矩形钢管混凝土柱受力性能关键影响参数研究进展

摘 要：介绍了国内外矩形钢管混凝土柱受力性能关键影响因素的研究进展，主要包括钢管板件局部屈曲行为、混凝土横向约束
效应、加劲肋设置、钢管和混凝土间的界面抗剪强度及混凝土的收缩和徐变五个方面，指出了矩形钢管混凝土柱需进一步研究的
方向。
关键词：矩形钢管混凝土柱，局部屈曲，约束效应，加劲肋
中图分类号：ＴＵ３９８．９
和残余应变的影响，提出了焊接钢管混凝土柱弹塑性局部屈曲板 件宽厚比限值的计算方法。建议发展全截面塑性焊接截面的板 件宽厚比限值为 ６０。郭兰慧等［６］研究了初始几何缺陷、残余应力
偏压和轴压情况下，设置直肋薄壁钢管混凝土柱比普通薄壁钢管 混凝土柱的极限承载力有较大提高。黄宏等［１８］研究了带肋方钢 管混凝土柱受力性能。带肋构件对混凝土的约束作用主要集中
及钢板屈曲后强度对填充混凝土钢管的影响。钢管混凝土柱板 在钢管角部和加劲肋处，随着每边加劲肋数量的增加，角部约束
件宽厚比小于 ５０时，可不考虑局部屈曲对承载力的影响，当板件 力明显增大。加劲肋的设置增加了管壁平面外支撑点，减小了管
宽厚比大于 ５０后需考虑局部屈曲对构件承载力的降低。
壁 鼓 曲 的 横 向 变 形 值，增 强 了 核 心 混 凝 土 与 管 壁 之 间 的 相 互 作
文献标识码：Ａ
０ 引言
变。当混凝土达到 ０．９５倍极限抗压强度时体积应变迅速增加，
矩形钢管混凝土柱 （ＲｅｃｔａｎｇｕｌａｒＣｏｎｃｒｅｔｅＦｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌＴｕｂｕｌａｒ Ｃｏｌｕｍｎ，ＲＣＦＴＣｏｌｕｍｎ）兼有钢结构与混凝土结构的优点，具有截 面开展、抗弯刚度 大、节 点 构 造 简 单 等 优 点，可 缩 短 工 期、节 约 材 料、减少能耗、降 低 工 程 造 价，已 在 装 配 式 钢 结 构 建 筑 中 广 泛 应 用［１］。
钢管板件宽厚比是影响混凝土约束效应的重要因素。钢管 必须具有足够的刚度以约束混凝土的横向变形。Ｇｅ和 Ｓｕｓａｎｔｈａ 等［９，１０］提出了与板件宽厚比系数 Ｒ相关的约束混凝土本构模型。 Ｔａｏ和 Ｔｈａｉ等［１１，１２］研究了钢管混凝土柱的受力行为，采用数值方
束，使其处于三向受压状态。横向约束应力可延缓混凝土纵向裂 法得到了与材料强度和宽厚比相关的约束应力，提出了适用于矩
缝开展，具有更高的承压能力，并显著改善混凝土的脆 性 破 坏 形钢管混凝土柱的约束混凝土本构模型。
特性。
混凝土强度也是混凝土约束效应的影响因素。采用高强混
根据矩形钢管混凝土柱的受力特点，本文介绍影响其受力性 凝土的钢管混凝土柱约束效应比普通混凝土弱，其受压承载力一
能的关键参数，主 要 包 括 钢 管 板 件 局 部 屈 曲 行 为、混 凝 土 横 向 约 束效应、加劲肋设 置、钢 管 和 混 凝 土 间 的 界 面 抗 剪 强 度 及 混 凝 土 的收缩和徐变等。
Ｋｎｏｗｌｅｓ等［７］测试了钢管混凝土轴压柱的轴向应变和环向应 条件。钢管混凝土界面间的抗剪强度主要由以下几部分组成：钢
收稿日期：２０１８０５２８ 作者简介：孙晓岭（１９８６），男，博士，工程师
Ｇｅ等［１５］进行了普通矩形钢管、加劲钢管以及钢管填充混凝
数 ｋ＝１０．６７，与 Ｂｒａｄｆｏｒｄ的分析结果一致。
土后的试验研究，填 充 混 凝 土 可 以 获 得 更 好 的 延 性 和 承 载 力，纵
Ｕｙ和 Ｌｉａｎｇ等［４，５］系统研究了焊接矩形钢管混凝土柱管壁的 向加劲肋可以提高钢管柱和钢管混凝土柱的承载力。陈勇和张 局部屈曲和后屈曲行为。通过大量试验研究，考虑初始几何缺陷 耀春等［１６，１７］进行了设置直肋方形薄壁钢管混凝土柱的研究。在
钢管混凝土柱的核心受力机制是钢管和混凝土间相互作用 同时改善了两者的受力性能。核心混凝土通过改变管壁局部屈 曲模态延缓了钢管局部屈曲。混凝土在受力过程中受到钢管约
钢管和混凝 土 间 产 生 约 束 效 应，此 时 混 凝 土 应 变 约 为 ０．００２。 Ｔｓｕｊｉ等［８］的研究表明纵向应变为 ０．００１时混凝土出现微裂纹并 产生约束效应，纵向应变为 ０．００２时钢管和混凝土之间达到完全 约束。
般等于钢管和混凝土的承载力之和。与普通钢管混凝土构件相 同，约束效应提高了高强混凝土钢管混凝土构件的延性［１３］。
钢管形状亦影响了混凝土的约束效应。Ｓｕｓａｎｔｈａ等 研 ［１４］ 究
１ 钢管局部屈曲
钢管混凝土柱与钢管柱的受力性能具有本质区别。内部填 充混凝土后，钢管向内侧变形被限制，其局部屈曲形式发生改变。
Ｂｒａｄｆｏｒｄ等［２］分析了钢管混凝土柱的弹性局部屈曲行为。矩
了混凝土在不同形状钢管约束下的应力—应变关系，大量的参数 分析表明圆形钢 管 的 约 束 效 应 最 强，方 形 钢 管 的 约 束 效 应 最 低， 多边形钢管的约束效应介于两者之间。
３ 带肋薄壁钢管混凝土柱
形钢管板件局部 屈 曲 系 数 ｋ＝４．０，填 充 混 凝 土 后，局 部 屈 曲 系 数
２ 混凝土约束效应
钢管混凝土柱典型受力特点是钢管对混凝土的横向约束效 应。混凝土被钢管包围后处于三轴受压应力状态，混凝土主受力
用，进而有效地延缓管壁局部屈曲，改善管壁的稳定性，提Байду номын сангаас构件 的极限承载力。
４ 钢管和混凝土间的界面抗剪强度
方向的抗压强度和延性随侧压的增加而显著增强。
钢管与混凝土间的剪应力传递是构件产生组合效应的必要
带肋薄壁钢管混凝土柱具有良好的受力性能，纵向肋不仅延
ｋ＝１０．６。何保康等［３］对矩形钢管混凝土轴压柱管壁的局部屈曲 缓了钢管的局部屈曲，还加强了钢管对混凝土的约束，有利于提
性能进行了理论研究，用能量法计算出在均匀压力作用下管壁的 高构件的承载能力和变形能力。
局部屈曲临界应力，得到了矩形钢管混凝土柱管壁的局部屈曲系
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第 ４４卷 第 ２０１８年
２８２期 月
山 西 建 筑
ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ
ＡＶｕｏｌｇ．．４ ４２Ｎ０ｏ１．８２２
文章编号：１００９６８２５（２０１８）２２００３６０３
矩形钢管混凝土柱受力性能关键影响参数研究进展
孙晓岭
（西安建筑科技大学建筑设计研究院，陕西 西安 ７１００５５）