方钢管混凝土柱结构分析

方钢管混凝土柱结构分析

路学莹刘志红刘志起

山东科技大学（泰安校区）山东泰安271000

摘要：钢管混凝土构件是在钢管内填充混凝土的构件，该构件可以充分发挥钢管和混凝土这两种材料的优点，因而近年来在建筑行业中被广泛使用。钢管的截面形式涉及节点设计和施工的问题，因而方形截面目前应用性较高。当采用高强钢管或者钢管壁厚设计较大时，都不符合经济要求。但是在方形截面中，四边的中间区域对混凝土的约束能力较弱，因此需要设置一些构造措施来加强，国内外学者对此进行了广泛、深入地研究，本文就其中两种构造措施进行了举例说明，分别是在管壁设置T型加劲肋和开孔加劲肋，有效地改善了方钢管混凝土柱的受力性能。

关键词：钢管混凝土构造加劲肋

1.研究背景

钢管混凝土柱是近些年发展起来的一种新型高效的组合构件，指的是在钢管中填充混凝土而形成且由钢管及其核心混凝土共同承担外部荷载作用的结构构件，受力过程中钢管和混凝土各自发挥自身受力特点，互为补充。

众所周知，混凝土的抗压强度高而抗弯能力弱，钢材的抗弯能力强且具有良好的弹塑性，但在受压状态下容易失稳从而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土柱是在结构上将钢材和混凝土相结合，一方面钢管可以提高对其内部混凝土的约束作用，使核心混凝土在外部钢管的侧向约束下较好的处于三向受压状态，从而使得混凝土的抗压强度成倍提高，另一方面，由于管内混凝土的作用，钢管壁板的稳定性有较大的提高，避免或延缓了钢板壁板过早发生局部屈曲，从而有效地改善了构件的延性性能，使得构件的抗震性能大大提高。同时，钢管可以作为混凝土的永久模板，使得混凝土在灌注时少了模板支撑的费用且施工不受混凝土养护时间的影响，兼具一般钢结构施工高效的特点，节省施工成本，社会经济效益显著，符合绿色建筑和建筑工业化的理念，目前钢管混凝土柱已经在实际建筑施工中广泛应用。

2.方钢管的结构形式分析

2.1截面形式对结构的影响

大量研究成果表明，圆形截面的钢管对核心混凝土的约束效果较好，但是圆形截面钢管混凝土柱与梁的连接节点设计复杂且不便于施工，而方形截面钢管混凝土柱截面规整，连接节点设计简单易于施工，因此方钢管混凝土柱的应用日益广泛。但是方钢管对核心混凝土的约束效应并不显著，特别是受混凝土浇筑质量收缩徐变、日照温差等的影响，钢管与核心混凝土会产生脱黏现象，使得其组合效应大为降低，且在方钢管混凝土柱中角部区域对混凝土的约束能力较强，而方钢管四边的中间区域对混凝土的约束能力较弱。

2.2材料强度对结构的影响

对于方钢管混凝土柱，在相同条件下，选用钢材的强度越高，对核心混凝土的约束能力则越强，方钢管混凝土柱的承载能力进而得到提高，因此若使用高强钢管则可以同时使方钢管混凝土柱减小其截面尺寸进而减少钢材用量，但是截面尺寸减小的同时结构刚度也相应减小，使得结构抗震性能降低，并且高强钢管在屈服前更易失稳，不能充分发挥其材料性能上的优势。

2.3宽厚比对结构的影响

当方钢管混凝土柱中钢管的壁厚较大时，构件在制造时所需的用钢量增加，工程造价随之增加，不符合经济要求。相应地对于大宽厚比方形钢管混凝土柱，钢管壁受压时容易产生局部屈曲而失稳，为了提高其局部稳定和构件共同工作性能，应该对方钢管混凝土柱采取一定的合理的构造措施进行加强。

3.方钢管内部构造措施分析

3.1方钢管内部构造措施的提出

国内外学者提出了一系列的构造措施以减小钢板的宽厚比，改善方形钢管的局部屈曲模态，增强方钢管对核心混凝土的约束作用，比如设置对拉片、约束拉杆、焊接锚杆、斜肋、直肋、纵向加劲肋以及钢筋加劲肋等，结果均表明设置合理的加劲措施可以有效地改善方钢管混凝土柱的受力性能[1]。

3.2方钢管内部构造措施举例分析

3.2.1T型加劲肋

傅学怡教授针对大宽厚比方形钢管混凝土柱，提出在钢管壁设置T型加劲肋来改善钢管壁屈曲性能的设计理念，与设直助相比，T型加劲肋与钢板组合截面抗弯刚度较大，有效地克服了方钢管套箍能力弱的缺点，使材料性能充分发挥。且T型加劲肋的翼缘部分被内部混凝土包裹，当管壁外凸屈曲时，内部混凝土与T型加劲肋协同工作，更有效地抑制了管壁的屈曲趋势，从而进一步提高T型加劲助刚度，提高大宽厚比方形钢管混凝土柱钢管壁局部屈曲应力，防止钢管过早丧失局部稳定，提高了钢管壁板的稳定性。我国规范《矩形钢管混凝土结构技术规程》对矩形钢管混凝土柱的钢管壁厚宽厚比作了严格的规定，因此，为了抑制方形钢管混凝土柱壁厚宽厚比超过规定限制时管壁的局部屈曲，在管壁设置T型加劲肋是一种新型且高效的方法[2]。

3.2.2开孔加劲肋

开孔加劲肋方钢管混凝土柱受偏压破坏的模式是双波鼓曲破坏，与钢板加劲肋方钢管混凝土柱破坏模式相同，但开孔加劲肋的鼓曲程度要小且混凝土受拉裂缝的开展要更加均匀。设置开孔加劲肋的构件的承载力高于未加劲构件但低于钢板加劲肋构件，因为开孔削弱了截面刚度。在钢板上设置连续且均匀的孔的主要作用是增强开孔钢板管壁和混凝土的共同作用，提高管壁对混凝土的握裹力，使构件充分发挥其组合作用的同时能减少钢材用量，降低工程造价[3]。

结语

方钢管混凝土柱的优良性能促使着国内外学者积极研究其性能和构造形式，随着科学技术水平的提高，相信方钢管混凝土柱的构造形式能够不断改善，届时方钢管混凝土柱的应用范围将进一步扩大。

参考文献

[1]张龑，刘明宾，喻胜.钢管混凝土柱中构造措施的研究进展.科学技术创新，2017

[2]朱正敏.T型加劲肋对大宽厚比矩形钢管混凝土柱管壁屈曲的影响研究.深圳大学，2016.

[3]刘君平，周宗源，刘永健.开孔钢板加劲肋方钢管混凝土柱偏压试验研究.建筑结构学报，2017