钢管混凝土组合构件

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　　【摘 要】与普通混凝土和钢结构相比，钢管混凝土在承载能力、抗震性能、耐火性能以及施工方面都具有明显优势。钢管混凝土轴压承载力计算有3种：1、钢管和核心混凝土共同承担荷载，但不考虑相互影响；2、钢管和核心混凝土共同承担荷载，考虑相互影响；3、钢管内核心混凝土在钢管侧向压力的环箍作用下，处于三向受压应力状态，提高了混凝土轴向承载力，且从脆性破坏转变成塑性破坏。
　　【关键词】钢管混凝土；承载力
　　
　　钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件。根据钢管截面形式不同，可分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。一般的，我们把混凝土强度等级在C50以下的钢管混凝土称为普通钢管混凝土；混凝土强度等级在C50以上的钢管混凝土称为钢管高强混凝土；混凝土强度等级在C100以上的钢管混凝土称为钢管超高强混凝土。
　　混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将两者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高；同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。
　　钢管混凝土作为一种新型的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中(如厂房和高层建筑物)。钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面：
　　1 承载力高、延性好、抗震性能好
　　钢管混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度；钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。
　　2 施工方便、工期缩短
　　钢管混凝土结构施工时，钢管可以做为骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响；钢管混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时间。在浇筑后，钢管内处于相当稳定的湿度条件，水分不易蒸发，省去浇水养护工序，简化了混凝土的养护工艺。
　　3 利于钢管的防火
　　由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。组合梁的耐火能力也会提高，因为钢梁的温度会从顶部翼缘把热量传递给混凝土而降低。经实验统计数据表明:达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3一2/3甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多。但由于外部钢材缺少混凝土保护，相当钢筋混凝土而言，耐火性能大大下降。
　　4 耐腐蚀性能优于钢结构
　　钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。
　　钢管混凝土构件的截面形式对钢管混凝土结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用，使钢管内部的混凝土处于三向受压状态，使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝土结构的施工难度大，施工成本较高。相比之下，方钢管混凝土结构的施工较为方便，但钢管混凝土受到的约束作用较小，结构的承载力较低。
　　对钢管混凝土柱，一般长细比（λ=4LO/D）小于12∽16的柱为短柱。在实际结构中，钢管高强混凝土轴压柱的长细比超过20，因而构件的承载力取决于稳定性。钢管混凝土长柱承载力的计算时考虑初始缺陷的影响，在短柱界限承载力计算的基础上乘以一个稳定系数φ。我国现行钢结构设计规范对钢结构轴心受压构件承载力的计算，是考虑杆长千分之一的初始挠度，计入残余应力的影响，按照压弯构件用最大强度理论来确定钢构件的临界力。
　　国外钢管混凝土的设计规范主要参考文献一∽文献三，我国的钢管混凝土相关规范参考文献四∽文献七。一些规范对圆钢管截面和方钢管或矩形钢管截面进行了区分。钢管混凝土构件承载力的计算大都采用极限状态设计。构件刚度的计算采用换算刚度法。强度和刚度的设计公式中，考虑混凝土和钢管的贡献都应用叠加法。我国相关规范在圆钢管混凝土短柱轴压承载力计算中都计入钢管套箍系数。柱轴心受压承载力采用稳定折减系数。
　　4.1 短柱极限承载力计算公式
　　短柱承载力又称为压溃荷载，是钢管混凝土各材料达到强度极限的承载力指标。
　　文献一：方钢混凝土短柱轴压承载力：
　　
　　其中：
　　 钢管的截面面积
　　 混凝土的截面面积
　　 钢筋的截面面积
　　 钢管的抗压屈服强度标准值
　　 混凝土的轴心抗压强度标准值
　　 钢筋的抗压屈服强度标准值
　　 钢管的材料分项系数
　　 混凝土的材料分项系数
　　 钢筋的材料分项系数
　　圆钢管混凝土短柱轴压承载力
　　
　　其中：-考虑紧箍效应系数
　　 钢管的厚度
　　 钢管的直径
　　为防止钢管局部屈曲，宽厚比应满足：
　　
　　文献二：美国钢结构协会的设计规程：将混凝土强度折算到钢材中，宽厚比小于限值时，可认为不发生局部屈曲，钢管混凝土轴压承载力：
　　
　　其中： 钢管的截面面积
　　 相对长细比
　　 钢材修正屈服强度
　　文献三：采用叠加原理，填充混凝土和钢管两部分的承载力叠加作为钢管混凝土构件的承载力。
　　圆钢管混凝土短柱在计算其承载力时，考虑钢管和混凝土之间的约束效应而引入承载力提高系数，承载力计算：
　　
　　其中： 应力上升系数，取 0.27
　　 钢材的强度标准值，取
　　 混凝土的圆柱体抗压强度
　　矩形钢管混凝土短柱：不计钢管和混凝土之间的约束作用，承载力计算：
　　
　　文献四：认为圆钢管对核心混凝土的约束作用与螺旋箍筋的约束作用类似。圆钢管混凝土短柱轴压承载力：
　　
　　其中： ―套箍系数，且
　　 钢管设计屈服强度
　　 混凝土轴心抗压强度
　　文献五：主要针对矩形钢管混凝土，短柱承载力计算：
　　
　　其中： -无地震作用组合时，取其等于结构重要性系数；
　　有地震作用组合时，取其为承载力抗震调整系数。
　　文献六：把钢管和混凝土认为是统一的组合材料，通过试验回归得到组合材料的性能指标，采用构件整体几何特性和钢管混凝土的组合材料性能指标计算构件的承载力。圆钢管混凝土短柱的承载力 通过套箍系数（ ）计入钢管和混凝土之间的相互作用。承载力计算：
　　
　　其中：组合构件横截面面积
　　组合轴压强度设计值
　　文献七：采用套箍系数（ ）计入钢管和混凝土之间的相互作用，矩形钢管混凝土构件的承载力 为:
　　
　　其中： 组合构件横截面面积
　　组合轴压强度设计值
　　以上即为国内外钢管混凝土主要规范给出的短柱轴压承载力计算公式。计算钢管混凝土柱轴心受压承载力时，应考虑柱的长细比以及柱端约束情况。一般采用长细比参数通过柱的稳定设计曲线进行计算。
　　4.2 压弯构件承载力计算公式
　　偏心轴压荷载作用下，柱为压弯构件。
　　文献一：钢管混凝土柱设计表达为轴力与弯矩相关曲线，轴力与弯矩应分别满足：
　　
　　其中：稳定承载力系数
　　压杆欧拉临界承载力
　　由相关曲线确定
　　纯弯时的极限承载力
　　文献二：钢管混凝土柱轴力和弯矩相关方程由纯钢柱的压弯相关方程变换得到，两者在形式上完全一致。组合截面的几何特征仍仅考虑外层钢管部分，而刚度和强度则要考虑管内混凝土的影响。轴力和弯矩共同作用下构件的相关曲线用一条直线代替。实际公式中要分别考虑小轴力和大轴力两种情况，小轴力作用下，公式中与轴力有关的一项要减小；大轴力作用下，公式中与弯矩有关的一项要略微减小。
　　
　　
　　其中： 取0.85
　　 取0.9
　　 轴压强度的极限
　　 抗弯强度的极限
　　 名义轴向抗压强度
　　我国规范CECS28:90（1992）方法：引入考虑偏心率影响的承载力折减系数 计算压弯构件承载力：
　　
　　
　　其中：柱端轴向压力对构件截面重心的偏心距
　　 钢管的内半径
　　我国规范CECS159:2004方法：将矩形钢管混凝土构件在压弯作用下的相关曲线简化成一条折线，构件承受的轴力和弯矩应满足：
　　
　　 同时应满足 且
　　
　　其中： -混凝土工作承担系数
　　 钢管的净截面面积
　　 管内混凝土受压区高度
　　 净截面受弯承载力设计值（只有弯矩作用时）
　　
　　
　　参考文献：
　　[1]钢管混凝土设计与施工规程CECS28:29-1990 [S].北京,中国计划出版社,1992
　　[2]矩形钢管混凝土结构技术规程CECS159:2004 [S].北京, 中国计划出版社,2004
　　[3]陈忠汉.组合结构[M].北京,中国建筑工业出版社,2009
　　[4]张向荣.钢管混凝土结构在高层建筑中的应用现状及发展[B].中外建筑,2007
　　作者简介：
　　朴红梅 女 高级工程师，1972年12月4日出生，1994年毕业于沈阳建筑工程学院工业与民用建筑专业

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