钢管溷凝土结构研究综述
１．引言
钢管混凝土(concret-filled steel tube)是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，按截面形式不同，分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土(以下文中提到钢管混凝土如无说明均为圆钢管混凝土)。钢管混凝土构件的内部混凝土与外包钢管形成整体，共同受力，其受力性能优于2种材料性能的简单叠加。
在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后,随着轴心受压荷载的增大，核心混凝土的泊松比μc逐渐超过了钢管的泊松比μs，两者之间产生了渐增的相互作用力，使得核心混凝土处于3向受压状态，延缓了受压时的纵向开裂，从而使钢管混凝土具有很高的承载力,大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之和。将混凝土灌入钢管中形成钢管混凝土，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，而且在破坏时具有很大的塑性变形。与钢筋混凝土柱相比，采用钢管混凝土柱没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序,施工简便,因管内无钢筋，浇灌容易，振捣密实。与钢结构构件相比，钢管混凝土的构造通常比钢结构构件简单，焊缝少，易于制作。
澳大利亚学者Webb等通过计算分析，给出了高层建筑中不同类型柱子相对于钢筋混凝土柱造价的比较情况，见表1。由表1可见，在各种方案中，采用钢管中填充素混凝土的钢管混凝土的造价与钢筋混凝土相比基本持平，经济效益良好，随着建筑层数的增加,钢管混凝土的经济效果越发明显。
表1柱结构经济效益比较
２．钢管与混凝土共同工作
如前所述，钢管混凝土同其它结构相比具有一系列的优点。然而，对于钢管混凝土构件轴向受压承载力提高的机理，国内外尚未取得完全一致的观点，归纳起来，目前大体可分为3种观点，主要为：
(1)认为钢管和核心混凝土能共同工作来承担荷载，但它们之间没有相互抑制作用。其计算方法基本与钢筋混凝土柱一样。如日本钢管混凝土结构设计规范和解说(1967和1979年版)中，其轴心受压构件的计算公式就没有考虑核心混凝土在钢管的侧向限制下而提高的强度，即N u=A s f sk+A c f ck(1)
(2)认为钢管混凝土的成型条件与受力条件优于钢筋混凝土，因而提高了混凝土的承载力。前苏联B.A.Pосновский教授认为钢管对混凝土侧压力作用不大，即钢管对核心混凝土的侧向压力不是钢管混凝土承载力提高的主要原因，而认为圆柱体本身在制作过程中具有对混凝土强度提高的有利因素：因钢管内没有钢筋，避免了配筋引起的空隙、砂眼、气孔等内部缺陷，使钢管内混凝土结构的密实性得到提高。在钢管混凝土构件中,核心混凝土和钢管相结合，使加荷过程中钢管混凝土柱形成1个整体，具有这种壳体的混凝土圆柱体,在轴向力作用下，钢管承担了在核心混凝土内产生的拉伸和剪切应力，能清除在加荷过程中引起素混凝土圆柱体破坏表面的裂缝和剪力。因此能相应地提高核心混凝土的受压强度极限，并根据实验资料得出钢管混凝土承载力公式：N u=A sσs+(0.7R+180)A c(2)式中，σs为钢管的屈服应力；R为混凝土的立方体抗压强度。
(3)认为多钢管内核心混凝土强度的提高主要是钢管对核心混凝土的箍紧作用的结果。钢管内核心混凝土在钢管侧向压力作用下，处在三向受压的应力状态，这不但大大提高了混凝土轴向承载力，同时使其从脆性破坏转变成塑性破坏。提出这一理论的有哈尔滨建筑大学的钟善桐，中国建筑科学院的蔡绍怀。多年来，他们做了大量的实验，通过不同的方法和技术途径，从不同的角度对钢管混凝土基本构件的受力性能和工作机理进行了多方面的探讨和各种理论分析，目前已经取得了比较一致的见解，都认为在三向应力作用下，核心混凝土强度的提高可以用下列经验公式表示：
f co=f ck k3σr(3)
式中，f co为在侧压力作用下，核心混凝土的轴向抗压强度；f ck为核心混凝土的标准抗压强度；σr为核心混凝土所受的侧向压力；k3为核心混凝土的侧向压力系数。
３．受力性能
3.1轴心受压
3.1.1轴心受压时的强度承载力
对钢管混凝土轴心受压短试件的强度承载力计算方法可归纳为2类：(1)确定极限承载力；(2)进入塑性工作阶段的承载力。
(1)极限承载力。这是早期研究者们普遍采用的方法。由于混凝土工作性能的非线性以及2种材料共同工作时性能的复杂性,求其极限荷载是比较简捷的方法。计算公式包括2项，可表示为：
N u=f ck A c+kf y A s(4)式中，f ck和f y分别是混凝土抗压强度标准值和钢材屈服点；A c和A s 分别是核心混凝土面积和钢管面积；k为混凝土强度提高系数。
其基本概念是钢管对核心混凝土提供了约束，使混凝土三向受压，从而提高了承载力，达极限承载力时，钢管纵向应力为零，环向应力达屈服点f y，因而约束效应最大。
式(4)中第2项表示钢管对混凝土约束产生的混凝土承载力提高部分。不同的研究者得到约略相同的系数k，其值为2~2.5。
格夫滋捷夫教授1935年推荐的公式取k=2，即
N u=f c A c+2f y A s(5)此后，不少研究者通过实验观察到试件在到达极限状态时，钢管纵向应力并未降为零，环向应力也未达到单向受拉的屈服点。沙舌罗夫斯基指出：求极限荷载的缺点是未考虑钢材的硬化，而且构件纵向变形很大，应变甚至有超过0.15的情况。因此，一些研究者将承载力公式改为三项式，可表达为：
N u=f c A c+σsl A s+kf y A s(6)式中，σsl为钢管纵向应力。式(6)中第2项是极限荷载时钢管的纵向承载力，第3项是混凝土因钢管约束而提高的承载力部分。显然，式(6)更符合实际情况。
(2)进入塑性阶段承载力
近20年来，国内外很多研究工作者放弃了求极限荷载的方法，转
钢管混凝土结构研究综述
刘晓丹
［摘要］本文根据国内外对钢管混凝土的研究，介绍了钢管混凝土结构的发展和特点、钢管与混凝土的共同工作、钢管混凝土构件的受力性能及其有关计算理论，并介绍了钢管混凝土在我国的工程应用状况。
［关键词］钢管混凝土共同工作受力性能
建筑层数
结构类型
钢筋
混凝土
钢筋混
凝土(内
配型钢)
劲性
混凝土
钢管配
筋混凝
土
钢管混凝
土(外涂防
火保护层)
钢结构(外
涂防火保
护层)
10 1.0 1.22 1.53 1.16 1.10 2.27 30 1.0 1.13 1.85 1.11 1.02 2.61
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而采用以钢管发展塑性，混凝土达极限，钢管混凝土轴心受压时的极限。达此极限状态时，假定钢管屈服而核心混凝土达极限强度。这里又分2种类型：一种是不考虑钢管的约束效应；另一种是考虑钢管的约束效应。当不考虑钢管的约束效应时，表达式如下：
N0=f c A c+f s A s(7)前苏联中央建筑科学研究院推荐如下公式：
N0=(0.7f cu+180)A c+f y A s(8)式中，180kg/cm2是考虑钢管约束时核心混凝土强度的提高值；f cu 是混凝土立方强度。
式(8)虽然考虑了钢管约束而提高了混凝土的强度，但却认为钢管纵向应力也达到单向受拉时的屈服点。实际上，钢管处于纵向受压、环向受拉的双向应力场的作用下，应按照应力强度由弹性转入塑性的条件来确定极限状态。这是近十几年来国内外很多研究工作者不断从事研究的内容，并先后提出了一些理论计算公式。这类公式可表达如下：N0=f c A c+k p A c+σsl A s(9)式中，第1项和第2项之和是三向受压核心混凝土的极限承载力，第3项是双向受力钢管的极限承载力。σsl是钢管进入塑性状态时的纵向应力。
3.1.2轴心受压时的稳定承载力
钢管混凝土轴心受压时的临界力计算可归纳为2种方法。
(1)应用欧拉公式确定临界力
认为构件的临界力是钢管和混凝土的欧拉临界力之和，表达式如下：
N cr=π2/l2(E s I s+E e I c)(10)式(10)只适用于弹性阶段稳定临界力的计算。
苏州混凝土与水泥制品研究院推荐下列计算公式：
σcr=π2/λ2E sc(11)式中，λ是构件长细比；E sc称为钢管混凝土的综合弹性模量，应该是根据钢管混土轴心受压短试件的应力应变曲线确定的模量。
(2)根据实验结果回归稳定系数
中国建筑科学研究院结构所推荐的经验稳定系数为
φl=1-0.115L/D-4
姨(12)式中，L和D分别是构件的计算长度和外直径。此式的优点是计算简单，但φl-λ(≈4L/D)的关系为下凹曲线，对于弹塑性失稳的构件过分偏于安全。且和实验值相比，差别也较大，由-31%到53%。
3.2纯弯曲
以往，对钢管混凝土受弯构件的研究不多，有关抗弯承载力的确定依据也不尽相同。例如文献[9]定义截面塑性充分发展(截面2/3以上范围达到屈服)，而钢管最外边缘纤维尚未强化的点为试件的抗弯极限。文献[10]则认为比较合理的极限荷载，应是钢管套箍效应充分发挥，而又尚未进入强化阶段时的最大荷载，亦即钢管纵向纤维开始进入强化阶段的荷载。
４．工程应用
(1)单层和多层工业厂房柱。与钢筋混凝土柱及普通钢柱相比，钢管混凝土组合柱显得特别轻巧，因而被广泛地用作厂房柱。例如,1972年建成的本溪钢铁公司二炼钢厂轧辊钢锭模车间，1982年建成的武昌造船厂船体结构车间，1985年建成的原太原钢铁公司三炼钢厂连铸车间等均采用了钢管混凝土格构式柱，1984年完工的上海特种基础科研所的科研楼采用了钢管混凝土柱。
(2)高层建筑。高层建筑中采用钢管混凝土柱在美、日和澳大利亚等国已得到较为广泛的应用。我国第一个全部柱子采用钢管混凝土的高层建筑是厦门的金源大厦。此外，广州“好世界”以及深圳地王大厦，均采用了钢管混凝土结构。
(3)拱桥结构。拱式结构主要承受轴向压力，当跨度很大时，采用钢管混凝土结构，有利于充分发挥此结构承载力高、施工方便等特性。已建成的工程有：四川旺苍东河大桥、为长江三峡工程服务的黄柏河大
桥、下牢溪大桥和莲沱镇桥以及广东南海山西桥。其中山西桥是迄今为止国内跨度最大的钢管混凝土拱桥，跨长达200m。钢管混凝土拱桥在桥梁领域异军突起，深受桥梁工程师的重视。
５．目前钢管混凝土研究存在的问题
目前对钢管混凝土的研究，共有4点不足之处，需要集中精力从事此方面的研究，其主要不足如下：
(1)对钢管混凝土承载力计算时，采用理想的弹塑性体的假设，这对抗震能力较好的钢管混凝土构件是不合理的。
(2)对于圆钢管混凝土，根据定值侧压力的实验结果得到纵向承载力与侧压力的关系来确定其承载力，这与核心混凝土的实际工作状态不符。
(3)把钢管普通强度混凝土和高强度混凝土机械地分割开来进行研究。
(4)进行钢管砼构件耐火极限的计算时，不考虑钢管和砼的相互作用问题，这与材料的实际工作状态不符，得到的计算结果也不够准确。
６．结束语
钢管混凝土结构在我国应用和研究的时间还不长，本文总结了国内对钢管混凝土构件受力性能的研究成果。随着今后我国高层和超高层建筑的迅速发展，钢管混凝土结构应用会越来越多，尤其是钢管高强混凝土结构。因此需要加强这方面的研究和应用。同时，连接构造问题是钢管混凝土结构中关键技术，需要对其进行深入研究。
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