鋼管混凝土構(gòu)件有效工作機(jī)理研究

熊　彬

（成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司）

鋼管混凝土構(gòu)件有效工作機(jī)理研究

熊彬

（成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司）

鋼管混凝土具有強(qiáng)度高、自重輕、塑性好、抗震性能優(yōu)良等特性。形成鋼管混凝土這一系列良好力學(xué)性能的關(guān)鍵是鋼管和混凝土在受力過(guò)程中可以相互作用，從而充分發(fā)揮材料性能。本文對(duì)鋼管混凝土共同工作的機(jī)理進(jìn)行了研究和討論。

鋼管混凝土；共同工作；剪力傳遞

1　引言

鋼管混凝土桿件，是指在鋼管內(nèi)灌填混凝土所形成的組合桿件，是借鑒鋼筋混凝土圓柱中螺旋箍筋對(duì)核心混凝土的約束作用，結(jié)合型鋼混凝土組合桿件特征，融合演變而來(lái)[1]。

其力學(xué)性能特點(diǎn)兼有混凝土與鋼管二者的長(zhǎng)處，管內(nèi)混凝土受到鋼管的約束，抗壓強(qiáng)度顯著提高，不致過(guò)早壓碎；而鋼管又反過(guò)來(lái)受到管內(nèi)混凝土的作用，可以有效阻止或延緩鋼管的局部屈曲，從而保證兩者的材料得以充分利用，并能保證較好的塑性性能。

2　工作機(jī)理

鋼管混凝土有效工作的前提是避免鋼管與混凝土脫開(kāi)。一般而言，鋼管混凝土構(gòu)件在實(shí)際工程中的應(yīng)用主要為柱子，其承受荷載方式一般有兩種，一是荷載直接作用于柱端，二是作用于柱側(cè)承受梁端剪力。在鋼管豎向應(yīng)力達(dá)到比例極限之前，鋼管的泊松比要比混凝土的泊松比大，而兩者的豎向變形相同，故鋼管的橫向變形大于混凝土的橫向變形，因此鋼管和混凝土之間存在脫開(kāi)的趨勢(shì)。當(dāng)鋼管的豎向應(yīng)力達(dá)到比例極限時(shí)，二者的泊松比較接近，應(yīng)力繼續(xù)增大，混凝土的泊松比將超過(guò)鋼管的泊松比，此時(shí)，混凝土的橫向變形將大于鋼管的橫向變形，鋼管對(duì)混凝土提供橫向約束，套箍效應(yīng)發(fā)生作用，管內(nèi)混凝土處于圍壓狀態(tài)，其承載力繼續(xù)提高，鋼管的豎向應(yīng)力將降低而環(huán)向應(yīng)力將增加，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，豎向應(yīng)力下降到接近0，此時(shí)鋼管對(duì)混凝土的圍壓達(dá)到最大，之后承載力下降直到鋼管在柱腳處發(fā)生鼓包而破壞。

以Q345鋼為例，比例極限f=295MPa，彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比μs=0.3，混凝土泊松比μc=0.2，取鋼管外直徑D=920mm，管壁厚度t=25mm，則有：

在鋼管豎向應(yīng)力達(dá)到比例極限前鋼管與混凝土之間的縫隙為：

由于鋼管由卷板鋼材焊接而成，而鋼板不可能是光滑的，這個(gè)微小的縫隙可以由鋼板的凹凸填補(bǔ)，鋼管與混凝土之間的分離趨勢(shì)將有鋼管和混凝土之間的機(jī)械咬合力克服，所以可以認(rèn)為鋼管在豎向應(yīng)力達(dá)到比例極限之前，鋼管和混凝土是貼合在一起的。同時(shí)，為避免因混凝土收縮等原因，鋼管與混凝土脫開(kāi)，可以采用在混凝土中添加微膨脹劑，膨脹混凝土?xí)黾佣呓缑娴恼辰Y(jié)強(qiáng)度，抵抗脫開(kāi)趨勢(shì)。并且隨著時(shí)間推移，混凝土徐變導(dǎo)致混凝土的變形增大，混凝土將受到鋼管環(huán)向約束，處于三向受壓狀態(tài)。另外，主動(dòng)施加預(yù)應(yīng)力，也可以使管內(nèi)混凝土盡可能處于三向受壓的約束狀態(tài)，促使鋼管與混凝土共同作用。

3　鋼管混凝土受壓存在兩種極端狀況

⑴鋼管和混凝土在縱向受力，達(dá)到各自的抗壓強(qiáng)度，鋼管的切向應(yīng)力很小，可認(rèn)為無(wú)約束應(yīng)力。此時(shí)，鋼管混凝土的抗壓強(qiáng)度：

⑵鋼管的切向應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，但豎向應(yīng)力會(huì)減小到很小，可以忽略，混凝土受到的約束力達(dá)到最大，即：為螺旋箍筋柱核心區(qū)混凝土三軸抗壓強(qiáng)度：

σ2——箍筋屈服時(shí)，核心混凝土的最大約束應(yīng)力。

有計(jì)算表明，鋼管混凝土在第二類(lèi)情況下，混凝土的抗壓強(qiáng)度可以提高4.76倍（此時(shí)鋼管的縱向應(yīng)力為0）。

一般而言，對(duì)于采用了鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)，樓面的荷載是通過(guò)梁構(gòu)件傳遞給鋼管的外壁，為保證鋼管混凝土柱作為整體受力，需要通過(guò)鋼管與管內(nèi)混凝土的相連界面?zhèn)鬟f給管內(nèi)的混凝土。界面剪力的傳遞可以通過(guò)兩種途徑：鋼管與管內(nèi)混凝土的粘結(jié)力以及管內(nèi)的抗剪連接件，當(dāng)粘結(jié)力不足以傳遞界面剪力時(shí)，需要設(shè)置抗剪連接件。連接件的形式可以是環(huán)形隔板、鋼筋環(huán)、內(nèi)襯管或栓釘?shù)?，鋼管接長(zhǎng)時(shí)的襯管，也可以單獨(dú)設(shè)置。

4　鋼管?chē)鷫鹤饔玫目紤]

混凝土與鋼管之間的粘結(jié)力沿著二者的接觸面都是存在的，但依據(jù)規(guī)范條文，其剪力傳遞區(qū)的長(zhǎng)度只取2D（D為鋼管的外直徑）。這是因?yàn)橐?guī)范中的粘聚力是鋼管和混凝土之間的機(jī)械咬合力，水泥膠著力以及鋼管和混凝土之間摩擦力的一個(gè)綜合反映。在鋼管的豎向應(yīng)力達(dá)到比例極限之前，混凝土沒(méi)有受到鋼管的圍壓作用，整個(gè)接觸面也就沒(méi)有摩擦力。若僅作用豎向力，鋼管的豎向變形是一致的摩擦力；當(dāng)加入彎矩作用后，這種豎向的相等變形即被打破，當(dāng)彎矩達(dá)到足夠大時(shí)，鋼管與混凝土之間會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，二者接觸面的膠著力將破壞而消失，此時(shí)鋼管與混凝土之間的粘聚力將只剩下摩擦力，而摩擦力并非沿整個(gè)接觸面都有，摩擦力只在有圍壓的地方存在，即只有鋼管豎向應(yīng)力大約達(dá)到比例極限的地方才存在摩擦力，而這個(gè)區(qū)域只在豎向力和彎矩均大的區(qū)域，即在梁柱連接中心線上下大概1D。其余范圍因豎向應(yīng)力未達(dá)到比例極限，鋼管?chē)鷫悍浅Ｐ?，可以忽略。故?jì)算時(shí)，僅考慮2D范圍內(nèi)，通過(guò)界面粘結(jié)力聯(lián)系鋼管與混凝土，保證二者協(xié)同工作。

5　結(jié)語(yǔ)

鋼管混凝土以其優(yōu)越的力學(xué)性能有效降低了建筑成本，大量工程實(shí)踐表明，承壓構(gòu)件采用鋼管混凝土比普通鋼筋混凝土可節(jié)約混凝土50%，構(gòu)件截面面積可減少一半[2]。隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的發(fā)展，鋼管混凝土必然具有廣闊的發(fā)展空間?！?/p>

[1]劉大海.型鋼鋼管混凝土高樓計(jì)算和構(gòu)造[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]廖歡,何明勝.鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)特性及應(yīng)用展望[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā),2012,39(6):76-77.