1、第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201505NSFC-山东联合基金(U2106222),国家自然科学基金(52108282),山东省自然科学基金(ZR2021QE053)。第一作者:第一作者:赵迪,博士研究生,主要从事结构振动控制方面的研究,Email:790014743 。通信作者:通信作者:张纪刚,博士,教授,博士生导师,主要从事结构振动控制方面的研究,Email:jigangzhang 。钢管约束混凝土组合结构研究现状赵 迪,张纪刚,时成龙,
2、张宜聪(青岛理工大学土木工程学院,青岛 266033)摘要:钢管约束混凝土(steel tube confined concrete,STCC)组合结构,就是在钢管内部浇筑混凝土,通过构造作用(在柱端将钢管断开)使得荷载仅施加在核心混凝土上。由于钢管只对核心混凝土起约束作用,不承担纵向荷载,从而有效地提高了混凝土的抗压强度和延性,钢管约束混凝土具有承载力高、延性好、施工方便、经济性能显著等优点。首先回顾了钢管约束混凝土组合结构的发展历史,然后从构件、节点和结构三个方面综述了钢管约束混凝土组合结构的研究现状、主要的理论发展和技术成果,最后总结了现有研究的不足。总之,建议提出更多材质、更多构造的金
3、属管约束混凝土结构新体系,进一步研究该类结构的关键构造和动力特性,提出切实可行的设计方法并形成统一的设计规范。关键词:钢管约束混凝土;构件;节点;结构体系;研究进展 中图分类号:TU392.3,TU398 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)02-0041-11引用本文 赵迪,张纪刚,时成龙,等.钢管约束混凝土组合结构研究现状J.建筑结构,2023,53(2):41-51.ZHAO Di,ZHANG Jigang,SHI Chenglong,et al.Research state of steel tube confined concrete composite struc
4、tureJ.Building Structure,2023,53(2):41-51.Research state of steel tube confined concrete composite structure ZHAO Di,ZHANG Jigang,SHI Chenglong,ZHANG Yicong(College of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,China)Abstract:Steel tube confined concrete(STCC)composite structu
5、re is to pour concrete inside the steel tube,so that the load is only applied to the core concrete through the structural action(breaking the steel tube at the column end).As the steel tube only has constraint to the core concrete,it does not bear any load longitudinally,thus effectively improves th
6、e compressive strength and ductility of the concrete.STCC has high loading capacity,good ductility,construction convenience,remarkable economic performance and other advantages.Firstly,the development history of STCC composite structure was reviewed,and then the research status,main theoretical deve
7、lopment and technical achievements of STCC composite structures were summarized from three aspects:members,joints and structures.Finally,drawbacks of these studies were mentioned in the end.In conclusion,it is suggested that a new system of concrete structure confined by metal tube with more materia
8、ls and structures should be proposed to further study the key structure and dynamic characteristics of this kind of structure,put forward the feasible design method and form the unified design criterion.Keywords:steel tube confined concrete;member;joint;structure system;research progress 0引言 随着建筑材料、
9、设计理论和设计方法的不断发展,钢管约束混凝土组合结构不单单局限于材料层次上的钢与混凝土的组合,越来越多的新型材料可作为钢材替代品,如不锈钢、高强钢、铝合金、纤维增强复合材料(FRP)等。在结构形式上也出现了钢管约束混凝土与型钢的多种组合结构。目前,国内外学者对多材质和复杂结构形式的组合柱的力学性能研究较少。本文聚焦于钢管约束混凝土组合结构在建筑结构体系中的应用,从构件、节点、结构三个层次介绍了钢管约束混凝土组合结构的研究现状,对其在工程领域的应用进行了展望。1钢管约束混凝土组合结构的发展历史及受力机理 在高层建筑结构领域,早期采用钢筋混凝土(reinforce concrete,RC)结构,承
10、重构件往往设计成大尺寸,不仅耗材量大,也占据很大的使用空间,而且剪跨比较小的构件抗震能力较差。针对以上问题,不仅衍生了钢管混凝土(concrete filled steel tub,CFST)结构,也促进了钢管约束混凝土(steel tube confined concrete,STCC)结构的建立与发展,这几种建 筑 结 构2023 年典型构件的组成示意见图 1。钢管混凝土与钢管约束混凝土两者的区别在于,钢管约束混凝土的约束钢管在节点区断开,有效地简化了节点处复杂的受力状态,使构件具有更高的承载力和良好的综合性能,二者的受力机理见图 2。钢管约束混凝土构件轴向加载初期,钢管就对核心混凝土产生
11、连续有效的约束作用,克服了混凝土浇筑、养护不当或收缩、徐变及温度效应引起的钢管与核心混凝土之间的脱空问题,使得构件塑性和韧性性能大大改善,混凝土的强度得以提高;随着荷载进一步增大,约束钢管的环向约束力逐渐增大,且约束钢管与核心混凝土之间由摩擦传递的纵向力相对较小,约束钢管可充分发挥约束作用,不易发生局部屈曲破坏,有效防止核心混凝土被压溃;承担纵向荷载的核心混凝土处于构件内部,避免了与火直接接触,因此构件耐火性能提高。图 1 典型混凝土构件组成示意图 2 受力机理简图1967 年,Gardenr 和 Jacobson1进行了钢管约束素混凝土构件的轴压试验研究,发现其轴压承载能力要高于相同参数的钢
12、管混凝土柱。1985 年,日本九州大学 Tomii、Sakino 及我国学者肖岩2首次提出套管柱概念;由于外包钢管的约束作用,构件的延性和轴压承载力显著提高,短柱的破坏模式由剪切破坏转化为弯曲破坏,具有良好的耗能能力,满足抗震设计的要求。进入 21 世纪之后,我国才逐步展开对于钢管约束混凝土的研究。2004 年,肖岩3在国内阐述了钢管约束混凝土的发展前景,指明其在房屋和桥梁的抗震设计和加固中的应用。近年来,在大跨度桥梁和超高层建筑中越来越多地应用了钢管约束混凝土组合结构。随后,中国工程院周绪红院士团队针对不同截面类型和尺寸的钢管约束混凝土组合结构的轴压、弯曲、剪切、扭转、往复荷载、地震作用以及
13、受火等多重组合工况下的受力机理展开了深入系统的研究。2010 年,周绪红团队将多年的创新性研究成果总结成书钢管约束混凝土柱的性能与设计4。2019 年,编撰钢管约束混凝土结构技术标准(JGJ/T 4712019)5,内容涵盖了各类钢管约束混凝土构件的承载力计算方法、构造与设计方法;钢管约束钢筋、型钢混凝土柱-钢梁的连接和节点设计,典型工程应用等,对钢管约束混凝土这种新型结构形式的研究及工程实践具有指导意义。2钢管约束混凝土构件2.1 材料形式 近年来,钢管材料已经从碳素钢发展到不锈钢、铝合金等其他金属材料,从普通混凝土发展到高强混凝土,从单一金属管的约束发展到与 FRP 材料组合的构件。碳素钢
14、延性较好,强屈比一般在 1.25 以上,针对此类钢管的材料属性、截面和构件的力学性能已开展了系统深入的研究。得益于此,众多学者对钢管约束混凝土的结构性能也开展了全面的研究,成果丰硕,相关的技术已经相对成熟。如韩林海、刘界鹏、An Le Hoang 等6-8采用试验研究与有限元分析,研究了受压面积比(混凝土截面面积与局部受压区面积的比值)、约束钢管径厚比、钢管屈服强度或混凝土抗压强度等因素对钢管约束混凝土轴压力学性能的影响。但在实际应用中发现,钢管约束混凝土存在易锈蚀的问题,耐久性较差,因此有学者提出,将管材优选为不锈钢材质,这样构件就兼具普通钢管约束混凝土和不锈钢材料的双重性能。最具代表性的奥
15、氏体不锈钢,具有焊接性能好、可塑性好、变形能力强、稳定性强和耐腐蚀性好等优点,广泛用作建筑装饰材料或沿海和高寒地区的耐腐蚀承重构件。高文才9基于剥离分析的方法开展了轴压荷载作用下不锈钢管和混凝土各自的应力状态的分析。史俊、叶勇、Lanhui Guo 等10-12相继研究了不锈钢管径厚比、混凝土强度、含钢率和钢材屈服强度对构件轴压承载力的影响,进而提出了适用于不锈钢管约束混凝土短柱的轴压承载力计算公式。田俊13通过对不锈钢-低碳钢复合圆管约束混凝土短柱的轴压和偏压性能的试验研究,发现由于不锈钢材料的应变强化性能,构件进入塑24第 53 卷 第 3 期赵 迪,等.钢管约束混凝土组合结构研究现状性阶
16、段的承载力显著提高,有效弥补混凝土发生压溃破坏时,构件承载力的降低,提供较高的强度储备,可显著提高试件的延性。目前国内外只有上述学者系统地研究了不锈钢管约束混凝土短柱的轴压力学性能,接下来应对其抗震性能和工程应用做进一步研究。高强混凝土以其抗压强度高和抗变形能力强的优势,在建筑结构领域内发挥不可替代的作用。高强混凝土的强度是普通混凝土的 46 倍,故可使构件的截面减小,自重减轻,具有较好的抗震性能,广泛应用于高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中,带来了更大的经济效益。张素梅、刘界鹏、王国兴等14-17发现在钢管约束混凝土柱中,用高强混凝土取代普通混凝土,构件轴压承载力显著提高。但两者的延性无明显差异,进而修正了适用于钢管约束高强混凝土的 Mander 模型。邹定华18发现高强混凝土膨胀对钢管内产生环向应力,降低了轴压荷载下钢管的承载能力,但对构件的承载力无明显影响,构件弹性模量反而有所提高。Wang J Z 等19证实轴心设置 O 形钢对内部的混凝土包围的面积最大,提供的受力性能最好。近几年出现的 FRP 具有轻质高强、可塑性好、耐腐烛、热膨胀系数低等一系列优点。将 FRP
