赵永涛，陈 军

（天津中建七局华北公司，天津 塘 沽300450）

1 钢管混凝土柱的工作机理

钢管混凝土柱是依靠内部混凝土和钢管壁共同作用，承担轴向压力和弯矩作用。钢管混凝土柱在轴向压力作用下，柱芯混凝土承担一部分压力，钢管壁承受一部分压力。另外，钢管壁对柱芯混凝土的约束，使得柱芯内部的混凝土处于三向受压状态，大大提高了混凝土抗压极限应力，促使柱芯混凝土顺纵轴的微裂缝有重新闭合的趋势，约束了混凝土的破坏。因此，钢管混凝土细微裂缝的发生和发展只有在较高的压应力下才会产生。而微柱的失稳就只有在更高的应力下才能发生，其结果提高了混凝土的抗压强度和抗变形能力。

钢管混凝土柱的工作机理具有三向受压混凝土的特点。在侧压力不太高的情况下，混凝土的破坏面主要是粗骨料和水泥砂浆的结合面。如果侧压力很高，沿骨料和水泥砂浆结合面形成的微柱始终不失稳，则混凝土的破坏就是粗骨料的破坏，混凝土粗骨料将如同处于三轴压力的岩石一样，在更高的轴向压力下，在平行于最大主压应力的平面形成第二层次的微柱。随着压应力的进一步增加，最后这些第二层次的微柱失稳而导致混凝土的破坏。

钢管与混凝土的有效结合，充分利用了钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，并利用了两者共同作用产生的合力效应，达到提高钢管混凝土柱整体抗压能力的效果。此外，利用钢管壁对内部混凝土的保护作用，减少混凝土的自然损坏，增加耐久性。

2 钢管柱芯混凝土的浇筑方式

2．1 泵送顶升浇筑法

在钢管接近地面的适当位置安装一个带闸门的进料支管，直接与泵车的输送管相连，由泵车将混凝土连续不断自下而上灌入钢管，无需振捣。

2．2 立式手工浇筑法

将混凝土自钢管上口灌入，当管径大于350mm时，用插入式内部振捣器振捣密实，每次振捣时间不少于30s，混凝土一次浇筑高度不超过2m；当管径小于350mm时，可采用附着在钢管外壁的外部振捣器进行振捣，外部振捣器的位置应随混凝土浇灌的进展而加以调整。

2．3 高位抛落无振捣法

以混凝土下落产生的动能达到振实混凝土的目的。它适用于管径大于350mm，高度不小于4m的情况。对于抛落高度不足4m的区段，应用内部振捣器振密，一次抛落量宜在0．7m3［1］。

3 钢管混凝土柱的受力分析

多肢钢管混凝土柱充分利用混凝土的抗压性能、钢管格构的抗弯矩性能及其两者有效结合产生的联合效应，承受上部偏心荷载的作用。将偏心受压的作用可以分解为轴向压力和弯矩作用。本文重点分析轴向压力的作用以及多肢钢管混凝土柱的抗压性能。

3．1 结构受力分析的理想状态假设条件

为便于简化理论分析，在对钢管混凝土柱进行受力状态分析前，进行如下假设：混凝土内部为匀质；受压特点为截面均匀受压；混凝土与管壁结合完美，即共同作用的效用理想；管壁无缺陷，钢管壁厚薄一致，材质同一。

3．2 抗压性能分析

钢管与其中的混凝土共同作用，主要承担上部结构施加的静荷载和可变荷载。两者结合产生的抗压强度远大于二者抗压强度的简单相加，为便于分析，将柱芯混凝土，钢管壁分别隔离研究其受压状态及破坏路径，最后在对二者共同作用所增加的抗压能力做一简单归纳。大量实验表明：钢管混凝土短试件在轴向力的作用下钢管和核心混凝土随着纵向压力的增加两者均产生较大的纵向应力和纵向应变。

3．2．1 混凝土的抗压性能

F1＝πr2，

式中，F1为混凝土极限承载力；r为钢管混凝土截面半径；σ0为混凝土抗压强度。当外界荷载F1＇增加到F1时，柱芯混凝土即达到破坏临界压力。继续增加F1＇，当F1＇＞F1，柱芯混凝土应力释放，导致混凝土破坏（图1）。

图1 柱芯混凝土受压

3．2．2 钢管壁的抗压性能

F2＝πt（R＋r）σ0，

式中，F2为钢管壁的极限承载力；R为钢管外径；r为钢管内径；σ0为混凝土抗压强度。当外界荷载F2＇增加到F2时，钢管壁即达到破坏临界压力。继续增加F2＇，当F2＇＞F2，钢管壁应力释放，导致钢管抗压能力急剧下降而导致破坏（图2）。

图2 钢管壁受压

3．2．3 钢管壁与柱芯混凝土的共同作用

钢管混凝土柱在轴向压力的作用下，钢管壁与混凝土共同作用的应力路径是比较复杂的。可以肯定的是，钢管壁对柱芯混凝土的约束作用，成倍提高了混凝土的抗压性能。大量的工程实际也充分证明，钢管壁对柱芯混凝土的约束作用及其对提高混凝土抗压强度起到了积极的作用。

钢管混凝土柱在轴向压力作用下，将产生横向变形。横向应变与纵向应变的关系为：

εIS＝μSε3S，εIC＝μCε3C

式中的ε3，ε1分别为纵向、环向应变，μ为材料的泊松比，下标S，C分别代表钢管和核心混凝土。在轴向力作用下钢管和核心砼的变形是协调的，即ε3S＝ε3C。钢材的泊松μS在弹性阶段为一常数（0．283），进入塑性阶段（应力达屈服点fy时）增大至0．5而保持不变。而混凝土的横向变形系数μC则为变数，可以从低应力时的0．17增加到0．5至1．0甚至大于1．0。由上式可见，钢管混凝土在轴心压力N作用下，开始时μS＞μC，故εIS＞εIC，但μC在很快赶上μS，则μS＝μC，而εIS＝εIC，随后μC＞μS，εIC＞εIS。

上述分析表明钢管混凝土在轴向压力作用下混凝土向外的横向变形大于钢管向外的横向变形。钢管约束了砼，在钢管与混凝土之间产生了相互作用力，从而使钢管纵向和径向受压而环向受拉，混凝土则处于三向受压状态（图3、图4和图5）。

图3 钢管壁的约束作用

图4 柱芯混凝土三向受力

图5 钢管壁切线方向的环向拉应力

为便于理解，将二者共同作用所增加的部分抗压能力按下式计算：

F3＝Δsσ。

式中，Δs为约束系数（与混凝土和钢管壁的弹性模量、泊松比和钢管内外径有关的综合调整系数）；σ为约束应力（与混凝土抗压强度，钢管壁极限抗压应力有关的综合调整值）。

钢管壁与柱芯混凝土的共同作用，提高了混凝土的抗压强度，同时塑性性能得到了很大的改善。由原来的脆性材料转变为塑性材料，这一转变决定了钢管混凝土这种结构形式的基本性质和特点。可以将钢管混凝土柱的轴向抗压性能归纳如下：

F＝F1＋F2＋F3＝π（R－r）tσ＋πr2σ＋Δsσ

4 钢管混凝土柱的缺陷分析

4．1 空腔

在浇筑混凝土的过程中，空气混入混凝土拌合物，大部分可以排出。少量残留的空气聚集成空腔，形成混凝土空气夹层。空气夹层的存在，导致相关截面的抗压强度减小，降低了钢管混凝土柱的整体抵抗轴向压力的能力。混凝土的配合比不当，泵送混凝土的坍落度大于180mm。由于用水量大，造成混凝土的干缩变形大而引起脱空。

4．2 收缩缝缺陷

混凝土在硬化过程中，体积收缩变形引起的应力大于混凝土与钢管的粘结应力后所形成的缝隙。

4．3 混凝土与管壁粘结不良

由于钢管壁和混凝土两种材质的性质差异，加上施工过程中的出现的缺陷，柱芯混凝土与钢管壁结合不良。钢管内壁的锈蚀、杂质未除尽，以及空气夹层的存在，使得柱芯混凝土和钢管壁不能有效结合。

图6 钢管壁与混凝土的不完美结合

4．4 混凝土缺陷

混凝土在搅拌过程中，实际投料的比值与理论配合比的偏差，以及混凝土搅拌完毕至浇筑完成的时间间隔，都是影响混凝土浇筑质量的重要因素。由此可能引起混凝土内部孔洞、离析、松散不密实。

4．5 柱身完整性遭到破坏

柱芯混凝土浇筑的需要，在柱身开孔，破坏了钢管壁的完整性，虽经过补焊，在一定程度上弥补了孔洞导致的柱身缺陷，但无法保证柱身的抗压应力达到完整管壁的状态。柱身开孔导致钢管壁的破坏以及柱芯混凝土的孔洞（图7至图9）。

图7 柱身开孔及补焊

图8 柱芯混凝土孔洞

图9 开孔部位的补焊缺陷

4．6 混凝土与柱顶端板的收缩缝隙

柱芯混凝土浇筑完毕时（主要是顶升法存在此类现象），由于下部卸压，柱芯混凝土顶端与钢管柱端板接触部位，出现微小缝隙，加之随后的混凝土硬化收缩，使得柱芯混凝土顶端出现成片微缝（图10）。

图10 混凝土与柱顶端板的缝隙

在轴心压力作用下，上部端板的应变不足以使得柱芯混凝土分担荷载，此时，钢管壁承担了所有的荷载。因此，该部位形成钢管混凝土的薄弱环节之一。假设，上述缺陷导致的抗压应力损失为σi，缺陷的数量调整系数为Si。每种缺陷导致的抗压能力损失为：

Fi＝σi×Si

在某一截面的最大抗压力则为：

F（σ）＝F－Fi

随着压应力的增加，首先在F（σ）＝F－max（Fi）的位置，出现破坏。由于材料、施工工艺及人为因素的影响难以避免，建立在假设条件之上的理论分析与实际的应力传递路径存在偏差。实际上，在某些部位的应力分布和传递情况比理想状态要集中。在这些部位，最容易出现受压破坏的情况。另外，加上弯矩和轴向压力的共同存在，导致上述部位成为应力释放的突破点，并最终导致钢管混凝土柱的整体失稳，承载力急剧降低。

5 防止钢管混凝土柱破坏的应对措施

5．1 加强振捣

顶升法浇筑柱芯混凝土是依靠地泵泵送的向上推力将混凝土由下向上顶满钢管，由于重力作用，混凝土比较密实。在浇筑过程中，不得振捣，以免顶升压力不足，导致浇筑中断。高空抛落免振捣法和立式手工浇筑法施工，必须及时充分振捣，使得混入混凝土内部的空气能够及时排除，避免在钢管柱内形成空气层。

5．2 注浆

对于细微缝隙，鉴于其带来的危害较大，必须及时检测，并进行压浆处理。环氧糠酮浆液可用于处理大于0．1mm的缝隙，该材料收缩率低，稳定性好，抗拉强度大于15MPa，抗压强度大于60MPa，与混凝土的粘结力大于25MPa。尤其是此压浆材料造价较低，操作方便，而且比较安全，强度较高。

另一种处理微小缝隙的方法是在其中注入甲凝浆液，甲凝浆液的粘度低，甚至比水还低，可灌性更好，可注入细微裂隙（0．05mm），且粘结强度高，物理性能好，耐老化，其抗压强度高达60MPa以上。由于其相对费用较高，且部分材料有剧毒，因此在施工中往往采用第一种压浆材料［3］。

5．3 加强施工中的过程质量控制

钢管混凝土使用的粗骨料一般都经设计确认在一定的粒径范围内，并对水灰比、坍落度有严格要求。在拌制混凝土时必须严格按照规定进行，以免影响混凝土成型质量。为满足坍落度的要求，须加入适量减水剂，同时，为减少收缩量，掺入适量的混凝土膨胀剂。

5．4 补焊

柱身开孔等造成的柱身缺陷，需要严格按照焊接质量要求，保证焊缝焊接质量，避免应力损失。使用开孔焊割掉的材料在完成混凝土浇筑后补焊到原来位置。补焊的钢板应与钢管壁齐平，不得突出钢管壁。以保证开孔部位的钢管壁在受压时应力分担均匀，保证柱身的完整性。

5．5 加劲肋的合理设计

增加加劲肋主要用于钢管混凝土柱顶端板下部（图11）所示，通常将加劲肋均匀设置为四肋或六肋。加劲肋的设置，使柱顶荷载的应力传递路径改变，由原来的钢管壁和柱芯混凝土的共同承压，变为竖向加劲肋分担顶端板传递的压力。尤其是在存在柱芯混凝土顶端缝隙的情况下，能分担该水平截面内钢管壁的压力。加劲肋将分担的轴向压力，向下传递给下部的钢管壁和柱芯混凝土，从而增加了钢管混凝土柱顶端部分的抗压能力。

图11 增加加劲肋

6 结语

钢管混凝土柱在偏心压力的作用下，应力传递的实际路径与理论分析存在一定的偏差。由于施工工艺、材料及人为因素的影响，出现的一般缺陷足以导致钢管混凝土柱在这些缺陷部位首先破坏，以释放比较集中的压应力。并最终导致钢管混凝土柱整体失稳。因此，研究钢管混凝土柱的一般缺陷，分析其破坏机理，并提出相关应对措施，对于提高钢管混凝土的承载能力，提高钢管混凝土柱的质量水平具有借鉴意义。

［1］王寿华．建筑施工手册（第四版）［M］．北京：中国建筑工业出版社，2009．

［2］刘 勇．浅谈钢管混凝土结构［J］．施工技术，2011（1）：31～32．

［3］刘东平．钢管混凝土柱的检测与补强［J］．建筑技术，2001，32（6）：393～394．