混凝土工程

論混凝土工程鋼管混凝土技術研究與分析

摘要鋼管約束鋼筋混凝土是將薄壁鋼管外包於鋼筋混凝土柱，鋼管約束型鋼混凝土是將薄壁鋼管外包於型鋼混凝土柱，用鋼管替代箍筋,鋼管不直接承擔縱向荷載，只對核心混凝土起約束作用。本文對鋼管約束混凝土軸壓短柱、鋼管約束鋼筋混凝土和鋼管約束型鋼混凝土壓彎構件進行了系統的試驗研究和理論分析，具體工作如下：

(1) 以鋼管的徑厚比和混凝土強度為主要引數進行了18 個圓鋼管約束高強混凝土軸壓短柱的試驗研究。試驗結果表明，圓鋼管約束高強混凝土短柱的軸壓承載力高於同條件的圓鋼管混凝土構件，但兩種形式軸壓構件的延性無明顯差別。建立了圓鋼管約束混凝土短柱的軸壓承載力公式，公式計算結果與試驗結果吻合較好；且公式形式簡單，概念清晰，有利於工程實用。

根據試驗結果，對mander 提出的約束混凝土滯回模型進行了修正，使模型適合於約束高強混凝土。

(2) 以鋼管的寬厚比和混凝土強度為主要引數進行了23 個方鋼管約束混凝土軸壓短柱的試驗研究。試驗結果表明，當鋼管的寬厚比為70 左右時，方鋼管約束混凝土短柱的軸壓承載力明顯高於普通方鋼管混凝土構件；當鋼管的寬厚比小於47 時，方鋼管約束混凝土短柱的軸壓承載力則低於普通方鋼管混凝土構件；但兩種構件的延性無顯著差別。建立了方鋼管約束混凝土短柱的軸壓承載力公式，公式計算結果與試驗結果吻合較好；公式形式簡單，概念清晰，利於工程應用。

(3) 以混凝土強度、軸壓比和鋼管約束作用為引數進行了4 個圓鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構件和1 個普通鋼筋混凝土對比試件的滯回效能試驗研究，試驗結果表明：由於圓鋼管對核心混凝土的有效約束，核心鋼筋混凝土壓彎構件的抗彎承載力、延性和耗能能力得到了顯著提高，有效地改善了高強混凝土壓彎構件在高軸壓比條件下的脆性破壞；隨軸壓比的提高，圓鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構件的承載力提高，但軸壓比對試件的延性無明顯影響；隨混凝土強度的提高，圓鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構件的承載力提高，但混凝土強度對試件的延性無顯著影響。

(4) 以混凝土強度、軸壓比和鋼管約束作用為引數進行了4 個方鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構件和1 個方形截面普通鋼筋混凝土對比試件的滯回效能試驗研究，驗結果表明：方鋼管對核心混凝土的有效約束顯著提高了試件的抗彎承載力、延性和耗能效能，有效地改善了高強混凝土在高軸壓比條件下的脆性破壞；隨軸壓的提高，方鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構件的承載力和耗能能力提高，但延性下降；隨混凝土強度的提高，方鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構件的承載力提高，但延性降低。

對圓鋼管約束鋼筋混凝土和方鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構件的力學效能進行了對比分析。研究結果表明，圓鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構件的效能優於方管約束鋼筋混凝土壓彎構件；混凝土強度越高或軸壓比越大的情況下，相對於方鋼管約束鋼筋混凝土，圓鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構件的抗震效能越優越。

(5) 以軸壓比和鋼管約束作用為引數進行了2 個圓鋼管約束型鋼混凝土壓彎構件和1個圓形截面普通型鋼混凝土對比試件的滯回效能試驗研究，試驗結果表明：圓鋼管對核心柱的約束有效地提高了高軸壓比條件下型鋼混凝土壓彎構件的抗彎承載力、延性和耗能效能；隨軸壓比的提高，圓鋼管約束型鋼混凝土壓彎構件的承載力提高，但軸壓比對構件的延性無顯著影響。

(6) 以軸壓比和鋼管約束作用為引數進行了2 個方鋼管約束型鋼混凝土壓彎構件和1 個方形截面普通型鋼混凝土對比試件的滯回效能試驗研究，試驗結果表明：方鋼管對核心型鋼混凝土柱的約束有效地提高了高軸壓比條件下型鋼混凝土壓彎構件的抗彎承載力、延性和耗能效能；隨軸壓比的提高，方鋼管約束型鋼混凝土壓彎構件的承載力提高，但延性下降。對比了圓鋼管約束型鋼混凝土和方鋼管約束型鋼混凝土壓彎構件的力學效能：

當軸壓比較低時，圓鋼管約束型鋼混凝土與方鋼管約束型鋼混凝土構件的力學效能基本相同；而隨軸壓比的提高，圓鋼管約束型鋼混凝土的承載力和延性逐漸高於方鋼管約束型鋼混凝土構件。

(7) 基於本文的研究，建議採用修正的aci 方法計算圓鋼管和方鋼管約束鋼筋混凝土壓彎構件的截面抗彎承載力；採用修正的ec4 方法計算圓鋼管和方鋼管約束型鋼混凝土壓彎構件的截面抗彎承載力。

(8) 建立了鋼管約束鋼筋混凝土和鋼管約束型鋼混凝土壓彎構件的纖維模型數值計算方法，首次引進了隨荷載的增加而不斷增大鋼管對核心混凝土的約束效應的方法。數值計算方法與試驗結果吻合較好。建立了鋼管約束鋼筋和鋼管約束型鋼混凝土壓彎構件的恢復力模型，可為結構的彈塑性分析提供參考。

(9) 利用纖維模型數值程式進行了引數分析，研究了鋼管約束鋼筋混凝土與普通鋼筋混凝土、鋼管混凝土壓彎構件的抗震效能的差異；同時分析了鋼管約束型鋼混凝土和普通型鋼混凝土壓彎構件的抗震效能的差異。根據引數分析結果，提出了合理的設計建議。

關鍵詞鋼管約束混凝土柱；鋼筋混凝土；型鋼混凝土；軸壓承載力；循

環水平荷載

1.鋼管約束混凝土的特點及發展概況

在水平**作用下，鋼筋混凝土框架結構的構件震害一般是梁輕柱重[1]。剪跨比小的鋼筋混凝土框架短柱易發生剪下破壞；而中長柱在柱頂和柱底彎矩最大處由於軸力和彎矩的復合作用，混凝土的壓應變值很高，導致混凝土壓碎、保護層脫落、主筋外露並壓屈以及箍筋崩脫，從而使得大軸壓比的鋼筋混凝土框架柱的延性很低，發生脆性破壞[1,2]；大量的研究結果表明，相對於普通強度混凝土高強混凝土的延性較差[3,4]。在高軸壓比條件下，高強混凝土需要配置大量的箍筋,而過高的體積配箍率在工程實踐中非常困難[5]。

將高強混凝土置於鋼管中形成鋼管高強混凝土是乙個有效的解決方法。鋼管混凝土的延性優於鋼筋混凝土,然而鋼管混凝土用鋼量高且鋼管混凝土中的鋼管處於雙向應力狀態[6]。在鋼管凝土構件的受力過程中，只有當核心混凝土的橫向變形係數超過鋼材的泊松比時，鋼管才能夠對核心混凝土產生約束作用，這將降低鋼管的約束效應[6,7]；而且當鋼管的寬厚比較大時，鋼管將會發生區域性屈曲現象，導致構件的延性降低[8,9]。

以往的試驗及分析結果表明，對於圓鋼管混凝土短柱，當鋼管不承擔縱向荷載時，其軸壓承載力比鋼管和混凝**同受力的承載力高[10,11,12]；因此在工程實踐中可使鋼管不承擔縱向荷載，只是對核心混凝土提供約束作用，這就是鋼管約束混凝土。

高強混凝土具有強度高、變形小和耐久性好等優點，能適應現代工程結構向大跨、過載、高聳發展和承受惡劣環境條件的需要，混凝土的高強化是現代混凝土結構發展的重要趨勢[3]。在國外，混凝土強度等級已經應用到c100，最高達到c130。我國建設部已將高強混凝土列為「八·五」「九·五」重點推廣專案，c60～c80 混凝土在部分地區已廣泛應用，並向更高強度發展。

優越的效能使得高強混凝土的應用範圍不斷擴大；但高強混凝土也有其致命的弱點，那就是高強混凝土的延性很差，容易產生脆性破壞，素混凝土的延性隨混凝土強度的提高而顯著降低。國外大量採用高強混凝土的結構都是在非**區，而我國80%的國土面積屬於抗震設防區（6 度以上），特別是高層建築集中的城市絕大多數處於抗震設防區，部分處於高烈度地區，不宜採用高強混凝土結構。我國的混凝土結構設計規範規定[16]：

當設防烈度為9度時，混凝土強度等級不宜超過c60，當設防烈度為8 度時，混凝土強度等級不宜超過c70。這些規定限制了高強混凝土在**區高層建築中的應用，因此研究防止高強混凝土脆性破壞的方法，充分利用高強混凝土的優點，具有重要的理論意義和實用價值。

2.圓鋼管約束混凝土軸壓構件承載力對比分析

為各試件的試驗承載力與簡單疊加承載力的對比。由此可看出，隨構件模式由a 至c 變化，試件的極限承載力與簡單疊加承載力的比值增大。這說明對於圓鋼管約束混凝土構件，鋼管承擔的縱向荷載越小，就越能充分發揮兩種材料的組合作用，從而提高構件的軸壓承載力。

通過對所有構件模式b 試件的承載力對比可發現，對於徑厚比最小d/t=22）的m-c-4 組試件，試驗承載力與簡單疊加承載力的比值最小，只有1.2 倍左右；而其它幾種徑厚比較大試件的試驗承載力與簡單疊加承載力的比值都在1.4 左右。

通過m-c-3 與m-c-4 組的承載力對比可發現，雖然兩組試件的截面相同且m-c-4 組試件的鋼管厚度大於m-c-3 組試件，但m-c-4組試件的試驗承載力低於m-c-3 組。這說明當鋼管的徑厚比達到某一限值時，繼續增大鋼管徑厚比並不能繼續有效的提高試件的軸壓承載力。

3.圓鋼管約束混凝土軸壓短柱的應力分析

3.1 應力分析方法的建立

本文採用文獻[12]的應力分析方法，根據試驗測定的逐級荷載下鋼管外表面4 個均分測點的縱向和環向應變，利用平面應力狀態時的應力-應變關係，求出各級荷載下鋼管中截面的縱向平均應力σv、環向平均應力σh 和折算應力σz。在求得鋼管應力的基礎上，可分別求得鋼管和混凝土在各級荷載作用下的內力。由鋼管縱向應力，可求得鋼管縱向內力ns：

ns ＝σv as

式中 ns—鋼管內力；σv—鋼管的縱向應力。

核心混凝土上的內力nc 為：

nc=n-ns

式中 nc—核心混凝土的內力；n—外荷載。

由混凝土的內力可進一步求得核心混凝土的縱向應力σc：

σc=nc/ac

式中 σc—核心混凝土的應力。應力分析中採用的鋼材單向應力-應變關係由標準拉伸試驗資料回歸得到[12] ，按公式確定。

3.2 應力分析結果

3.2.1 迴圈載入構件應力分析結果

兩組迴圈載入試件的應力分析結果，包括鋼管的荷載－應力關係及核心混凝土的應力－應變關係曲線。圖中 σvm、 σhm、 σhe 和σzm 分別表示構件模式b 試件鋼管中部的縱向應力、鋼管中部的環向應力、鋼管端部的環向應力及鋼管中部的折算應力。（注：

為方便與 σh 進行大小的對比，σv 輸出時乘以負號）

由圖中可看出，對於構件模式a 的兩個鋼管混凝土試件，鋼材在屈服前，環向應力很小，鋼材屈服主要是由於縱向應力引起。鋼材屈服後，縱向應力有逐漸減小的趨勢；而環向應力逐漸增大，對核心混凝土的約束應力增加。由應力分析結果可知，當鋼管屈服時，試件c-133-5-70-a 和c-140-2-70-a 所對應的核心混凝土的應力分別為74.

12mpa 和69.65mpa，其應力值基本與混凝土的單軸抗壓強度（69.78）相同；但隨鋼管中環向應力的增加，核心混凝土的約束應力增加，從而提高了核心混凝土的強度。

因此，雖然鋼管屈服後縱向應力有所減小，但核心混凝土抗壓強度得到提高，從而使構件的承載力繼續增長。由構件模式b 試件的應力分析結果可看出，荷載峰值點前，端部鋼管的環向應力遠大於中部鋼管的環向應力，核心混凝土在鋼管的端部受到更加有效的約束，因此核心混凝土的破壞不會首先在鋼管端部處發生；荷載峰值點後，鋼管中部的環向應力有可能超過端部環向應力，這是因為在峰值荷載後，試件發生破壞，構件內部產生應力重分布，中部混凝土膨脹更加嚴重，導致鋼管環向應力快速增大，而端部鋼管甚至可能發生鋼管解除安裝現象。因此構件模式b 試件的破壞決定於中部截面。

由鋼管中部的荷載－應力曲線可看出，荷載峰值點前，鋼管的縱向和環向應力都逐步增長，但縱向應力大於環向應力；峰值荷載後，由於混凝土的急劇橫向膨脹，導致環向應力快速增長，並可能超過縱向應力。中部鋼管的屈服點基本對應於構件的峰值承載力點左右，因此可將中部鋼管屈服點對應的承載力定義為構件的軸壓承載力；同時，鋼管屈服點也基本對應於核心混凝土的峰值應力，因此可由鋼管屈服點時鋼管的環向應力計算得到核心混凝土的約束應力，進而求得核心約束混凝土的峰值應力，以定義構件的軸壓承載力。由構件模式c 試件的應力分析結果可看出，在峰值點前的初始彈性階段，鋼管的環向應力小於縱向應力，這是因為此時核心混凝土的橫向變形很小；但隨荷載的繼續增加，鋼管環向應力逐漸超過縱向應力，當鋼管屈服時，環向應力已遠大於縱向應力，鋼管以承擔環向拉力為主。

與構件模式b試件相同，構件模式c 試件的鋼管屈服點也基本對應於荷載峰值點，因此也可將中部鋼管屈服點對應的承載力定義為構件的軸壓承載力；同時，鋼管屈服點也基本對應於核心混凝土的峰值應力，因此可由鋼管屈服點時鋼管的環向應力計算得到核心混凝土的約束應力，進而求得核心約束混凝土的峰值應力，以定義構件的軸壓承載力。由於構件模式c 試件在鋼管屈服時縱向應力很小，環向應力基本等於等效應力，因此在定義構件模式c 構件的軸壓承載力時，可忽略鋼管的縱向應力，假定鋼管只承擔環向拉應力，僅對核心混凝土起約束作用。應力－應變骨架曲線。

由圖中可看出，隨構件模式由a 到c 變化，核心混凝土的峰值應力和峰值應變增大；這表明隨構件模式由a 到c 變化，核心混凝土受到的約束效應增大。

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