(湘潭大學(xué) 湖南 湘潭 411105)

引言

鋼管混凝土柱是一種由混凝土填充的空心鋼管柱組成的構(gòu)件。鋼管混凝土是在鋼管內(nèi)澆筑混凝土形成的組合結(jié)構(gòu)。在鋼管的約束下，核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，顯著提高核心混凝土承載力和延性，且在鋼管內(nèi)填充混凝土后，可增強(qiáng)鋼管穩(wěn)定性，使其強(qiáng)度得到充分發(fā)揮。由于鋼管混凝土具有承載力高、延性好、耐疲勞、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，已在高層建筑、地下及港口工程等復(fù)雜建筑中得到廣泛應(yīng)用[1]。

但在實(shí)際工程中，鋼管混凝土柱還存在一些缺陷。在彈性階段，鋼的膨脹量大于混凝土的壓縮量，從而導(dǎo)致界面粘結(jié)不完善。這會(huì)對(duì)鋼管的約束產(chǎn)生不利影響，并降低彈性模量。在加載初期，由于鋼管的橫向變形系數(shù)大于混凝土的橫向變形系數(shù)，二者將處于近似單獨(dú)工作，使得鋼管無法對(duì)核心混凝土產(chǎn)生有效約束力；在彈塑性階段，鋼管混凝土柱中的外包鋼管處于縱向受壓，橫向受拉的雙向應(yīng)力狀態(tài)，因此鋼管對(duì)核心混凝土的約束力有限。由于鋼管處于雙向應(yīng)力狀態(tài)之中，鋼管的縱向應(yīng)力低于鋼材屈服強(qiáng)度，且當(dāng)鋼管屈服后，鋼管縱向應(yīng)力隨著橫向應(yīng)力的增加而逐漸降低，即當(dāng)鋼管屈服后，鋼管對(duì)構(gòu)件縱向承載力的貢獻(xiàn)也隨著變形的增加逐漸減弱。此外，在實(shí)際工程中，混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)或核心混凝土收縮、徐變及溫度效應(yīng)均可導(dǎo)致鋼管與核心混凝土間產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，影響二者之間的相互作用，甚至?xí)?dǎo)致鋼管發(fā)生局部屈曲，影響正常使用。針對(duì)此種現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了多方面的研究。

一、FRP約束鋼管混凝土組合柱性能研究

研究人員提出了 FRP約束鋼管混凝土組合柱，即在鋼管混凝土柱外包FRP材料，從而使鋼管內(nèi)的核心混凝土處于FRP和鋼管的雙重約束之下，F(xiàn)RP約束鋼管混凝土是FRP約束混凝土和鋼管混凝土兩者的有機(jī)結(jié)合，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)合鋼管使用，可以替代一部分鋼管，不但減輕了結(jié)構(gòu)整體的重量，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，還能減薄大直徑鋼管的壁厚，在實(shí)際工程中代替高強(qiáng)度鋼材，這會(huì)極大地減少鋼管混凝土的成本和重量；此外，利用FRP約束鋼管混凝土，不僅可提高鋼管混凝土的承載力，還可充分利用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，并在一定程度上彌補(bǔ)了兩者的不足。

FRP約束鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，由FRP管、鋼管、混凝土三部分組成，三種材料的共同工作與受力使得其具有很多不同于其他組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。FRP(Fiber Reinforced Plastics)是一種新興的纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料，近年來在工程中越來越多的采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替鋼材，其優(yōu)點(diǎn)主要有：①抗拉強(qiáng)度高；②耐腐蝕性好，可以在酸、堿、氯鹽和潮濕的環(huán)境中抵抗化學(xué)腐蝕；③熱膨脹系數(shù)與混凝土相近；④抗疲勞性能優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料；⑤自重輕，便于施工。

陶忠等[2]相繼對(duì) FRP 約束鋼管高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，F(xiàn)RP 約束鋼管高強(qiáng)混凝土柱比同條件的傳統(tǒng)鋼管高強(qiáng)混凝土柱承載力更高，延性和耗能效果更好。

王慶利等[3]通過對(duì)10根CFRP—鋼復(fù)合圓管內(nèi)填混凝土軸壓短柱和用于對(duì)比的5根圓鋼管混凝土軸壓 短柱承載力的試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：外包CFRP可以有效提高鋼管混凝土軸壓短柱的剛度和承載力；CFRP —鋼管內(nèi)填混凝土軸壓短柱相對(duì)于鋼管混凝土軸壓短柱的承載力提高率近似隨著CFRP筒約束指標(biāo)的增加而線性增加。

Hu等進(jìn)行了 3個(gè)鋼管混凝土柱和9個(gè)GFRP約束鋼管混凝土柱的軸壓試驗(yàn)，考察了鋼管厚度和FRP 層數(shù)對(duì)FRP約束鋼管混凝土柱軸壓性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP約束可以有效地改善鋼管混凝土的承 載力和延性，并且可以延緩甚至抑制鋼管的局部屈曲問題，而鋼管越薄，F(xiàn)RP約束的效果越明顯。

顧威進(jìn)行了 CFRP—鋼管混凝土偏壓柱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：CFRP—鋼管混凝土偏壓柱在一定的長(zhǎng)細(xì)比和偏心率范圍內(nèi)，當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比和偏心率一定時(shí)，CFRP約束效應(yīng)系數(shù)越大，則CFRP對(duì)極限承載力提高的幅度越大；當(dāng)CFRP約束效應(yīng)系數(shù)和鋼管約束效應(yīng)系數(shù)一定時(shí)，偏心率越大，承載力提高的幅度越小。

二、鋼材約束的鋼管混凝土組合柱性能研究

Lai和Ho提出了在鋼管外表面焊接環(huán)形鋼筋的組合結(jié)構(gòu)，并對(duì)18根鋼管混凝土柱進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，外鋼圈對(duì)提高鋼管混凝土柱的強(qiáng)度和延性有很好的效果。此外，在彈性階段早期，焊接的鋼外環(huán)能夠限制鋼管和核心混凝土的橫向膨脹，從而提高鋼管混凝土柱的鋼-混凝土界面粘結(jié)性能。

在此基礎(chǔ)上，Lai和Ho提出了加鋼套約束(鋼套自帶螺栓可調(diào)節(jié)松緊)的構(gòu)件形式，并進(jìn)行了10根鋼套約束的鋼管高強(qiáng)混凝土短柱軸壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，外加鋼套約束對(duì)改善高強(qiáng)混凝土柱和鋼管混凝土柱的單軸受力性能十分有效。試驗(yàn)中，在試件施加荷載之前安裝約束鋼套，使試件不受應(yīng)力滯后效應(yīng)的影響，鋼套約束得以充分利用。且發(fā)現(xiàn)通過縮短鋼套約束的間距，可以產(chǎn)生更大、更均勻的圍壓應(yīng)力，從而延緩鋼管的屈曲。

陳志華[4]等提出了內(nèi)加螺旋箍筋加勁的鋼管混凝土構(gòu)件形式，并研究了不同間距螺旋箍筋約束下構(gòu)件的力學(xué)性能。研究表明，混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高、螺旋箍筋間距的減小、螺旋箍筋直徑的增大均能有效提高配螺旋箍筋方鋼管混凝土柱的軸壓承載力，但是改變螺旋箍筋強(qiáng)度等級(jí)對(duì)配螺旋箍筋方鋼管混凝土柱的軸壓承載力的影響不明顯。并提出計(jì)算方法來計(jì)算配螺旋箍筋方鋼管混凝土柱的軸壓承載力。

總結(jié)

從已有的實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)中可知，外加約束鋼管混凝土新型組合結(jié)構(gòu)具有自重輕、軸向受壓承載力高、耐久性好、延性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，可用作房屋的框架柱、橋梁結(jié)構(gòu)的墩柱等構(gòu)件，有著廣泛的應(yīng)用前景。這種組合結(jié)構(gòu)主要具有以下特點(diǎn)：(1)外加約束可防止鋼管的局部屈曲，使釆用薄壁鋼管成為可能，大大減輕結(jié)構(gòu)自重；(2)外加約束作為鋼管的保護(hù)層，也可有效解決鋼管的腐蝕問題，在海洋環(huán)境或者大規(guī)模工程中有著良好的應(yīng)用前景。(3)當(dāng)鋼管混凝土構(gòu)件遭受意外作用受到一定損壞時(shí)，其剩余承載力可能不足以繼續(xù)承載，構(gòu)件需進(jìn)行修復(fù)加固才可繼續(xù)使用。這時(shí)，通過在鋼管混凝土柱外加設(shè)約束的新型構(gòu)件形式，可在一定程度上改善構(gòu)件的承載力和延性，使其能夠繼續(xù)使用，這就為鋼管混凝土構(gòu)件受損后修復(fù)加固和力學(xué)性能加強(qiáng)提供了有效途徑。因此，此類外加約束的鋼管混凝土組合柱不僅能夠提高鋼管一混凝土構(gòu)件的極限承載力，或在承載力不變的情況下減小鋼管壁厚，降低用鋼量，并使整體構(gòu)件的延性得以改善，有著廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。