陳建城 潘 艷 李 娜

（中機(jī)國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 湖南省長沙市雨花區(qū) 410000）

鋼管混凝土又稱為鋼管套箍混凝土，其是一種由混凝土在鋼管中填入所形成的特殊材料，在國外也有人稱之為混凝土填心鋼管，屬于套箍混凝土的組合應(yīng)用形式。鋼管混凝土的種類有圓鋼管混凝土，方鋼管混凝土以及多邊形鋼管混凝土。

鋼管混凝土是高層和大跨中常用的一種結(jié)構(gòu)形式，具有承載力高和經(jīng)濟(jì)效益好等居多優(yōu)點(diǎn)。在19世紀(jì)90年代，華盛頓建筑學(xué)專家John－Lally在圓形的鋼管內(nèi)填入素混凝土中，當(dāng)作工程的承重柱。至今，這一施工模式在建筑工程領(lǐng)域已經(jīng)有100年以上的使用時間了。自從鋼管混凝土應(yīng)用以來，由于其優(yōu)越的力學(xué)性能，迅速的得到了西方國家建筑工程領(lǐng)域的關(guān)注。20世紀(jì)60年代前后，這一工程技術(shù)開始在歐美，蘇聯(lián)及日本受到廣泛關(guān)注，并開展了大量的研究實(shí)驗(yàn)，但由于其澆注困難，另這一工程技術(shù)在施工過程中的潛力未沒有實(shí)現(xiàn)充分的體現(xiàn)。相比之下，人們更加愿意使用普通混凝土結(jié)構(gòu)。

到了80年代后期，因?yàn)楸盟突炷良夹g(shù)的出現(xiàn)，以及迅猛進(jìn)步的高強(qiáng)度混凝土必須使用鋼管來調(diào)節(jié)混凝土的剛性，在許多國家，特別是在高層建筑中，鋼管混凝土又得到了重新的發(fā)展，以往的鋼柱施工方式逐漸轉(zhuǎn)變成為了鋼管混凝土柱，這是現(xiàn)代建筑領(lǐng)域的一次技術(shù)層面的飛躍。

中國自60年代起開始研究和應(yīng)用鋼管混凝土，已有50年的歷史，自20世紀(jì)60年代首次把鋼管混凝土柱應(yīng)用于建筑工程之中以來，取得了一系列的成功應(yīng)用。80年代，按照建設(shè)部的政策要求，中國于鋼管混凝土方面展開了比較深入的技術(shù)科研，使得這一技術(shù)結(jié)構(gòu)的信息數(shù)字理論以及規(guī)劃技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一系列的高速發(fā)展，并逐漸發(fā)展為能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求的計算原理和計算技術(shù)。近年來，更是由于高層建筑、地鐵、大跨等高速發(fā)展，有力地推動了這一現(xiàn)代化技術(shù)結(jié)構(gòu)的新發(fā)展。

1 鋼管與混凝土承載力計算理論

鋼管混凝土與以往的技術(shù)類型比較有著非常明確的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)，在受力方面同樣如此。鋼管混凝土在受力為鋼筋和混凝土共同受力，由于其套箍作用，對受壓承載力有增強(qiáng)的效果。然而，針對其結(jié)構(gòu)組件的軸向受壓承載強(qiáng)化的原理，在國際上還沒有出現(xiàn)具有廣泛共識的觀點(diǎn)。

1.1 國外研究理論

在國外主要有以下兩種觀點(diǎn)：

（1）以日本、美國為首的土木界人士實(shí)驗(yàn)研究得出，鋼管以及混凝土可以綜合發(fā)揮作用，以此分擔(dān)壓力荷載，然而二者并不具備互相的制衡能力。它的運(yùn)算方式同鋼筋混凝土柱具有高度的一致性，直接采用鋼管的實(shí)際承載力以及混凝土的承載力。例如在日本的技術(shù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)體系之中，它的軸心承載逐漸的運(yùn)算方法就相對忽略了混凝土于鋼管結(jié)構(gòu)側(cè)向制約條件下的強(qiáng)度上升，即：

在這一運(yùn)算方式中，fsk是鋼管服從程度，fck是混凝土的實(shí)際抗壓值數(shù)。

（2）以前蘇聯(lián)為首的部分土木界人士則得出這一技術(shù)結(jié)構(gòu)的受力需求以及構(gòu)成需求都低于鋼筋混凝土，他們判定鋼管對于混凝土的側(cè)壓效果并不明顯，但圓柱結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)階段會受到多方面因素的影響，并導(dǎo)致其強(qiáng)度的變化。舉例說明：由于鋼管中心位置缺少了鋼筋，就防止了因?yàn)榕浣钤斐傻臍饪住⑸把?、空隙等缺陷問題，進(jìn)而強(qiáng)化其密實(shí)性。由于鋼管和核心混凝土相結(jié)合，會另加荷階段的鋼管混凝土柱保持相對整體狀態(tài)，在軸向力作用下，鋼管能夠負(fù)擔(dān)混凝土形成的雙方面應(yīng)力，可以避免造成圓柱結(jié)構(gòu)表面破壞的剪力以及裂縫，進(jìn)而有效升高混凝土的實(shí)際受壓能力。按照實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，可以總結(jié)出其承載力計算方法：

式中，σs表示鋼管的服從應(yīng)力；R表示混凝土的實(shí)際抗壓能力。

1.2 國內(nèi)研究理論

在國內(nèi)，以著名建筑學(xué)專家鐘善桐，中國建筑科學(xué)院蔡紹懷為主的中國學(xué)者則將這一技術(shù)結(jié)構(gòu)混凝土剛度上升的原因認(rèn)定為是由于鋼管對核心混凝土的套箍作用的結(jié)果?；炷烈?yàn)殇摴艿膫?cè)向壓力影響，處在三方受壓的應(yīng)力狀態(tài)，有效強(qiáng)化了混凝土的軸向承壓能力，并且也讓它的破壞形式由脆性轉(zhuǎn)化為塑性。他們通過不同的實(shí)驗(yàn)方法和途徑，對這一技術(shù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)組件的受力能力以及運(yùn)行機(jī)理展開了理論研究以及實(shí)踐分析，現(xiàn)階段已經(jīng)獲得了相對統(tǒng)一的意見，即在三方應(yīng)力的共同影響之下，混凝土剛度的提高能夠通過以下公式進(jìn)行反應(yīng)：

在這一公式之中，fco表示側(cè)壓力條件下，混凝土的軸向承載能力；fck表示混凝土標(biāo)準(zhǔn)承載能力；σr表示混凝土的實(shí)際側(cè)壓力曾在數(shù)值；k3表示混凝土側(cè)壓力指數(shù)。

2 鋼管混凝土承載力不同理論對比

理論1將鋼管與混凝土相互區(qū)隔進(jìn)行分析，分別確定兩者的承載力，然后進(jìn)行疊加。這種理論的優(yōu)點(diǎn)是各種材料受力比較明確，計算簡單。但缺點(diǎn)在于忽略了鋼管于核心區(qū)混凝土的制約效果從對核心區(qū)混凝土的增強(qiáng)作用。這種理論與實(shí)驗(yàn)有一定的誤差，計算結(jié)果比實(shí)際強(qiáng)度低，造成一定的浪費(fèi)。但相當(dāng)于整個柱有一定的強(qiáng)度儲備。

理論2則表示鋼管于混凝土的側(cè)壓力影響相對較小，但由于在制作過程由于鋼管之中缺少鋼筋，防止了由于配筋造成的氣孔、砂眼、空隙等缺陷問題，使密實(shí)性得到提高。且鋼管與混凝土相結(jié)合，令柱結(jié)構(gòu)在加荷的實(shí)際作用之下轉(zhuǎn)化為致密的整體，在軸向力作用下，鋼管承受了混凝土所形成的拉應(yīng)力以及剪切應(yīng)力，可以消除造成柱體表層破壞的剪力以及裂縫，以此有效強(qiáng)化混凝土的受壓承載能力。這種理論在某種程度上考量了鋼管的制約作用，以此強(qiáng)化了混凝土的實(shí)際剛度。但然而，其也忽略了鋼管縱應(yīng)力的實(shí)際屈從標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，鋼管是在縱向受壓以及環(huán)向受拉的雙重影響之下運(yùn)行的，因此，需要依據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度的條件變化來對極限條件進(jìn)行確定。

理論3之中將多方面受力條件之下的混凝土組件統(tǒng)合于標(biāo)準(zhǔn)的理論環(huán)境之中，并使用綜合性的辦法對承載力進(jìn)行運(yùn)算。這種理論指出：設(shè)計技術(shù)結(jié)構(gòu)組件的工作性狀隨著材料的物理參數(shù)、組件的規(guī)格系數(shù)、截面狀態(tài)、應(yīng)力條件的變化而改變的，其改變具有連續(xù)性以及相關(guān)性。計算是統(tǒng)一的。因此理論將這一技術(shù)結(jié)構(gòu)的組件理解為統(tǒng)一的相同原料，通過組件的規(guī)格特點(diǎn)、截面面積、抵抗矩、組合性能對組件的相應(yīng)受壓能力進(jìn)行運(yùn)算。這種理論同樣存在著一些問題，首先，這種理論計算是建立在理想彈塑性模型假設(shè)的基礎(chǔ)上的，這對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是具有矛盾性的。并且，混凝土結(jié)構(gòu)按照側(cè)壓力的研究結(jié)果所獲得的縱承載力以及側(cè)壓力的相關(guān)性進(jìn)行承載力的明確，這與混凝土的實(shí)際運(yùn)行情況存在差異性。

以上三種理論有各自的區(qū)別，其計算理論有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但三種理論也存在一定的相關(guān)性。事實(shí)上，這些運(yùn)算方式之間的差別就是在于估算鋼管以及核心混凝土二者互相制約作用而形成的套箍作用。這一作用的影響就形成了結(jié)構(gòu)組件這一特殊組件的實(shí)際性特點(diǎn)，以此就造成了組件力學(xué)特點(diǎn)的駁雜性。不同理論的研究者們從不同的角度對上述問題進(jìn)行了研究。但是各研究者由于對鋼管和混凝土之間套箍效應(yīng)的理解不同，因而估計的準(zhǔn)確程度也會有所不同，所獲得的計算方法和計算結(jié)果也就有所出入。此外，像上面對各理論評價中所提到的，在荷載作用下，這一技術(shù)結(jié)構(gòu)組件多種材料塑性的發(fā)展特點(diǎn)相對繁雜，采用理想的彈塑性體和實(shí)際結(jié)論有一定出入。因此，在目前的情況下，也不能一概而論，認(rèn)定哪種理論優(yōu)越于其他的，各國學(xué)者也是仁者見仁，智者見智。從應(yīng)用實(shí)際的角度進(jìn)行分析，逐漸構(gòu)建和諧且健全的理論體系是影響混凝土結(jié)構(gòu)未來發(fā)展有效途徑。

3 目前研究存在問題和建議

鋼管混凝土作為一種高承壓能力，受力性能好，經(jīng)濟(jì)效益高的結(jié)構(gòu)形式，在近十年來，隨著經(jīng)濟(jì)和建設(shè)業(yè)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用也以驚人的速度增長。目前，國際上的相關(guān)學(xué)者在鋼管混凝土受力特點(diǎn)以及計算理論的科研方面獲得了實(shí)際性的新的進(jìn)展，但是仍然存在以下一些關(guān)鍵性的問題：

（1）鋼管混凝土承載力計算中采用理想彈塑性模型的假設(shè)，這對抗變形能力很強(qiáng)的鋼管混凝土是不合理的。

（2）圓鋼管混凝土根據(jù)定值側(cè)壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到縱向承載力與側(cè)壓力的關(guān)系從而確定其承載力，這和核心混凝土的工作狀態(tài)不符。

（3）把鋼管普通混凝土和鋼管高強(qiáng)混凝土機(jī)械地分開進(jìn)行研究。

（4）對鋼管混凝土在動力荷載作用下的性能研究主要以實(shí)驗(yàn)為主，這不利于深入系統(tǒng)地了解動力荷載作用下的性能。

除了上述在受力性能和計算理論方面的不足之處，要更好更安全地推廣使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，以下不足之處建議進(jìn)行進(jìn)一步的研究：

（1）鋼管混凝土防火設(shè)計規(guī)程的制定及防火設(shè)計方法的推廣。

（2）鋼管混凝土施工力學(xué)的研究。

（3）鋼管混凝土中核心混凝土質(zhì)量問題的控制和檢測。

（4）鋼管混凝土的徐變、疲勞及動力性能的進(jìn)一步深入研究。

（5）鋼管混凝土構(gòu)件及其與梁連接節(jié)點(diǎn)制造及構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化。

以上這些存在和需要改進(jìn)的問題也是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)使用和設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題。鋼管混凝土因?yàn)榻Y(jié)合了鋼管以及混凝土的性能，讓它達(dá)到了相對優(yōu)勢的力學(xué)特點(diǎn)，然而，其也形成了這一技術(shù)結(jié)構(gòu)在力學(xué)特點(diǎn)方面的繁復(fù)性，雖然說經(jīng)過幾十年的迅猛發(fā)展。然而同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)比較，其是一種現(xiàn)代化的新興結(jié)構(gòu)形式，其性能有待于進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)束語

近年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以其優(yōu)越的性能以及較好的經(jīng)濟(jì)性，在我國高層建筑和超高層建筑中得到迅速的發(fā)展，成為了我國可推廣的一種理想結(jié)構(gòu)體系。但由于其研究時間還不長，在應(yīng)用上一定程度上受不完善的理論所限制。我相信隨著鋼管混凝土方面的研究進(jìn)一步完善，鋼管混凝土在建筑業(yè)將會得到空前的發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要我們共同努力，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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[3]蔡紹懷.我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報，1999（4）：16～25.

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