罗 露 露

(武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

0 引言

钢管混凝土结构将钢管与混凝土组合在一起成为一种高效的复合材料，与传统的钢筋混凝土相比，展现出很大的优势。在轴向压力作用下，外包的钢管对内部的混凝土起着环箍作用，提高了混凝土的强度、韧性和耐久性能，为混凝土的成型兼顾模板的作用。而混凝土的存在又使得外部钢管抗屈曲能力提高，结构的稳定性提高。大量研究结果表明组合材料的综合性价比明显高于两种材料本身。而影响这种组合结构受力的因素很多，比如截面形式、粘结情况、是否加劲等，针对这一问题，文章总结了钢管混凝土轴压承载力的计算理论，并探讨了钢管混凝土受压构件承载力的影响因素，为进一步深入对钢管混凝土结构承载能力的研究创造一定的条件。

1 钢管混凝土轴压承载力计算理论

在钢管混凝土结构的运用中，首先要解决的问题是如何通过理论计算其承载力。通过大量学者的试验研究和工程经验总结，形成了相对完整的结构计算理论，并编制成为相应的结构设计规范。目前国外关于钢管混凝土结构的设计规范主要有日本的AIJ(1997)、美国的ASCI-LRFD(1999)和ACI(1999)、英国的BS5400(1979)、德国的DINI18800(1997)、欧洲的EC4(1997)；国内的主要有JCJ 101—89(1989)，DL/T 5085—1999，DB 29—57—2003，DBL13—51—2003。这些规范所运用到的理论归纳起来为三种。第一种以钟善桐为代表，把钢管和混凝土看作一个整体的统一理论，在计算承载力时不具体区分钢管和混凝土两种材料，计算简单，但结果偏于安全。第二种基于钢结构设计规范提出的拟钢理论，把混凝土通过换算模量折算成钢材，内部的混凝土使钢管壁的屈服强度和弹性模量提高，但在计算时忽略了混凝土的抗拉及抗弯能力，与实际结构受力不一致，容易导致结构设计不准确。第三种称为拟混凝土理论，认为外部的钢管对内部核心混凝土起着套箍加强作用，钢管等效为混凝土周围的纵向钢筋。这种套箍作用在圆钢管混凝土结构中适用性比较好，但方、矩形钢管混凝土结构，钢管的套箍作用很小，这种理论无法准确计算出其承载力。由此可见，基于这三种理论基础之上的各国设计规范或规程，在计算方法和计算结构上均有所出入。再加上钢管混凝土结构实际受力的复杂性，导致三种理论均具有一定的缺陷和不足，需要进一步完善。

2 钢管混凝土受压承载力的影响因素

2.1 截面类型对钢管混凝土受压承载力的影响

目前对于钢管混凝土所做的研究主要集中在方形和圆形两种截面类型，为了提高钢管和混凝土之间的相互作用，在截面设置加劲肋。钢管混凝土的承载能力，随着钢管的壁厚、长细比、含钢量、加劲肋的布置形式而发生变化。罗露露[3]通过试验对10个方钢管混凝土短柱试件进行研究，探讨了钢管壁厚、含钢量及加劲肋等对试件轴压极限承载力的影响。其试件截面如图1所示。试验结果如表1所示。

说明：c，d截面在加劲肋的布置上一样，肋宽上有区别：c为40 mm宽；d为60 mm宽。

表1 罗露露[3]试验结果

1)在其他条件相同的情况下，钢管壁厚增加，其承载力得到提高。以试验结果进行分析，10 mm壁厚的钢管混凝土试件其承载力较6 mm厚的钢管混凝土试件，a,b,c,d,e截面的承载力分别提高了30.23%,31.52%,19.56%,12.9%,7.56%。

2)在其他条件相同的情况下，含钢量越大，试件的极限承载力也越大。6 mm厚的截面含钢率从0.13到0.2，其承载能力提高了42.86%；10 mm厚的截面含钢率从0.23到0.34，其承载能力至少提高了17.98%(d,e试件最终未破坏)。

3)在其他条件相同的情况下，随着加劲肋数量的增加，试件的极限承载力显著提高。截面从无加劲肋到双向双排加劲肋，其承载能力提高范围为17.98%～42.86%。

由此可见，加大钢管的壁厚、截面的含钢率及布置一定数量的加劲肋均能使钢管混凝土构件的极限承载能力得到提高。

彭炜[4]通过ANSYS进行理论分析，对长细比(λ=4L/D)从110～200的钢管混凝土柱进行了承载力分析，计算结果如图2所示。长细比从110增大到200，截面的极限承载力从482.52 kN降到167.19 kN，说明随着长细比的增加，截面稳定承载力在逐渐下降。其中λ在110～170范围内，降低较快；170～200时降低比较缓慢。

2.2 粘结情况对钢管混凝土受压承载力的影响

钢管与混凝土之间的粘结与滑移对钢管混凝土轴压承载力的影响，尧国皇[5]制作了12个圆试件和8个方试件，截面径(宽)厚比从30增大到125，在有粘结和无粘结两种状态下，进行了相关试验。对试验数据进行整理，如表2所示。

表2 尧国皇[5]有粘结和无粘结试验结果

比较表2中的数据，在圆钢管中，有粘结的试件其极限承载能力比无粘结试件的极限承载力要高一些，但是提高的效果并不明显，其提高率在6.89%～10.07%。方钢管混凝土试件表现出相同的规律，有粘结试件的极限承载力比无粘结的极限承载力仅仅提高了3.5%～8.31%。由此看出，在其他条件相同的情况下，有粘结和无粘结对试件轴压承载力的影响并不大，对圆钢管混凝土试件的影响要稍微大一些。

2.3 膨胀剂对钢管混凝土受压承载力的影响

在钢管混凝土中加入膨胀剂，能够使混凝土的密实性得到提高，会不会因此对钢管混凝土的承载能力产生影响。杨阳[6]通过对3个圆钢管混凝土试件进行了研究，其截面尺寸为140 mm×2.2 mm×500 mm。在混凝土中分别掺入0%,4%,8%的膨胀剂，对应的钢管混凝土试件的极限承载力分别为957 kN,1 272 kN,1 156 kN。由此可见，在混凝土中加入膨胀剂其承载力得到了提高，最大提高32.9%。但是钢管混凝土的极限承载力与膨胀剂的掺量不成正比关系。在该试验中膨胀剂的掺量为4%的时候，承载力提高的最多，相反掺量为8%的时候却只提高了20.8%。

2.4 混凝土徐变对钢管混凝土受压承载力的影响

钢管混凝土徐变，是指由于核心混凝土的徐变而引起的钢管和混凝土在受到外界荷载时的内力重分布。但是与普通的钢筋混凝土的徐变不同，钢管混凝土的核心混凝土在钢管的包裹下，处于密闭状态，且变形受到钢管的限制，其机理更为复杂。研究表明，徐变对钢管混凝土的承载能力有较大的影响。杨阳[6]以大跨度钢管混凝土系杆拱桥为例，通过建立数值分析模型，对钢管混凝土拱肋进行了理论研究，结果表明，混凝土的徐变对钢管和混凝土的应力有明显的影响。钢管在3 600d的压应力下显著提高，提高幅度为15.7%～23.8%。混凝土在3 600d的压应力下显著降低，降低幅度为17.9%～20.3%。这对于大跨度钢管混凝土系杆拱桥结构是非常不利的，因此必须重视徐变对结构承载力产生的影响。

3 结语

通过文章分析可以得出以下结论:

1)钢管混凝土承载力的计算理论与钢管混凝土的实际受力情况存在着一定的差异，有待进一步深入研究。

2)适当增加钢管的壁厚、选择合适的截面含钢率以及布置一定数量的加劲肋，在一定范围内可以提高钢管混凝土的轴压承载能力。

3)在一定范围内，钢管混凝土截面承载力与长细比成负相关。

4)钢管与混凝土之间的粘结强度对其轴压承载力的影响可以忽略不计。

5)在混凝土中增加一定量的膨胀剂可以提高混凝土的密实性，在一定程度上可以提高钢管混凝土结构的轴压承载能力。

6)混凝土的徐变会使得钢管与混凝土的受压承载力降低。

目前对其承载能力的研究已经取得了一定的成果，对钢管混凝土结构在实际的运用中有一定的指导意义。但是随着钢管混凝土结构在大型桥梁工程、地铁站的建设、高层建筑工程和单层多层工业厂房柱的应用越来越多，其受荷载情况和使用环境的复杂性，对其承载能力的影响因素变得更为复杂。本文对已有研究成果进行分析，希望能在此基础之上，会有更多的学者对其在复杂工作环境中的受力性能进行深入的研究，让钢管混凝土结构在更广阔的范围中得到应用。