关于对钢管混凝土设计理论与试验方法的研析

林康

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

0 引言

由于钢管混凝土(concrete-filled steel tube, CFST)具有承载力高、抗震性能优异、施工简便等优点，其在大跨度及超高层领域已有许多工程实例应用，如图1 所示。钢管混凝土通过钢管与核心混凝土的组合作用来发挥各自的材料优势，外包钢管约束核心混凝土的受压膨胀，而核心混凝土又反过来延缓钢管因内陷式局部屈曲而导致的失稳破坏，从而显著提高钢管混凝土的承载力和延性。另外，在施工阶段，钢管可以作为混凝土浇筑的模板，从而省去拆摸、支模工序，缩短施工周期，提高施工效率。

图1 钢管混凝土的工程实例应用

过去几十年里，学者们对钢管混凝土的力学性能、抗震性能、耐火性能和韧性性能等开展了大量的试验研究和理论分析。以往研究表明，建立钢管混凝土设计理论的核心在于如何准确评估钢管和核心混凝上之间的组合效应，这也决定了钢管混凝土受力机理分析的复杂性。因此，已有的理论研究往往需要借助某些理想化假定，且常规的试验研究也只能得到钢管混凝土整体所承担的荷载，无法直接得到钢管和核心混凝土的全过程内力分配情况，使得试验研究无法为精细化的理论研究提供可靠指导。总结来说，不同学者对钢管混凝土中钢管与核心混凝土组合效应的复杂性和全过程轴压受力机理的认识不尽相同，致使无法对其进行统一的标准化设计。

为了充分认识钢管混凝土的受力机理，形成实用、真实合理的研究和设计方法，本论文基于目前已提出的“钢管混凝土统一理论”和“极限平衡法理论”，分析钢管混凝土构件的设计和计算方法要点，并提出一种可直接量测钢管混凝土中内力分量的试验方法，为钢管混凝土设计理论的精细化研究提供思路和可行建议。

1 相关理论研究

1.1 钢管混凝土统一理论

按照截面形式的不同，钢管混凝土通常可分为圆形钢管混凝土、方形或矩形钢管混凝土以及异形钢管混凝土，而后又经由优化设计，其截面形式由实心构件发展至空心构件，如图2 所示。钟善桐教授团队在前人研究的基础上，提出了适用于不同截面形式、不同受力状态下的“钢管混凝土统一理论”[1]。

图2 各种截面形式的实心（a-c）和空心（d-f）钢管混凝土柱

以受压构件为例计算方法如式（1）、式（2）所示。

式中：N，M，T，V 分别是构件所受的轴向压力，弯矩，扭矩和剪力；N0，M0，T0，V0分别是构件的轴向压力，弯矩，扭矩和剪力设计承载力；NE——欧拉临界力，NE=3.1416EscmAsc/λ；λ——构件的长细比；βm——等效弯矩系数，按钢结构设计规范采用；Asc——横截面面积，实心、空心构件不同；fsc——钢管混凝土构件的轴压强度设计值；φ——实心圆钢管混凝土轴压构件的稳定系数，其他截面取ksφ，ks取值可参考相关文献[1]。

可以看出，为了便于指导相关实践，该理论简易化地将钢管混凝土视为一种组合材料（单一材料），其承载力按统一形式的公式进行设计，不区分钢管和核心混凝土，忽略了钢管与核心混凝土在受力全过程中存在的复杂受力行为和破坏机理；另外，该理论的提出是基于实心钢管混凝土的，其对空心钢管混凝土的适用性有待进一步考究。

1.2 极限平衡法理论

蔡绍怀教授认为钢管和核心混凝上之间的组合作用归功于钢管对核心混凝土的套箍效应，这使得钢管混凝土的承载力和延性大为提高。因此，蔡绍怀教授在分析钢管混凝土的组合作用时引入“套箍系数θ”，并建立了“极限平衡法理论”[2]，对后续相关研究工作有一定借鉴意义。

以轴压钢管混凝土为例：

（1）套箍系数。

式中：As和fs分别是钢管的横截面面积和屈服强度，Ac和fc分别是核心混凝土的横截面面积和抗压强度。

（2）钢管混凝土轴压承载力按式（4）、式（5）计算。

实际应用时，当θ＞1，公式可简化为式（6）。

由式（6）可知，该理论通过引入套箍系数θ 来考虑钢管与核心混凝土的组合作用，套箍系数越大，钢管混凝土的轴压承载力的提高幅度越大，强度与套箍系数呈正相关。以往研究表明[3-5]，钢管在屈服后（极限状态）仍能继续有效约束核心混凝土，而“极限平衡法理论”在考虑套箍系数θ 时仅以钢管屈服强度fs为限值，后续研究有必要对钢管的屈曲后行为和其他因素的影响进行更为深入的分析。

2 试验研究方法

2.1 概述

由以上分析可知，无论是“钢管混凝土统一理论”还是“极限平衡法理论”，两者对钢管混凝土中钢管与混凝土组合效应的复杂性和全过程轴压受力机理的认识不尽相同，致使无法对其进行统一的标准化设计。此外，常规的试验研究也只能得到钢管混凝土整体所承担的荷载，无法直接得到钢管和混凝土的全过程内力分配情况，试验研究无法为精细化的理论研究提供可靠指导。因此本文提出如下可直接量测钢管混凝土中轴力分量的试验方法，为钢管混凝土设计理论的精细化研究提供思路和可行建议。

2.2 试验研究方法及可行性分析

本文所提出的钢管混凝土轴力分量量测的试验方法如图3 所示。试件包括单边有面板的外包钢管、核心混凝土以及力测量装置组成，见图3（a）。为实现轴力量测目的，把试件划分为上、下两个组成部分：也就是下部的钢管混凝土试验段，包括试验段外包钢管和核心混凝土；上部的轴力量测段，由量测段外包钢管和力测量装置组成。量测段外包钢管由内壁口径与试验段外包钢管的外壁口径一致的钢管焊接在试验段外包钢管上部而成。通过预先设计量测段外包钢管的壁厚和力量测装置的尺寸，使两者在加载过程中始终处于为弹性阶段，避免钢材进入屈服阶段而影响量测结果的精度。在安装力量测装置前，可以在其中部布设应变传感器，通过反复轴压来标定出力量测装置的弹性段轴力-轴向平均应变关系，如图 3（b）~（c）所示。

图3 钢管混凝土轴力分量量测的试验方法

加载过程中，可以利用力量测装置所测的实时轴向平均应变数据和标定出的轴力-轴向平均应变关系来计算出核心混凝土所承担的轴压力，并进一步直接得到钢管的轴力分量，以此达到本文试验方法的目的。值得注意的是，混凝土浇筑完成后，安装力量测装置时应提前在核心混凝土上平铺一层高强无收缩材料，确保二者之间的应力传递更加均匀。

基于上述方法，本文对方钢管混凝土开展了相关的轴压试验，试件详细尺寸见表1。试件SI-W 采用轴力量测方案，试件ST 则为同尺寸的纯钢管对比件。所有钢管采用Q235 钢，试验中制作了12 个同批次的标准立方体试块（150mm×150mm×150mm），所有试块均进行密封养护，以实现模拟核心混凝土实际养护环境的目的。立方体抗压强度实测平均值为39.2MPa，标准差为1.2MPa。

表1 试件详细尺寸

各试件的轴力分量-轴向平均应变关系曲线如图4所示。可以直观看出，试件SI-W 为在达到峰值荷载时，钢管已经进入屈服后强化阶段，其所承担的轴力也基本达到峰值，而核心混凝土由于受压开裂进入了承载力下降段；对比试件SI-W 和试件ST，钢管在进入承载力下降段后，由于核心混凝土的反约束作用，试件SIW 中钢管的轴力分量-平均应变曲线相比于试件ST 的轴力-平均应变曲线来说具有更平缓的下降段，也就是前者具有更好的屈服后延性。

图4 试件的轴力分量-轴向平均应变关系曲线

基于试验结果可知，本文所提出的试验方法可有效量测钢管混凝土中钢管和混凝土的全过程受力分配情况，对于钢管的屈服后行为等因素对钢管混凝土的承载力和延性的影响可进一步开展更细致的研究工作。因此，本文对后续理论和试验研究提出以下建议：基于轴力分量量测方法，对不同截面形式钢管混凝土的轴压性能开展参数范围更广的试验研究，以真实有效的试验数据为理论研究提供依据，并进一步修正钢管混凝土的承载力公式，提出更合理的钢管混凝土全过程受力机理模型。

3 结语

由于钢管混凝土中钢管和混凝土之间的相互作用具有一定的复杂性，“钢管混凝土统一理论”和“极限平衡法理论”的理想化假定均无法真实的反映实际钢管混凝土的受力行为；基于此本文提出一种可直接量测钢管混凝土中内力分量的试验方法，为钢管混凝土设计理论的精细化研究提供思路和可行建议，具有较强的现实指导意义。