建设科技 ＴＩＡＮＵＩＮ ＳＣＩＥＮＣ２Ｅ０＆Ｔ１２年第１期 ＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ３７ 李百明 （天津凯德投资有限公司天津３０００４２） 曹思诚 （天津市海河建设发展投资有限公司 天津３００３８４） 刘永光（天津城投集团天津３００３８１） 钢管混凝土的力学特性研究 【摘要】钢管混凝土是铜一混凝土组合结构中的一种组合设计形式，兼具铜结构和混凝土结构的一些 特征，可以充分地发挥钢材和混凝土两种材料的优点，弥补彼此的缺点，因而具有优良的力学性能和经济 性。铜管混凝土兼有混凝土的抗压强度高，抗弯能力很弱，及钢材的抗弯能力强和弹塑性变形性能力好等 一系列优良的力学性能。介绍了钢管混凝土的工作原理及其力学特性，并指出了钢管混凝土力学特性研 究中的关键问题。 【关冀词】钢管混凝土组合结构 力学性能组合效应 ０引言 钢管混凝土（Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｆｉｌｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｅ，简称ＣＦＴ）是钢一 施加侧向约束，使管内混凝土处于三向受压的应力状态，延缓 其纵向微裂缝的发生和发展，从而提高其抗压强度和压缩变 形能力。②借助内填混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳 定性，改变空钢管的失稳模态，从而提高其承载能力。利用钢 管和混凝土中材料在受力过程中的相互作用即钢管对混凝土 的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土 的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，由于混凝 混凝土组合结构中的一种组合设计形式，在建筑结构和桥梁 结构中得到了广泛应用。钢管混凝土兼具钢结构和混凝土结 构的一些特征，可以充分地发挥钢材和混凝土两种材料的优 点，弥补彼此的缺点，因而具有优良的力学性能和经济性。 钢管混凝土是在钢管中填充混凝土而形成的构件，其本 质属于套箍混凝土。钢管混凝土按其截面形式不同，可分为圆 土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，可以保证其材 料性能的充分发挥；另外，在钢管混凝土的施工过程中，钢管 钢管混凝土、方钢管混凝土和矩形钢管混凝土，如图１所示。 另外，为充分发挥钢管混凝土的承载力、减小长细比，还可以 将钢管混凝土设计成中空夹层的截面形式，如图２所示。 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 ＿Ｔ难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。 还可以作为浇筑其核心混凝土的模板。 １．２钢管混凝土的基本特点 混凝土的抗压强度高，抗弯能力很弱；而钢材具有很好的 抗弯能力和良好的弹塑性变形性能，但在受压时容易失稳而 丧失轴向抗压能力。钢管混凝土的出现将二者的优点结合在 一起：钢管的约束使得核心混凝土处于三向受压状态，其抗压 强度可成倍提高，同时核心混凝土防止了钢管过早的屈曲，提 高了钢管的刚度。 （ａ）圆形 （ｂ）方形 （ｃ）矩形 相对于普通的钢筋混凝土结构，钢管混凝土结构具有良 好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面：【引 １．２．１承载力高钢管的稳定具有缺陷敏感性的特点，受残 图１ 常见钢管混凝土的截面形式 余应力等缺陷的影响较大，其实际承载力远低于强度承载力 且不太稳定。填充混凝土后，由于混凝土的支撑作用，可以避 免或延缓钢管壁的屈曲，保证了钢材材料性能的充分发挥。同 （ａ）圆套圆 （ｂ）方套方 图２（ｃ）圆套方 （ｄ）方套圆 时由于钢管对核心混凝土的约束作用，核心混凝土处于三向受 压状态，提高了混凝土的抗压强度。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。 １．２．２延性好混凝土的脆性较大，特别是高强混凝土更是 如此。钢管和混凝土之间的相互作用使得钢管内部混凝土的 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， 即使在冲击和振动荷载作用下也具有良好的韧性。钢管混凝 土短柱轴心受压试验表明，试件压缩到原长的２，３，纵向平均 夹层钢管混凝土截面 ａ 钢管混凝土的－ｒ＇￣ｑ原理及基本特点 １．１ 工作原理 钢管混凝土的基本原理：①利用横向钢管，对受压混凝土 收稿日期：２０１２－０１—０５ ２０１２年第１期 ＴＩＡＮＪｌＮ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 建设科技 应变达３０％以上时，试件仍有承载力。 ２钢管混凝土的力学性能 钢管混凝土组合柱具有一系列优良的力学性能，与此同时 组合效应也导致钢管混凝土的力学性能更加复杂。因此，如何 合理地解释钢管混凝土中钢管和核心混凝土两部分之间相互 作用的“效应”，成为迫切需要解决的钢管混凝土理论热点课 题。在轴压作用下，钢管混凝土柱核心混凝土的初期横向变形 比钢管的横向变形要小，混凝土与钢管各自承受竖向压 力，两者都属于单轴受压应力状态。但由于混凝土的泊松比随 压力的增大而增长，当核心混凝土的横向变形超过了钢材后， 钢管开始对混凝土的膨胀产生约束，此时核心 昆凝土处于三向 受压应力状态；而钢管由于处于纵向及径向受压、环向受拉使 得钢材抗压屈服强度有所降低，但极限应变却增大了，即强度 下降，塑性变形能力增大。因此，在轴压作用下，钢管混凝土不 仅具有良好的延性及塑性性能，其承载力也要高于外包钢管和 核心混凝土的承载力之和，即产生了所谓的“ｌ＋ｌ＞２”的组合 效果。为了保证钢管对混凝土产生较好的约束作用以及钢管自 身在轴压作用下不至于过早屈服，各国在钢管混凝土的相关规 范中都规定了钢管混凝土的套箍指标： ： Ａ‘：｝ 其中 为钢管的抗拉、抗压强度设计值， 为核心混凝土 抗压强度设计值，Ａ 和Ａ 分别为钢管和核心混凝土的截面积。 套箍指标不仅体现了钢管对核心混凝土的约束作用，还反映出 组合构件的含钢量。我国《钢管混凝土设计与施工规程 中规 定圆形截面钢管混凝土构件的套箍系数应在０．３～３．０之 间，径厚比（Ｄ／ｔ）应在下面的范围内： ２叭／Ｖ 鸳王≤ ≤８ｔ ５、／２Ｖ ｊ３ ７５ 一 （２） ｙ 与轴压构件相比，钢管混凝土在偏压荷载下的承载力下 降，变形能力减小。其原因在于：钢管混凝土的承载力和变形能 力主要取决于钢管混凝土截面受压区的套箍作用，套箍作用不 但提高了受压区混凝土的承载力，而且还增加了钢管混凝土的 塑性变形能力。由于偏压构件的截面上应力分布不均匀，压应 力较大部位的套箍作用较大，压应力较小部位的套箍作用较小 或为零，而受拉区则不产生套箍作用，或通过黏结力产生反向 拉应力，使得构件的塑性变形能力减小。但不管是偏心受压还 是轴心受压构件，其承载力随含钢量增加而增大，随长细比增 大而减小；在构件不发生失稳破坏时，含钢量和长细比对构件 竖向应变影响不大，而构件产生的挠度随长细比的增加而增 大。［５－７］ 钢管混凝土压弯构件在低周往复荷载下的骨架曲线没有 显著的下降段，具有很好的延性，这是因为钢管混凝土构件中 的混凝土受到了外包钢管的有效约束，在受力过程中不会发生 因混凝土被压碎而导致构件破坏的现象；另外，由于混凝土的 存在可以避免和延缓钢管的局部屈曲，可以保证钢材的性能被 充分利用。 在外包钢管和核心混凝土的相互作用下，钢管混凝土的滞 回曲线饱满，表明钢管混凝土具有良好的抗震耗能能力；同时 钢管混凝土的滞回曲线表现出良好的稳定性，在钢管混凝土塑 性铰区钢管发生破坏从而丧失对核心混凝土的约束之前，滞回 曲线都没有严重的刚度退化和承载力退化。钢管混凝土柱表现 出的抗震性能与不丧失局部稳定性的钢柱相似；但与钢管混凝 土柱相比，一些建筑工程中的钢柱常常需要采用很厚的钢板以 确保其不发生局部失稳，因此，钢管混凝土柱的抗震性能要优 于相同承载力的钢柱。与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的 自重大幅度减小，地震作用引起的地震反应也将减小。高层建 筑中采用钢管混凝土柱和钢梁等结构体系比采用钢筋混凝土 结构自重可以减少１／３～１／２，地震作用可以减小一半，相当于 设防烈度下降一度。国内外学者对钢管混凝土的抗震性能试验 表明，钢管混凝土的抗震性能主要受含钢率、钢管钢材的屈服 强度、核心混凝土强度、轴压比等因素的影响。１９－１１１ ３钢管混凝土力学特性的关键问题 基于组成钢管混凝土的钢管及其核心混凝土之间组合作 用的特点，钢管混凝土恢复力模型是钢管混凝土动力性能研究 中的关键问题。众所周知，恢复力模型主要有３类：材料恢复力 模型、构件恢复力模型和结构恢复力模型。其中材料恢复力模 型最重要，它是建立另外两种恢复力模型的基础。钢管混凝土 由于存在组合作用，而在材料恢复力模型中又必须考虑这种组 合作用，导致其材料恢复力模型极其复杂。目前在钢管混凝土 动力分析中可用的材料恢复力模型很少，还需进一步研究钢管 混凝土的材料恢复力模型。 钢管混凝土之所以具有一系列优越的力学性能，是由于钢 管与核心混凝土之间存在约束效应，使二者在受力过程中可以 共同工作。约束效应的大小与钢材强度等级和混凝土强度等级 有很大关系，但并不是强度等级越高约束效应就越大，两种材 料的强度等级之间存在一个相互匹配的关系。研究钢管混凝土 的动力性能必须注意两种材料之间的匹配，获得最佳的约束效 果。与其他结构形式相同，钢管混凝土结构的抗震性能试验需 通过结构模型来进行；但与其他结构不同的是，钢管混凝土结 构构件是由两种材料组成的，钢管对核心混凝土有约束效应， 而这种约束效应又是二者共同工作的基础，当构件的尺寸按相 似比的条件缩小时，约束效应也将随之改变，这样会造成与实 际结构不符。为了不影响试验结果的真实性，必须对材料或构 件尺寸进行调整，具体如何调整还需进一步的研究。在动力荷 载作用下钢管混凝土节点的受力状态非常复杂，处于压弯剪扭 组合受力状态下。另外，某些结构的荷载大且分布复杂，实验室 中很难一一模拟，在现有的实验条件下，如何做才能尽可能与 实际受力状态相符，研究者应仔细考虑。以上是对关键问题的 论述，在进行钢管混凝土动力性能研究时应密切注意。 ４结语 现代建筑工程对建筑材料和建筑结构的要求越来越高。钢 管混凝土能够适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展以及 承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而 正被越来越广泛地应用于工业厂房、高层和超高层建筑、拱桥 建设科技 ＴｌＡＮＪｌＮ ＳＣｌＥＮＣ２Ｅ０＆Ｔ１Ｅ２年第１期 ＣＨＮＯＬＯＧＹ 张松（铁道第三勘察设计院集团有限公司 天津３００１４２） ＰＵＳＨＯＶＥＲ分析在框架结构中的应用 【摘要】阐述静力弹塑性分析的基本原理，并结合我国最新的抗震规范对钢筋混凝土框架结构进行 框架结构 罕遇地震性能点 了分析计算，结果表明静力弹塑性方法是在罕遇地震作用下对结构进行弹塑性分析的有效方法。 【关冀词】静力弹塑性１ ＰＵＳＨｏＶＥＲ分析的基本原理 静力弹塑性分析方法（即ＰＨＳＨＯＶＥＲ分析）是基于性能 抗震设计的一种方法。它是结构分析模型在一个沿结构高度 能力谱法是美国ＡＴＣ４０采用的方法，也是日本新的建筑 基准法采用的方法。其基本思想是建立两条相同基准的谱线： 一条是由荷载一位移曲线转化为能力谱曲线；另一条是由加 速度反应谱转化为需求谱曲线。把两条曲线放在同一个坐标系 中，两条曲线的交点称为“结构抗震性能点”，性能点所对应的 位移就是相应水平地震作用下的位移，并同容许值比较，来判 断是否满足抗震要求。 １．１能力谱的转换 为某种规定分布形式且逐渐增加侧向力或侧向位移的作用下， 直至结构模型控制点达到目标位移或结构倾覆为止的过程。 静力弹塑性分析可以用于计算建筑结构在罕遇地震作用下薄 弱部位的弹塑性变形计算。该方法基于如下两个基本假定：① 多自由度体系结构的反应与该结构的等效单自由度体系的反 应相关，因此该方法主要适用于由第一振型控制的结构；②在 侧向加载的每个步骤内，结构沿高度的变形形状保持不变。静 力弹塑性分析主要包括两个内容：一是建立结构的荷载一位 移曲线，并将其转化为能力谱曲线；二是采用特定的方法对结 取荷载一位移曲线上任意一点Ｖ 、ｄ ，转为能力谱的相应 的点 、 ： ｓ ｉ （１） ｎ （２） ｓ ＝ｄｎ 构进行抗震能力的评估。目前，我国普遍采用能力谱法对结构 进行抗震评估。 式中 为第一振型参与系数； 为第一振型等效质量系数。 １．２需求谱转换 收稿日期：２０１ ２一Ｏ１—０５ 由规范的加速度反应谱（Ｓａ—Ｔ谱）转换为ＡＤＲＳ谱（纵坐 和地下结构中，并已取得良好的经济效益和建筑效果，是结构 构设计与施工规程［Ｓ］．北京：中国计划出版社，１９９２． ［５］蔡绍怀，焦占拴．钢管混凝土短柱的基本性能和强度计算 工程科学的一个重要发展方向。钢管混凝土兼具钢结构和混凝 土结构的一些特征，可以充分地发挥钢材和混凝土两种材料的 优点，弥补彼此的缺点，因而具有优良的力学性能和经济性，但 ［Ｊ］．建筑结构学报，１９８４，５（６）：ｌ３—２９． ［６］蔡绍怀，顾万黎．钢管混凝土长柱的性能和强度计算［Ｊ］．建 同时组合效应也会导致钢管混凝土的力学性能更加复杂。因 筑结构学报，１９８５，６（１）：３２－４０． ［７］李继读．钢管混凝土轴压承载力的研究［Ｊ］．工业建筑，ｌ９８５ （２）：２５－３１． 此，如何合理地解释钢管混凝土中钢管和核心混凝土两部分之 间相互作用的“效应”，进而判断其力学特性，是钢管混凝土理 论研究和工程应用中亟待解决的热点课题。一 参考文献 ［８］蔡绍怀，顾万黎．钢管混凝土抗弯强度的试验研究［Ｊ］．建筑 技术通讯（建筑结构），１９８５（３）：２８－２９． ［９］顾维平，蔡少怀，冯文林．钢管高强混凝土长柱性能与承载 ［１］蔡绍怀．钢管混凝土结构的计算与应用［Ｈ］．北京：中国建筑 出版社，１９８９． 力的研究［Ｊ］．建筑科学，１９９１（３）：３－８． ［１Ｏ］谭克峰，蒲心诚，蔡绍怀．钢管超高强混凝土的性能和极限 ［２］钟善桐．钢管混凝土结构［Ｈ］．哈尔滨：黑龙江科学技术出版 社，１９９４． 承载力研究 ］．建筑结构学报，１９９９，２０（１）：１０－１５． ［１１］谭克峰，蒲心诚，蔡绍怀．钢管超高强混凝土长柱及偏压 ［３］蔡绍怀．现代钢管混凝土结构［Ｈ］．北京：人民交通出版社， ２００３． 柱的性能和极限承载力研究［Ｊ］．建筑结构学报，２０００，２１ （２）：１２—１９． ［４］中国工程建设标准化协会标准．ＣＥＣＳ２８：９０．钢管混凝土结
