力退化减慢;

（5）增大体积配箍率，塑性变形能力增强，延性提高;

（6）采用八角箍比井字复合箍更能有效约束混凝土、提高钢骨混凝土柱的延性。

2.2 具有加强措施的钢管混凝土柱

试验研究表明，圆钢管能够对混凝土提供环向均匀约束，约束作用较强，而矩形钢管混凝土柱在外力作用下，矩形钢管对核心混凝土的约束主要集中在四角区域，且长边钢板对核心混凝土的约束作用小于短边，由此可见矩形钢管的约束效应较小，约束效果显然不如圆钢管，使得矩形钢管混凝土柱的承载力较低。这使得矩形钢管混凝土在实际工程中的应用受到了一定程度的阻碍。

因此，有必要提出一些改善矩形钢管混凝土受力性能的措施，充分发挥其潜在的承载力。

这些加强措施主要包括设置约束拉杆、设置加劲肋、设置角部隅撑、设置栓钉和设置内管等。

2.2.1 带约束拉杆

带约束拉杆钢管混凝土是在钢管混凝土柱截面中沿纵向或横向每隔一定间距设置约束拉杆（钢筋），约束拉杆端部采用螺栓连接。受力时，约束拉杆为钢管提供横向弹性约束支撑，两者共同协调对核心混凝土产生约束作用，延缓和减小钢管壁向外的屈曲变形，从而承载力、塑性变形能力、稳定性以及韧性等受力性能得到很大的改善。

2.2.2 设置加劲肋

设置加劲肋是一种通过在钢管混凝土周边中点处设置加劲肋的形式予以加强的新构造措施。这种新型组合柱具有预期的高强度和高延性，但缺点是耗钢量增加，焊接工作量大。其截面形式如图所示。

2.2.3 设置角部隅撑

设置角部隅撑是一种通过在两个槽钢角部焊接斜拉杆后以焊缝拼接而成型的钢管混凝土改善措施，施斜拉杆的焊接点均在边长的三分点。该种措施可以在方形钢管的角部形成一个很强的刚域，钢管对核心混凝土的约束在角部明显加强，能明显提高构件的承载力和延性。但周边截面中部对核心混凝土的约束作用仍较弱，且拉杆内置斜放也会给施工带来一定困难且质量不容易保证。

2.2.4 设置栓钉

在方形钢管混凝土柱的周边均匀设置焊接栓钉来增强钢管对核心混凝土的约束作用。这种加强形式增强了截面四边对核心混凝土的约束作用，延緩了钢管壁的局部屈曲，在一定程度上提高了构件的承载力，但栓钉的焊接工作量较大，且质量不容易保证。

3 钢管混凝土的新材料应用

3.1 FRP钢管混凝土

目前 FRP 约束钢管混凝土构件的类型主要包括 FRP 钢管混凝土和 FRP-混凝土-钢管构件。二者主要的区别为 FRP和钢管之间是否有混凝土夹层。FRP 钢管混凝土指的是 FRP 材料直接裹在钢管混凝土构件表面，形成整体，共同受力。该型组合柱的优势十分的明显：在施工的过程中，施工所产生的荷载可以很好的由内钢管承受，节约模板;在使用过程中，一方面，钢管和混凝土的相互作用，构件具有较强的抗剪强度、良好的延性、以及优秀的抗震性能，另一方面，由于混凝土受到钢管的约束作用，使得构件的承载力得到较大的提高。构件的外侧有 FRP材料，可以防止构件的抗腐蚀性能，由于FRP材料具有良好的耐火性能，且 FRP布轴向刚度较小，仅仅考虑其对混凝土提供的环向约束作用，当火灾发生时，使得构件具有良好的耐火性能。

FRP-混凝土-钢管组合构件由外层纤维增强聚合物（FRP）、内层钢管以及二者之间的混凝土构成。目前，对 FRP-混凝土-钢管组合空心柱的研究有许多，混凝土以及钢管由于两者的相互约束，使得两者都能充分发挥各自的性能，使得构件的强度以及延性得到大大的提高，钢管径厚比、混凝土强度、FRP的强度以及层数对构件的影响很大。

3.2 耐火钢材钢管混凝土

虽然钢材和混凝土都属于非燃烧型材料，但都不耐火，尤其是钢材。普通钢材的强度和弹性模量对温度十分敏感，随着温度升高发生很大变化。350℃以上时普通结构钢的屈服强度低于其室温屈服强度的 2/3， 500℃时普通结构钢的屈服强度将降到其室温屈服强度的一半，而温度达到 600℃时则基本丧失了承载力。

目前，建筑防火设计主要有两种方式，其一是采用防火涂料进行耐火保护，包括膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料。但采用防火涂料进行耐火保护具有以下缺点：膨胀型防火涂料具有良好的外观，通常适用于设计耐火极限不超过 1.5h的钢构件，且其耐久性问题还有待进一步验证;非膨胀型防火涂料需要湿法作业施工和较长的养护周期，在运输和安装中极易损坏，还可能危害工人健康，而且防火涂层还会降低建筑物的有效使用空间，喷涂施工过程中的飞溅物还会环境污染。

另外一种防火设计方式则是使用耐火钢。耐火钢的室温力学性能以及其他质量指标均满足普通建筑用钢的使用要求，且 600℃时的屈服强度高于其室温屈服强度的 2/3，弹性模量在 700℃时还能保持其室温时的 75%以上。耐火钢的应用，可以改善钢结构和组合结构在火灾下的承载性能，增强建筑结构抵抗火灾的能力，显著减少建筑物的防火涂层厚度，使不用防火涂层的建筑成为可能，降低工程综合造价。

4 结论与展望

正是由于钢管混凝土比起传统钢筋混凝土有着许多的优势，在工程实践中得到了广泛的应用。随着研究和应用的开展，钢管混凝土的一些问题暴露了出来，由此一些解决方案和新的应用方向引起了人们的研究关注，并取的了一些研究进展。

本文通过介绍钢管混凝土近年来遇到的问题，从新的截面形式、新材料的应用、新的结构形式、新的研究方法等方面综合阐述了钢管混凝土的一些研究现状和进展。从本文中阐述的研究进展来看，矩形钢管混凝土土柱约束的问题，FRP、耐火钢材、再生混凝土和自密实混凝土等材料在钢管混凝土中的应用，钢管混凝土在结构体系中结构形式的应用。

管混凝土研究的一些热点，并使得钢管混凝土的某些性能进一步提升，使其有了更加广阔的应用前景。

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