关键词：
组合柱；双剪统一强度理论；承载力；应力
中图分类号：TU398.9
文献标志码：A文章编号：16744764（2017）02004307
Abstract：
The sectional form of steelconcreteFRPconcrete （SCFC） column， as a novel composite column， has a steel tube as the outer layer and a circular FRP tube as the inner layer， and concrete filled between these two layers and within the FRP tube. Considering the confinements from both outer steel and inner FRP layers， the twin shear unified strength theory and force equilibrium condition are utilized to develop an analytical model of bearing capacity of SCFC column. The accuracy of the proposed model is evidenced through being compared with experimental data. The parametrical study is conducted in order to evaluate the confinements affected by the sectional steel proportion， ratio of FRP to steel， ratio of diameter to thickness of FRP and FRP diameter itself. The results indicate that the greater sectional steel proportion， the larger ratio of FRP to steel， and smaller ratio of diameter to thickness of FRP have positive contributions on the confinements of SCFC. The ratio of FRP diameter to steel side length locates between 0.650.75 can lead to a better confinement.
Keywords：
composite column； twin shear unified strength theory； bearing capacity； stress
随着建筑结构高度与跨度的不断增加，普通钢筋混凝土难以达到结构所需的强度和刚度要求，钢、纤维增强复合材料（FRP）与混凝土的组合应用理念应运而生。目前，应用较为广泛的组合柱类型为：钢管约束混凝土柱（CFST）[12]、FRP约束混凝土柱（CFFT）[35]、复合钢管混凝土柱[67]以及钢管FRP混凝土组合柱等。内置FRP约束混凝土的钢管混凝土组合柱（SteelConcreteFRPConcrete Column，简称SCFC Column）是新近提出的一种钢管FRP混凝土组合柱形式，即钢管混凝土柱内填充FRP约束混凝土。李帼昌等[810]、冯鹏等[11]、Cheng等[12]较早地对这一组合柱进行了研究。这些学者设计的组合柱截面形式为：外管选择方钢管，内管选择FRP圆管，两管间及FRP内管填充混凝土。SCFC组合柱的制作方式有两种：一是先制作并布置好内外两管，最后浇筑内外层混凝土；二是先制作内层混凝土柱，再缠绕FRP以施加约束，将约束混凝土柱置于钢管中，最后浇筑夹层混凝土。内外层混凝土宜采用细石混凝土或自密实混凝土，并采用振动棒贴壁和插入振捣，以保证浇筑质量。此外，FRP管表面的凹凸和粗糙可不作处理，以保证FRP与内外层混凝土的粘结性能。传统的方钢管混凝土组合柱通常由于混凝土侧向变形导致钢管发生屈曲变形，从而削弱了方钢管对混凝土的约束作用[13]，SCFC中FRP圆管对核心混凝土提供有效环向约束，降低了核心混凝土的横向变形，由此降低了对方钢管的侧压力，减缓了应力集中现象，从而提高了约束效果，使得构件的承载能力有效提高。文献[8]基于统一理论提出了SCFC的轴压承载力公式，研究了试件的含钢率及CFRP圆管与方钢管的相对配置率对构件轴压承载力的影响。但目前对于SCFC受力机理的研究还比较少，笔者基于双剪统一强度理论，考虑外钢管与内FRP管对混凝土的双重约束作用，对SCFC的轴压承载力进行研究，根据极限平衡原理得出轴压承载力计算公式，并且⒓扑憬峁与实验数据进行对比，验证了轴压承载力计算公式的准确性。
1双剪统一强度理论
俞茂宏在双剪强度理论的基础上，考虑作用于双剪单元体上的两个较大剪切应力及其面上的正应力，建立了一种全新的考虑中主应力影响的适用于各种不同材料的双剪统一强度理论，其数学表达式为
σ2≤σ1+aσ3[]1+a，
F=σ1-a[]1+b（bσ2+σ3）=σt（1a）
σ2≥σ1+aσ3[]1+a，
F′1[]1+b（σ1+bσ2）-aσ3=σt（1b）
式中：σ1、σ2和σ3分别为3个主应力；a=σt/σc为材料的拉压强度比；σt和σc分别为材料的拉伸强度和压缩强度；b为反应中间主应力效应的材料参数，也是反应不同强度理论的参数。
约束混凝土轴压承载力提高的原因在于混凝土在受压时产生侧向变形，随着荷载的不断增加，核心混凝土及夹层混凝土的侧向变形开始增大，而FRP及钢管限制了混凝土的膨胀，由于变形协调而产生了相互作用[8]。李帼昌等[8]及Feng等[11]的试验研究都表明，对于SCFC组合柱而言，当构件进入弹塑性阶段时，混凝土的侧向变形因为微裂缝发展而增大，FRP管处于环拉和径向受压的两向应力状态，外钢管处于轴压、环拉和径向受压的三向应力状态，内外的混凝土处于三向受压的应力状态。FRP环向拉力逐渐增大至FRP断裂强度而退出工作，此时，构件达到极限承载力，在此过程中，FRP有效约束了内层混凝土的变形。此后，钢管与混凝土发生应力重分布，钢管由主要承担竖向力转为承担环向力。同时，由于钢管、混凝土、FRP管之间的相互作用，导致随着含钢率的增加（即钢管厚度的增加），钢管的套箍作用增强，试件的承载力得到明显提升，也证明了内层混凝土的约束作用来自于FRP管及外钢管两部分。因此，对于SCFC而言：夹层混凝土受到外钢管的约束力po，而内层混凝土的约束力由两部分组成：一部分是FRP管对其的约束力pi和外钢管传递过来的约束力p′o。其受力模型如图1所示。
2.3混凝土应力分析
由于钢管和FRP的约束作用使得核心混凝土处于三向受压状态，而此时三向受压混凝土的强度相比于无约束混凝土的强度有明显的提高，因此，受钢管和FRP约束的混凝土的轴压承载力大大高于核心混凝土和钢管以及FRP各自的轴压承载力之和。在SCFC结构中，钢管和FRP的贡献主要体现在对混凝土的约束上，约束后的混凝土强度是影响钢管混凝土轴压承载力的决定性因素。
2.3.1外层混凝土应力分析
方钢管通过面积等效原则简化为圆钢管，其对核心混凝土产生约束作用，使其处于三向受力状态。对于夹层混凝土而言，除了钢管的约束作用，还受到内侧FRP的紧箍作用。假设外层混凝土受到内外均匀的约束力作用，取钢管和FRP约束中的较小值，此时，外层混凝土的应力状态为0>σ1=σ2>σ3，取σ1=po，混凝土处于三向受压状态，应用双剪统一强度理论，并用混凝土凝聚力c和内摩擦角φ表示为
3.2影响因素分析
为了更好地表征SCFC组合柱中钢管与FRP约束对承载力增益效果，定义轴压承载力提高系数η=N/N0，式中N为通过式（18）和（19）计算而得的承载力值，N0为不考虑钢管和FRP约束作用时钢管与混凝土承载力之和。
3.2.1材料配置参数的影响
试验研究表明，影响SCFC组合柱承载力的主要因素为：含钢率As/Ac、FRP与钢管的相对配置率β=Af/As和FRP管的径厚比d/tf。对文献[10]中构件在截面尺寸不变的情况下，变化材料参数，研究各参数变化对于承载力提高系数的影响。
1）含钢率As/Ac，即钢管截面面积与混凝土截面面积之比。在SCFC组合柱截面大小与内部配置的FRP大小一定时，组合柱承载力提高系数随着含钢率的变化如图4所示。随着钢管厚度增大，构件含钢率变大，承载力提高系数变大，说明含钢率越大，钢管对内部混凝土的约束作用越明显，且截面宽度较小时含钢率的变大导致承载力的增益效果更明显，这与文献[1011]的试验结论是一致的。
2）FRP与钢管的相对配置率β=Af/As，FRP截面面积与钢管截面面积比。在含钢率不变的情况下，组合柱承载力提高系数随相对配置率的变化如图5所示，对于含钢率相同的构件，相对配置率越大，FRP所占比重越大，相应的承载力提高越多，这是由于在构件轴心受压时，FRP对核心混凝土的约束作用会随着FRP层数的增加，即Af/As的增加而增加。
3）FRP管的径厚比d/tf，即FRP管直径与厚度的比值。在含钢率不变的情况下，组合柱承载力提高系数随FRP管径厚比的变化如图6所示，随着径厚比的增大，承载力提高系数降低。径厚比的增大可以表现为FRP厚度相同时，其直径增大。由式（5）可知，直径增大将导致约束效果降低，从而导致承载力增益效果下降。
3.2.4内FRP管参数的影响
在含钢率与β不变的情况下，通过变化参数，得到了承载力提高系数与内FRP径厚比、内外管直径边长比d/D的关系，如图7和图8所示。由图7可以看出，含钢率不变的情况下，随着FRP径厚比的变大，承载力提高系数先增加后减小，存在最优值。此外，由图8可知，内FRP直径d为0.65D～0.75D，轴压承载力增益效果较好。
4结论
1）将内置FRP约束混凝土的方钢管混凝土组合柱（SCFC）分为外钢管、外层混凝土、FRP管以及内层混凝土4个部分，考虑外钢管与FRP的双重约束效果，采用双剪统一理论分析了构件的应力状态，得到了轴压承载力计算公式，对比了文献中的试验数据，具有较好的精度。
2）含钢率As/Ac、FRP与钢管的相对配置率β=Af/As和FRP管的径厚比d/tf都对SCFC轴压承载力提高系数的具有一定的影响，随着含钢率的增加、β的提高以及胶癖鹊募跣。SCFC轴压承载力提高系数都有一定程度提高。
3）内FRP直径d为0.65D～0.75D时，轴压承载力增益效果较好。
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Abstract: with the development of urbanization high-rise building more and more diverse, and the problems and more complex. High-rise building bearing structure column section size usually selected by the limit value of the axial compressive ratio, easy to form short columns, engineering design should be avoided. This paper introduces the structure of the high-rise building bearing column type, the axial compression ratio, improve the aseismatic performance of short column and rational Suggestions.
Keywords: high building; Structure; Bearing column; Analysis; countermeasures
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
1、高层建筑结构承重柱的种类
一、钢与混凝土结构的互补性充分发挥了他的优势，它的主要类型如下：（1）箍筋约束混凝土柱。根据配筋构造形式的不同，可分为普通箍、井字箍、井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍柱。箍筋约束混凝土柱的受力机理是利用复合钢箍或螺旋钢箍约束核心混凝土受压时的横向应变，使核心混凝土处于三向受压状态，从而提高混凝土强度，增加延性。这种类型柱在设计使用时，柱截面需做成圆形，适用性和灵活性差；采用焊接钢箍时，焊接麻烦，用钢量大，同时，钢箍约束核心混凝土横向应变有限，柱承载力提高和延性能的改进也是有限的。（2）钢纤维混凝土柱。钢纤维混凝土是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短纤维组合而成的复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的扩展，使其各项物理力学性能都比普通混凝土有明显的提高和改善。试验研究表明，随着钢纤维含量提高，混凝土极限压应变明显增大。在其他各项条件基本相同的情况下，掺入适量钢纤维能够明显提高构件的延性。（3）钢管混凝土柱。根据裁面形式不同，可分为方钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱和多边形钢管混凝土柱。钢管混凝土是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的一种组合结构材料，它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约，使其具备了优异的工作性能：承载力高、塑性和韧性好、经济效果好。采用钢管混凝土结构替代钢结构柱，可节约钢材50%左右；若替代钢筋混凝土柱，则在用钢量大体相同的情况下可减小柱截面面积50%左右。相应节约大量混凝土。（4）钢骨混凝土柱。该类型柱是指在钢筋混凝土柱中配置钢骨，同时配有构造钢筋及少量受力钢筋。配置钢骨的形式可分为实
腹式和空腹式。不同形式的钢骨混凝土柱截面形式不同。钢骨混凝土柱不受最大配筋率限制，混凝土中配置较多的钢材，能有效地减少柱截面尺寸，满足建筑功能要求。同时，钢骨可以承担施工荷载，可作为施工荷载的承力系统。（5）分体柱。该类型柱是将钢筋混凝土短柱采用隔板将一个整截面柱分成2 个或4 个等截面小柱。各小柱独立配筋，梁柱节点仍为一个整体。试验研究表明，对钢筋混凝土短柱采用分体柱的方法可以实现变“短柱”为“长柱”的设想，框架柱破坏形态由剪切型转变为弯曲型，延性明显提高，但柱承载力略有下降，因此柱截面尺寸不仅没有减小，反而略有增大。（6）高强混凝土柱。高强混凝土是指混凝土强度等级为C50-C80 的混凝土。由于其抗压强度高，使钢筋混凝土柱的承载力大幅度增加，在相同的荷载下可减小构件的截面尺寸，增大使用空间，避免短柱出现。应用较高强度等级混凝土时，需考虑施工条件的可行性。
2、高层建筑结构承重柱的轴压比限值
（1）柱中轴压比是影响延性的主要因素之一，而影响混凝土柱延性的主要原因在于混凝土部分所分担的轴压力。确定一个合适的轴压比限值，以使混凝土柱的抗震延性得到满足，十分重要。同时轴压比是影响承重柱的破坏形态和变形能力的重要因素。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）为了保证钢筋混凝土柱具有足够的延性，对柱的轴压比限值做出了规定，希望框架发生大偏心受压破坏，保证框架柱在地震作用下发生大变形时具有较好的延性，从而保证框架结构有足够的变形能力。实现框架大震不倒的抗震设计目标。表1 是建筑抗震设计规范对钢筋混凝土柱轴压比的限值。
表1 钢筋混凝土柱轴压比的限值
抗震等级 一级 二级 三级
框架柱 0.7 0.8 0.9
框支柱 0.6 0.7 0.8
对于箍筋约束混凝土柱，采用井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍钢筋混凝土柱，轴压比限值可增加0.10，但应保证最低配箍率的要求。
(2)高强混凝土柱材料的性能A、在材料的性能上，高强混凝土延性比普通混凝土延性差，在外荷作用下容易发生脆性破坏，但通过适当的配筋构造措施，用高强混凝土制作的构件延性同样可以满足设计要求，因此，其轴压比限值可不降低。B、钢纤维混凝土柱的性能。与普通混凝土类似，存在大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两种破坏形态。当钢纤维掺入量在1%-2%范围内，钢纤维混凝土抗压强度提高幅度较小。参照钢筋混凝土框架柱轴压比限值理论分析，钢纤维混凝土柱轴压比限值可略有提高。C、钢管混凝土柱的性能。基于钢管混凝土压弯构件的水平力和位移恢复力特性的理论分析结果，钢管混凝土构件用于高层建筑中时，可采取限制长细比的办法，不必限定轴压比。D、钢骨混凝土柱的性能，相关研究根据钢骨混凝土柱正截面承载力和低周期反复水平力作用下的静力试验结果，从钢骨混凝土柱界限破坏时内力的平衡条件出发，推导出轴压比的理论计算公式，经简化后提出了实用计算公式。计算表明，钢骨混凝土柱的轴压比限值
一般比钢筋混凝土柱的轴压比限值高25%-50%。E、分体柱的性能。由于“短柱”变为“长柱”，实现了框架柱的破坏形态的转变，因此，其轴压比不应受到限制。
3、改善短柱抗震性能的对策
改进配筋构造型式，加强核心混凝土有效约束，如配置螺旋箍筋、复式箍筋、斜向交叉配筋等。（1）提高构件承载力，减小轴压比，如钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱和高强混凝土柱等；（2）改进材料性能，提高混凝土变形能力，如钢纤维混凝土柱等；（3）采用分体柱，变短柱为长柱。
4、高层建筑结构承重柱的造型与合理化建议
一、高层建筑结构承重柱的种类
1、钢与混凝土结构的互补性充分发挥了他的优势，它的主要类型如下：
箍筋约束混凝土柱。根据配筋构造形式的不同，可分为普通箍、井字箍、井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍柱。箍筋约束混凝土柱的受力机理是利用复合钢箍或螺旋钢箍约束核心混凝土受压时的横向应变，使核心混凝土处于三向受压状态，从而提高混凝土强度，增加延性。这种类型柱在设计使用时，柱截面需做成圆形，适用性和灵活性差；采用焊接钢箍时，焊接麻烦，用钢量大，同时，钢箍约束核心混凝土横向应变有限，柱承载力提高和延性能的改进也是有限的。
钢纤维混凝土柱。钢纤维混凝土是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短纤维组合而成的复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的扩展，使其各项物理力学性能都比普通混凝土有明显的提高和改善。试验研究表明，随着钢纤维含量提高，混凝土极限压应变明显增大。在其他各项条件基本相同的情况下，掺入适量钢纤维能够明显提高构件的延性。
钢管混凝土柱。根据裁面形式不同，可分为方钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱和多边形钢管混凝土柱。钢管混凝土是将混凝土注入封闭的薄壁钢管内形成的一种组合结构材料，它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互制约，使其具备了优异的工作性能：承载力高、塑性和韧性好、经济效果好。采用钢管混凝土结构替代钢结构柱，可节约钢材50%左右；若替代钢筋混凝土柱，则在用钢量大体相同的情况下可减小柱截面面积50%左右。相应节约大量混凝土。
钢骨混凝土柱。该类型柱是指在钢筋混凝土柱中配置钢骨，同时配有构造钢筋及少量受力钢筋。配置钢骨的形式可分为实腹式和空腹式。不同形式的钢骨混凝土柱截面形式不同。钢骨混凝土柱不受最大配筋率限制，混凝土中配置较多的钢材，能有效地减少柱截面尺寸，满足建筑功能要求。同时，钢骨可以承担施工荷载，可作为施工荷载的承力系统。
分体柱。该类型柱是将钢筋混凝土短柱采用隔板将一个整截面柱分成2个或4个等截面小柱。各小柱独立配筋，梁柱节点仍为一个整体。试验研究表明，对钢筋混凝土短柱采用分体柱的方法可以实现变“短柱”为“长柱”的设想，框架柱破坏形态由剪切型转变为弯曲型，延性明显提高，但柱承载力略有下降，因此柱截面尺寸不仅没有减小，反而略有增大。
高强混凝土柱。高强混凝土是指混凝土强度等级为C50-C80的混凝土。由于其抗压强度高，使钢筋混凝土柱的承载力大幅度增加，在相同的荷载下可减小构件的截面尺寸，增大使用空间，避免短柱出现。应用较高强度等级混凝土时，需考虑施工条件的可行性。
二、高层建筑结构承重柱的轴压比限值
柱中轴压比是影响延性的主要因素之一，而影响混凝土柱延性的主要原因在于混凝土部分所分担的轴压力。确定一个合适的轴压比限值，以使混凝土柱的抗震延性得到满足，十分重要。同时轴压比是影响承重柱的破坏形态和变形能力的重要因素。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）为了保证钢筋混凝土柱具有足够的延性，对柱的轴压比限值做出了规定，希望框架发生大偏心受压破坏，保证框架柱在地震作用下发生大变形时具有较好的延性，从而保证框架结构有足够的变形能力。实现框架大震不倒的抗震设计目标。表1是建筑抗震设计规范对钢筋混凝土柱轴压比的限值。
表1钢筋混凝土柱轴压比的限值
对于箍筋约束混凝土柱，采用井字复合箍、复合螺旋箍、连续复合矩形箍钢筋混凝土柱，轴压比限值可增加0.10，但应保证最低配箍率的要求。
(2)高强混凝土柱材料的性能
在材料的性能上，高强混凝土延性比普通混凝土延性差，在外荷作用下容易发生脆性破坏，但通过适当的配筋构造措施，用高强混凝土制作的构件延性同样可以满足设计要求，因此，其轴压比限值可不降低。
钢纤维混凝土柱的性能。与普通混凝土类似，存在大偏心受压破坏和小偏心受压破坏两种破坏形态。当钢纤维掺入量在1%-2%范围内，钢纤维混凝土抗压强度提高幅度较小。参照钢筋混凝土框架柱轴压比限值理论分析，钢纤维混凝土柱轴压比限值可略有提高。
钢管混凝土柱的性能。基于钢管混凝土压弯构件的水平力和位移恢复力特性的理论分析结果，钢管混凝土构件用于高层建筑中时，可采取限制长细比的办法，不必限定轴压比。
钢骨混凝土柱的性能，相关研究根据钢骨混凝土柱正截面承载力和低周期反复水平力作用下的静力试验结果，从钢骨混凝土柱界限破坏时内力的平衡条件出发，推导出轴压比的理论计算公式，经简化后提出了实用计算公式。计算表明，钢骨混凝土柱的轴压比限值一般比钢筋混凝土柱的轴压比限值高25%-50%。
分体柱的性能。由于 “短柱”变为“长柱”，实现了框架柱的破坏形态的转变，因此，其轴压比不应受到限制。
三、改善短柱抗震性能的对策
改进配筋构造型式，加强核心混凝土有效约束，如配置螺旋箍筋、复式箍筋、斜向交叉配筋等。（1）提高构件承载力，减小轴压比，如钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱和高强混凝土柱等；（2）改进材料性能，提高混凝土变形能力，如钢纤维混凝土柱等；（3）采用分体柱，变短柱为长柱。
四、高层建筑结构承重柱的造型与合理化建议
在工程实际应用中，经常选用的型钢、钢管、高强混凝土组合而成的复合柱、如型钢高强混凝土柱、钢管高强混凝土柱、双层钢管混凝土柱、充满型型钢混凝土柱等。
一、概况：
裕达国贸多功能会议中心工程，地上9层，平面35m*64m,共39根箱型钢柱，截面尺寸为760*760、700*700、800*800三种，箱型柱钢板厚度为36mm。GKZ1~GKZ8、GKZ12、GKZ16、GKZ21、GKZ25、GKZ29~GKZ31柱内全部浇注混凝土，高度为53.47米，其他钢柱内浇注混凝土高度12.57~22.17米不等。柱内最大灌注混凝土量为35m3。
二、施工方法
钢柱在1米标高位置位置开孔直径为Φ150圆孔，并焊接带单向阀的混凝土输送管，利用混凝土泵的压力将混凝土自下而上挤压顶升灌入箱型柱内，直至注满整根箱型柱混凝土柱。每根钢柱都一次顶升至顶。
工艺流程图如下：
三、施工操作要点
1、现场加工制作单向阀。科技论文，裕达国贸酒店多功能会议中心。单向阀由DN125mm，5mm厚的混凝土输送弯管（R=500mm）及8mm厚的Q345钢板共同加工而成。科技论文，裕达国贸酒店多功能会议中心。
2、在标高为1米位置，箱型柱开一Φ150mm圆孔，以清除柱内积水、杂物及焊接单向阀。科技论文，裕达国贸酒店多功能会议中心。
3、 焊接单向阀，单向阀伸进箱型柱内的位置见图中所示。单向阀的盖板与水平方向的夹角宜为600～700，可通过伸出铰链背后的钢板调节固定。
4、用套箍连接截止阀，在截止阀与混凝土泵间布置混凝土输送管。
5、浇筑前，要计算好单根柱混凝土量，待所需混凝土运送到施工现场后方可进行顶升，防止混凝土在运输过程中耽搁造成顶升中断。同时，及时做好混凝土坍落度的检测。
6、混凝土输送管与截止阀连接前，泵送砂浆用以润滑输送管道，并把该部分砂浆清除干净后再进行柱芯混凝土的浇筑。
7、混凝土顶升至设计标高后，应及时停泵，并进行数次回抽，若柱顶混凝土面无明显回落，方可拆除混凝土输送管。
8、完毕30min后，观察柱顶混凝土有无回落下沉，若有下沉，则用人工补浇柱顶混凝土。
9、混凝土养护7天后，将柱底单向阀外露部分割去，并焊接封口钢板。
四、材料机具设备
1、单向阀的钢材均为8mm厚及20mm厚的Q345钢板。
2、泵送混凝土的配合比设计，应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）、《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T10-95）、《自密实高性能混凝土技术规程》（DBJ13-55-2004）和《预拌混凝土生产施工技术规程》（DBJ13-42-2002）的规定。
对混凝土要求：混凝土要具有良好的可泵性，即坍落度大，和易性好、不泌水、不离析、自密性好；初凝时间必须满足每根钢柱混凝土顶升后，混凝土仍具有足够的和易性，本次配合比设计要求初凝时间不小于6小时，终凝时间不小于8小时。混凝土坍落度控制在200mm~220mm之间。
3、机具设备选择：
泵车选择：柱内砼压力：λH=24*53.47=1283KN/m2=1.28Mpa。科技论文，裕达国贸酒店多功能会议中心。水平管60米，损失压力0.3Mpa。科技论文，裕达国贸酒店多功能会议中心。垂直高度53.47米，由于水平加劲板的阻隔作用，混凝土在柱内并不是整体上移，而是从柱中心不断上翻，预计其阻力要比在泵管内要大，因此考虑其损失压力0.8 Mpa。科技论文，裕达国贸酒店多功能会议中心。每个90°弯头降压0.1 Mpa，共计2个弯头，共损失0.2 Mpa。管路截止阀一个，降压0.8 Mpa。附属于泵车的压力损失约3 Mpa。每个水平加劲肋考虑降压0.1 Mpa，共10个，损失1 Mpa。
以上合计：7.38 Mpa，选用HBT80C-1818D地泵,理论最大输出压力为18Mpa，满足需要。
其他施工机具有混凝土搅拌运输车、输送管、单向阀、截止阀、铁锹、试件制作器具、电焊机、对讲机等。
五、劳动组织
各工种人员配备如下：
混凝土输送车司机 ，4人；泵机操作工，2人；接管工，4人；电焊工，2人；混凝土工，4人；试验员，1人；指挥人员，2人；
六、安全措施
1、施工作业人员必须了解和掌握本工艺的技术操作要领，特殊工种（如输送泵操作人员、电焊工等）应持证上岗。
2、混凝土浇筑前，应对单向阀、截止阀、输送管的布管及接头等进行检查，混凝土输送泵进行试运转正常后方可开机工作。
3、在混凝土浇筑过程中，截止阀旁严禁站人。
中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：
1钢管混凝土柱的特点
钢管混凝土柱是钢管和混凝土的组合结构,其特点如下。
1.1既发挥了钢材的弹塑性能好、抗拉压强度高,又发挥了混凝土抗压性能好的特性。钢管在承压时由于管壁薄容易失稳,当钢管内灌满混凝土后,可以有效地防止钢管失稳,从而可以提高钢管的承载力。同时在轴力作用下由于钢管的套箍作用,又大大提高了混凝土的抗压强度,提高了混凝土延性,改善了结构的抗震性能,同时也降低了造价。
1.2钢管混凝土柱和钢柱相比,可节约钢材50%左右,降低造价是显而易见的。
1.3钢管混凝土结构施工简单,它与钢柱相比,零件少、焊接工作量少;与混凝土结构相比,不用对柱子支模板,从而降低了支模板的费用,减少工作量,大大加快了施工速度。
1.4钢管混凝土柱耐火性能比钢柱好,但比钢筋混凝土柱差。用钢管混凝土柱可节约价格昂贵的防火涂料,同时内部混凝土的填充减少了钢柱的防腐处理面积,节约了防腐涂料,降低了厂房造价。
2钢管混凝土的相关设计规范
目前国际上主要采用的设计规范有美国的AISC-LRFD(1999年)、英国BS5400(1979年)、欧洲规范EC4(1994年)、日本AJJ(1997年)等。我国到目前为止颁布的有关设计规程主要有:
2.1国家建筑材料工业局标准JCJ 01-89钢管混凝土结构设计与施工规程;
2.2中国工程建设标准化协会标准CECS 28∶90钢管混凝土结构设计与施工规程;
2.3国家电力行业标准DL/T 5080-1999钢—混凝土组合结构设计规程;
2.4中国工程建设标准化协会标准CECS159∶2004矩形钢管混凝土结构技术规程。其中CECS 28∶90,CECS 159∶2004是推荐性行业标准。另外,福建、上海、天津等地也相继颁布了针对或包含钢管混凝土结构设计的地方标准。
3以具体工程为例介绍钢管混凝土柱的作用
在工业厂房结构设计中，钢管混凝土柱主要应用于下柱，下面以一个具体工程为例对此进行介绍。邯钢设备制造有限公司新建铸铁车间为单层工业厂房，建筑面积 8448m2，共三跨，每跨有 2台 Q=32/5t 桥式吊车，工作级别为 A5 级，轨顶标高 10.020m。北京中冶设备研究设计总院有限公司建筑院设计，厂房采用钢结构，上柱为实腹 H 形，下柱为双肢钢管混凝土柱，腹杆为 Φ140X5 钢管（不灌注混凝土），屋面采用梯形钢屋架，H 型钢檩条，压型钢板屋面板；吊车梁为实腹工字型断面钢吊车梁；墙面板为压型钢板，卷边 C 型钢墙梁，墙皮柱间距6m。该工程在柱子系统和屋面系统节约大量钢材，本文着重介绍柱子系统，除去上柱及肩梁与一般钢结构柱子计算方法一样不做比较外，下柱采用钢管混凝土结构比普通钢结构节约钢材 50%左右。
计算荷载取值：
①屋面荷载：活荷载 0.5 考虑积灰荷载 0.3
②风荷载： 0.45
③地震烈度：7·（0.15g）
计算软件采用中国建筑科学研究院的 PKPM-STS 软件，用框排架模块计算。基本模型为排架平面内柱脚与基础刚接，上柱与屋架铰接；排架平面外柱脚与基础按铰接计算，靠柱间支撑保证平面外稳定。下柱支撑为双片交叉支撑，采用H250X125X6X9轧制H型钢分别与两个柱肢相连。下面仅对边列柱计算结果进行比较。
经计算当采用钢管混凝土结构时柱子断面见 图1。
图1
下柱为Φ355X6 钢管，腹杆为Φ140X5。钢管中采用泵送顶升浇灌法浇注C40混凝土；上柱采用H600X350X12X16焊接H型钢；上下柱均为Q235B 钢。钢柱的稳定应力比为 0.8，平面外计算长细比为 75，钢管外径与壁厚比值 d/t=59，均满足《钢管混凝土结构设计与施工规程》3.1.5 条的要求。整个下柱用钢量 （不含肩梁）为1363kg。
在相同条件下下柱采用 H 型钢格构式双肢柱断面，经计算，断面为双H 型钢 H500X250X8X12，腹杆为双角钢 L100X8。上柱同样为 H600X350X12X16 焊接 H 型钢；上下柱均为 Q235B 钢。应力比为 0.85，长细比为 120。整个下柱用钢量（不含肩梁）为 1998kg。经比较每根柱子钢管混凝土结构比纯钢结构柱子可以节省钢材635kg，效果非常显著。同时腹杆采用钢管结构比采用双角钢结构减少了大量的焊接工作量。
4满足适合采用钢管混凝土结构的条件
4.1 轨顶标高不宜太高，因为钢管混凝土结构格构式柱子对于柱子的长细比要求较高，《钢管混凝土结构设计与施工规程》表3.1.5 规定格构式柱子长细比限值为 80，所以如下柱过高，则由于长细比的限制而导致钢管直径过大，使钢管混凝土的强度不能充分利用。
4.2 钢管混凝土柱子受压强度很高，但是受拉和受弯强度相对较差所以格构式柱子在除节点之外的部位不宜连接使柱子承受水平力的构件。
5采用钢管混凝土柱子时的注意事项
5.1 因为钢管混凝土结构一般管径较小，推荐采用泵送顶升浇灌法浇注混凝土以保证混凝土浇灌质量。应注意尽量采用骨料较小的混凝土，当采用泵送顶升浇灌法时一般为0.5~3cm，水灰比不大于 0.45，塌落度不应小于 15cm，当有穿心部件时，粗骨料粒径宜减小为 0.5~2cm。为满足塌落度的要求，应掺适量减水剂。为减少收缩量，也可掺入适量的混凝土微膨胀剂。
5.2柱肢和腹杆焊接时应避免使焊缝重合或交叉。
6需要完善的问题
6.1我国尚未制定有关钢管混凝土结构防火设计方面的规定,在某种程度上制约了该类结构的推广应用。对于已经建成的钢管混凝土结构,有的采用钢筋混凝土结构的要求外包混凝土,有的按照钢结构的要求涂防火材料(可能偏于保守造成浪费),缺乏科学性和统一性。因此,在理论研究和工程实践的基础上,应尽快编制适合我国国情的钢管混凝土结构防火规范。
6.2具有优越的抗震性能是钢管混凝土的重要特点,为合理而安全地在地震区推广这类结构,必须深入进行动力性能研究。但目前国内外对钢管混凝土的动力性能研究基本上只限于试验研究,尚没有提供可供规范使用的计算理论和设计公式;而且对钢管混凝土徐变和疲劳性能的研究大多还处在以试验研究为主,尚缺乏合理的设计方法上。
6.3实际使用的钢管往往由钢板焊接而成,焊接残余应力对钢管混凝土构件性能的影响较大,当管壁较薄时更为突出,且在施工中,内填混凝土浇筑前钢管也有相当的初应力。因此关于残余应力和初应力对结构性能的影响,仍需要深入和系统的研究。
结束语：
工程实践表明，钢管混凝土与钢结构相比，在保持自重相近和承载能力相同的条件下，可节省钢材50%，同时焊接工作量可大幅减小。因为钢管混凝土结构采用圆形钢管，外观新颖，造型美观大方。随着钢管混凝土设计与施工水平的不断提高，必将得到更大的推广。
参考文献：
[1]《钢结构设计规范》GB50017-2003.
中图分类号：TU398文献标识码：A
Research on ccentrically compressive of concrete-filled tubular CFRP-steel stub column
Chen Da-wei
Institute of Engineering Design, Chang’an University
The circular concrete -filled tubular CFRP-steel stub column under eccentrically compressive is studied based on the unified strength theory in the paper. The effect of intermediate principal stress on the ultimate strength for the concrete-filled tubular CFRP-steel stub column have been investigated; the ultimate bearing capacity of concrete filled CFRP-steel tube is gotten after the tube is plastic with the theory of Hencky’s plasticity. The ultimate load calculation formula for the concrete-filled tubular CFRP-steel stub column is derived in this paper, and can be simplified for cases without CFRP. Compared with the solution obtained in this paper and the experimental results, the good agreement can be found. The effects of the intermediate shear stress, the experimental study slenderness ratio and also the eccent ricity are all considered in the theory analysis. The analysis result further tests the applicability of the unified strength theory in the field of concrete-filled CFRP-steel tube. It has an important theory value for engineering application.
Key Word: rcular concrete -filled tubular CFRP-steel stub column; the unified strength theory; eccentrically compressive;ntermediate stress
1 引言
CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）钢管混凝土，即将片状碳纤维增强复合材料CFRP缠绕粘贴在钢管混凝土构件而成的一种新型构件，这种构件在保持了钢管混凝土基本优点的同时，又可以节省钢材的用量，尤其是高强钢材的用量，从而减轻构件的自重，还可以在一定程度上减轻钢管的腐蚀，在工程上具有良好的应用前景。
CFR钢管混凝土可以有许多种截面形式，本文将对圆形CFRP钢管混凝土柱进行偏压研究。近十年来国内外学者对圆CFRP钢管混凝土柱偏压的力学性能开展了一系列的研究，如研究了圆形CFRP钢管混凝土偏压柱试件的力学性能，主要是对其承载力的研究等。本文采用应用俞茂宏统一强度理论，对圆形CFRP钢管混凝土柱进行了研究，考虑了中间主应力对CFRP-钢管混凝土偏压柱的影响，并结合塑形全量理论的Hencky应力应变关系确定钢管进入塑形后CFRP钢管混凝土偏压柱的极限承载力，推导出CFRP钢管混凝土偏压柱的极限承载力公式，通过与文献[6]的试验结果作比较，验证了理论公式的正确性，为CFRP钢管混凝土偏压柱的承载力计算提供了一定的理论依据。
2 基本假定
对于CFRP钢管混凝土的研究假设如下：
（1）平截面假定；
（2）钢管和混凝土之间以及钢管与CFRP合成材料之间无滑移，两者之间的变形协调；
（3）钢管为理想弹塑性的薄钢管，径向应力远小于纵向应力和环向应力，故可忽略不计，和沿管壁均匀分布。
（4）CFRP合成材料当做薄膜处理，即只承受沿纤维方向（钢管环向）的拉应力。
（5）只考虑纵向平衡和变形协调条件。
3圆CFRP钢管混凝土柱偏压承载力公式
3.1统一强度理论
1991年俞茂宏在双剪强度理论的基础上，建立了一种全新的考虑中间主应力影响的适用于各种不同材料的双剪统一强度理论，它具有统一的数学模型，简单统一的数学表达式，能十分灵活地适用于各种不同特性的材料，其数学表达式为：
（1a） （1b）
式中：是一个加权参数，它反映了中间切应力及相应作用面上的正应力对材料屈服和破坏的影响，；为材料的拉压比。
3.2 CFRP钢管混凝土的弹塑性极限分析
CFRP钢管混凝土各部分的受力情况如图1所示。
图1 CFRP钢管混凝土轴压柱受力简图
由于钢管和CFRP筒是薄壁管，所以和沿薄壁均匀分布。
式中，核心混凝土的直径为，钢管的厚度为，CFRP的厚度为。因为远小于，所以式（3）中的可以用代替。核心混凝土的横截面积为。设钢管和CFRP的横截面积为，可以近试取为，
所以有：
式中为碳纤维的抗拉强度，由试验测得，为CFRP对钢管施加的竖向应力，由式（7）求得。
运用塑性全量理论的Hencky应力应变关系确定钢管进入塑性时的承载力：
（8）
（9）
其中，；。为非负的标量因子；，，，和分别为钢管的环向应变，纵向应变，弹性泊松系数，塑性泊松系数和弹性模量。根据基本假定忽略，则式（8），（9）可简化为：
（10）
（11）
式（10）除以式（11）得进入塑性阶段的横向变形系数：
（12）
将式（6）代入式（12）得：
（13）
由于，，，在塑性区，，所以将，，代入式（1a）、（1b）得：
（14）
将式（13）代入式（14）得：
（15）
由式（6）和式（15）得：
（16）
通过试验得横向变形系数和钢管约束效应系数以及CFRP约束效应系数的关系：
（17）
式中，、。
3.3 CFRP钢管混凝土柱的轴心受压承载力公式
混凝土的轴向应力与侧向压力之间的关系为：
（18）
式中，为核心混凝土的轴心抗压强度值；k为侧压力系数，钢管混凝土一般取1.5，由于混凝土的总侧向压力为，所以式（18）可化为：
（19）
由于CFRP当做薄膜处理，所以不承受竖向力，再根据纵向平衡和变形协调得CFRP - 钢管混凝土短柱所受的承载力为：
（20）
将式（7）、式（15）、式（16）代入式（20）得CFRP钢管混凝土柱的轴心受压承载力公式：
（21）
从式（21）可以看出随着的增大，即核心混凝土内摩擦角的增大，也随之增大。
3.4 偏压承载力系数，
目经过对CFRP钢管混凝土偏心受压构件力学性能已有研究的分析可知，影响偏心受压CFRP钢管混凝土构件承载力的主要因素为构件的长细比和偏心率等，故本文在计算偏心受压CFRP钢管混凝土柱的承载力时，就是在轴压承载力基础上考虑构件长细比和偏心率等因素对构件承载力的影响；其轴心受压承载力计算式为(21)，假设偏心率对偏心受压构件承载力的影响系数记为，长细比对偏心受压构件承载力的影响降低系数为。可知CFRP钢管混凝土柱偏压承载力计算公式为：
（22）
式中：， 参考文献[4]取为：
（23）
（24）
其中为偏心距； 为试件核心混凝土半径；指计算长度；D为钢管直径。
3.5 公式特例验证
如果没有CFRP筒，就只是钢管混凝土柱，即，当，，，，时，则式（22）就变为：
（25）
式（25）与文献[4]给出的计算公式完全一致。
4计算结果分析
本文的试验材料参数、、、、、CFRP的厚度为0.222mm。
从表1可以看出，本文的计算结果与文献吻合较好；还可以看出长细比和偏心距对圆形CFRP钢管混凝土柱偏压极限承载力的影响情况。
经与文献[6]中的试验数据进行了比较分析，比较结果如表1。
表1.试验数据与计算结果的比较
图2L/D与p之间的关系
图3eo与p之间的关系
5 结论
（1）本文基于双剪统一强度理论，考虑了中间主应力的影响，应用塑性理论给出了圆CFRP钢管混凝土柱偏压极限承载力公式。与文献试验值进行比较，误差在允许范围内，验证了公式的正确性。
（2）如果没有外包CFRP筒，理论公式可退化成圆截面钢管混凝土轴压短柱的计算式。
（3）在偏心距相等的情况下，构件的承载力随长细比的增大而减小；且长细比越大，承载力降低较快。
（4）在长细比相等的情况下，构件的承载力随偏心距的增大而减小；且偏心距增长越快，承载力降低越快。
参 考 文 献
[1] 钟善桐. 钢管混凝土结构[M]. 北京：清华大学出版社，2003.
[2] 蔡绍怀. 现代钢管混凝土结构[M]. 北京：人民交通出版社，2003.
[3] 俞茂宏. 混凝土强度理论及其应用[M]. 北京：高等教育出版社，2002.
[4] 赵均海. 强度理论及其工程应用[M]. 北京：科学出版社，2003.
[5] 顾威，赵颖华，孙国帅. CFRP-钢管混凝土轴压短柱的强度计算[J]. 沈阳建筑工程学院学报（自然科学版），2004，2(2): 118-112.
[6] 王庆利,车媛,高轶夫. 圆CFRP-钢管混凝土偏压构件的静力性能研究[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2007，23(1): 25-28.
[7] 顾威，赵颖华，尚东伟. CFRP-钢管混凝土轴压短柱承载力分析[J]. 工程力学，2006，23(1): 149-153.
1 引言
方钢管混凝土的研究开展的较晚，各方面的理论还不够成熟和完善，以往的研究主要集中在试验研究上，本文采用有限元分析对方钢管混凝土柱的设计和施工提出合理建议，克服试验的不足。考虑到钢管混凝土是由钢管和混凝土两种不同材料所组成，混凝土和钢管之间有相对滑移，引入一种能反映钢管和混凝土两者间界面性能的单元----粘结单元，它能比较真实地反映方钢管混凝土柱的受力性能。
2 有限元模型的建立
本文模拟框架结构中间层的中柱，截取了方钢管混凝土柱从梁顶面到柱反弯点处的部分为研究对象。为了深入分析钢管混凝土柱的受力性能，充分考虑我国有关规范的规定，依据常见的工程实例设计了4个试件，采用大型商用有限元软件ANSYS对其受力性能进行了非线性有限元模拟。
2.1模型的几何尺寸
为了研究长细比对方钢管混凝土柱的受力性能影响，以BASE试件为基础，设计了ZG系列试件，详细尺寸见表1。
表1 试件尺寸明细表
试件名称
柱宽度
（mm）
柱高度
（mm）
管壁厚度（mm）
混凝土强
度等级
轴压比
钢 材
牌 号
ZG-1
500
1650
16
C50
0.5
Q345
BASE
500
1800
16
C50
0.5
Q345
ZG-2
500
1950
16
C50
0.5
Q345
ZG-3
500
2100
16
中图分类号：TV331文献标识码： A
引言
由于目前城市用地越来越紧张，为了充分利用有限的用地，高层和超高层建筑在我国各地迅猛发展。随着建筑高度的增加，水平作用的影响也相应增大，侧向位移也增大很多。在各地修建的高层、超高层建筑很多都是采用框架-核心筒结构体系，框-筒结构具有很强的抗侧刚度，又能满足建筑功能的要求。为了减少柱截面的大小，增加建筑平面的使用面积，钢管混凝土柱-混凝土核心筒结构应运而生。它由钢管混凝土柱和混凝土核心筒组成结构的基本抗侧力体系，钢管柱的承载力大，延性好，核心筒内部一般布置电梯间及楼梯间等公共设施用房，以扩大核心筒的平面尺寸，减少内筒的高宽比，增大内筒的侧向刚度，可以充分发挥二者的各自优点，这种结构形式被越来越多的应用于超高层建筑中。
柱截面采用钢管混凝土柱，内筒采用钢筋混凝土核心筒，内、外筒体截面材料性质差异显著，在重力荷载作用下将产生一定的竖向变形差异[1]。这些差异将对结构的受力和使用功能产生不可忽视的影响，在结构设计时应进行相应的分析考虑。
1 高层建筑竖向变形差异
混凝土的收缩是指是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象，主要是由于混凝土暴露在空气中，混凝土硬化过程中化学反应产生的凝结引缩和混凝土内的自由水蒸发产生的收缩。而混凝土的徐变是指混凝土在荷载和应力不变的情况下，在一个相当长的时间内持续变形的特性。
钢管混凝土柱和混凝土核心筒体系在竖向荷载下，由于构件轴向应力的差异以及混凝土不可避免的收缩和徐变效应，钢管柱与筒体之间存在不可忽略的竖向变形差异[2]，会引起建筑结构显著的内力重分布，原来压缩较大的竖向构件部分卸载，而原来压缩较少的竖向构件会增加一定程度的荷载，给结构的安全留下隐患。
高层建筑结构中构件的内力，特别是在重力荷载作用下的内力，与施工还有非常紧密的联系。结构真正的承载形式是建筑一层一层施工完成后，荷载在逐层施加。如果只考虑重力荷载一次性施加，一次形成结构整体刚度矩阵，不考虑整个结构随着施工过程逐层找平，重力荷载逐层施加这一实际结构生成状况，会使得计算得出顶层构件的竖向变形值与变形差将远大于实际情况，对结构的受力会非常不利。因此，进行合理的施工过程模拟是非常必要的。
文[3]要求对混合结构进行竖向荷载作用计算时“宜考虑柱、墙在施工过程中轴向变形差异的影响，并宜考虑长期荷载作用下由于钢筋混凝土筒体的徐变收缩对钢梁和柱产生内力的不利影响”，文[4]中“计算长期荷载作用下钢(钢管混凝土)框架-混凝土核心筒结构的变形和内力时，考虑混凝土徐变、收缩的影响，混凝土核心筒的轴向刚度可乘以0.5～0.6的折减系数”。柱底的轴力是结构进行基础设计的基本条件，能够得到结构柱底准确的受力情况对于保障结构的安全意义非同一般，本文将通过具体的工程实例讨论分析在考虑施工模拟和混凝土收缩徐变下，钢管混凝土柱-混凝土核心筒结构柱底的内力变化，以正确的指导结构的基础设计。
2 柱底内力的计算
2.1 工程概括
该工程位于广州市，36层结构高度153.7米，地下4层为人防及车库，裙楼地上5层，高度为23.5米。建筑抗震设防分类为丙类建筑。抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，结构安全等级为二级，设计使用年限为50年。该建筑采用钢管混凝土柱-钢筋混凝土核心筒结构体系。圆形钢管混凝土截面分别为1100mm-20mm、1000-20mm、900mm-18mm、800mm-16mm,内灌C60～C45的混凝土，核心筒剪力墙厚度为600～400mm，核心筒内部剪力墙厚度为400～200mm，剪力墙混凝土强度等级由C60变为C45。
2.2 计算结果分析
本文采用盈建科结构计算分析软件对该工程进行计算分析，分四种情况进行计算：不考虑施工模拟和混凝土核心筒的轴向刚度不折减（情形1）、不考虑施工模拟和混凝土核心筒的轴向刚度折减（情形2）、考虑施工模拟3和混凝土核心筒的轴向刚度折减（情形3）、考虑施工模拟3和混凝土核心筒的轴向刚度不折减（情形4），其中混凝土核心筒的轴向刚度的折减系数为0.5，用来模拟考虑核心筒混凝土的收缩徐变的影响。分别选取2根角柱和4根边柱的在标准组合下的轴力，如下表1所示：
表1柱底轴力
Tab1The bottom of the column axial force
柱底轴力 情形1 情形2 情形3 情形4 （情形2-情形1）/情形1 （情形3-情形4）/情形4
角柱1 23361 25325 24653 23541 0.08 0.05
角柱2 22599 24971 24450 22955 0.10 0.07
边柱1 25459 30028 31373 28007 0.18 0.12
边柱2 23990 26593 26491 24745 0.11 0.07
边柱3 31610 33755 34836 33517 0.07 0.04
边柱3 28270 30479 31345 29874 0.08 0.05
由上面表格的计算数据可以看出，施工模拟和核心筒混凝土收缩徐变对柱底的轴力都有影响，有些柱底轴力的影响已经超出工程的允许误差范围，且核心筒混凝土收缩徐变的影响比施工模拟的大，同时还可以看出角柱受两者的影响比边柱的要小，在高层钢管混凝土柱-混凝土核心筒结构的设计阶段应重视采用考虑核心筒混凝土收缩和徐变影响的施工全过程模型来校核柱底的轴力。
结论与建议
为了分析核心筒混凝土收缩徐变和施工模拟对高层钢管混凝土柱-钢筋混凝土核心筒结构柱底内力的影响，通过具体的算例，得出以下结论：
（1）对于高层钢管混凝土柱-核心筒结构，由于内、外筒体截面材料性质差异显著，在重力荷载作用下将产生一定的竖向变形差异，计算分析时应采用与结构实际受力相符的模型，考虑施工阶段对结构的内力影响；
（2）在对高层钢管混凝土框架-核心筒结构基础设计时，应采用考虑核心筒混凝土收缩和徐变影响的施工全过程模型校核柱底的轴力，使结构设计更真实的接近于结构的实际受力状况。
参考文献
[1]尧国皇,于清. 高层钢管混凝土框架-混凝土核心筒混合结构的竖向变形差分析[J]. 建筑钢结构进展,2014,01:58-64.
0.引言
近年来，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了较多的应用。此外，近年来在多层、高层民用住宅建筑中也已开始采用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒结构体系，并且经济效益显著。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广泛。
1.钢管混凝土柱的特点
随着经济的快速增长和社会需求的不断扩大，近年来我国加工制造业也飞速发展，重型及超重型设备的需求逐年增加，与之相应的超大设备加工机械也应运而生，为了满足超大型设备的布置以及各种先进生产工艺发展的需要，促使工业厂房不断朝着大跨度、大柱距、大吨位吊车的方向发展。而钢管混凝土作为一种新兴的主要结构，以轴心受压和作偏心较小的受压构件为主的组合结构，在大型工业厂房的设计应用中也越来越显示出其突出的优点。
1.1 承载力高
钢管混凝土在轴心压力的作用下，产生纵向压应变，由此将引起钢管和其内核心混凝土的环向变形;随着压力的持续增大，钢管内核心混凝土向外扩张的变形大于钢管的直径扩张变形，这就使钢管箍住了混凝土，阻碍了核心混凝土的直径扩张。由此而产生了钢管与核心混凝土之间的相互作用力，此力称为紧箍力。这样就使钢管和核心混凝土都处于三向应力状态，从而使混凝土的抗压强度大大提高。
1.2 塑性和韧性好
这点可以使材料性能得到充分发挥，钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂应力状态，从而使混凝土的强度提高，塑性和韧性性能改善。根据对钢材和混凝土在三向应力状态下的应力应变关系的分析研究，可以得出用作受压构件的钢管混凝土，由于钢管对混凝土的紧箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的抗压强度大大提高，而且还由脆性材料转变为塑性材料，基本性能起了质的变化。同时，薄壁钢管的承载力由于薄壁的局部稳定，屈服强度常得不到充分利用。用作钢管混凝土时，内部存在混凝土，提高了薄壁钢管的局部稳定性，其屈服强度可以得到充分利用。在钢管混凝土构件中，两种材料能相互弥补对方的弱点，发挥各自的长处，因而是钢材与混凝土最佳的组合使用。
1.3 安全性能好
由于组成钢管混凝土的钢管和混凝土之间有相互贡献、协同作用和共同工作的优势，使其具有较好的耐火性。钢管混凝土的耐火极限高于钢结构，为防火而增加的保护材料比钢柱少，截面越大越优越。腐蚀面积比钢结构小，耐腐蚀性能好，防腐处理比钢结构更方便。钢管混凝土耐撞击的能力也比钢结构和钢筋混凝土结构都强。有防腐要求的厂房可优先选用钢管混凝土柱作为其下柱。
1.4 施工方便
在施工过程中，钢管可以作为其核心混凝土的模板，钢管本身就是钢筋，它兼有纵向钢筋(受拉和受压)和横向箍筋的作用，制作钢管远比制作钢筋骨架省工省料，而且便于浇灌混凝土。与传统钢筋混凝土相比，没有绑扎钢筋及支模和拆模等工序，施工简便。钢管本身又是劲性承重骨架。在施工阶段可起劲性钢骨架的作用，其焊接工作量远比一般型钢骨架为少，从而可简化施工安装工艺、节省脚手架、缩短工期，减少施工用地。
2.钢管混凝土柱的施工技术及其注意事项
我国尚未制定有关钢管混凝土结构设计方面的规定，在某种程度上制约了该类结构的推广应用。对于已经建成的钢管混凝土结构，有的采用钢筋混凝土结构的要求外包混凝土，有的按照钢结构的要求涂防火材料，缺乏科学性和统一性。因此，在理论研究和工程实践的基础上，应尽快编制适合我国国情的钢管混凝土结构规范。
钢管混凝土内的核心混凝土被钢管所包裹，所以其浇筑质量很难控制。如果钢管混凝土内核心混凝土浇筑得不密实，可能导致构件强度和刚度的降低，这种影响对轴压短构件相对较小，对轴压长构件相对较大，而对偏压构件影响最为显著。所以在混凝土的施工过程中，不仅要保证混凝土的强度，还要保证混凝土的密实度，确保其力学性能不受影响，以达到设计要求。常见的施工方法有:泵送顶升浇灌法、立式手工浇捣法或高位抛落无振捣法。钢管混凝土柱从减小变形和经济角度考虑，核心混凝土宜采用强度等级不低于C30的普通混凝土。
外包钢管宜采用无缝钢管或螺旋焊接钢管，钢管外径不应小于100mm，壁厚不小于4。钢管混凝土柱的核心混凝土浇筑后，尽量避免在其外包钢管上二次施焊，对核心混凝土性能产生影响。
钢管柱用插入式振捣棒密插短振，逐层振捣。振捣棒垂直插入混凝土内，要快插慢拔，振捣棒应插入下一层混凝土中5～10cm。振捣棒插点按梅花形均匀布置，逐点移动，按顺序进行，不得漏振，每点振捣时间不少于60s。管外配合人工木槌敲击，根据声音判断混凝土是否密实，每层振捣至混凝土表面平齐不再明显下降，不再出现气泡，表面泛出灰浆为止。钢管柱混凝土超声波检测，每4层进行一次，在混凝土强度达到100%后进行。施工综合技术简化了施工工艺，节约人工费，减少周转材料的投入，节约材料，减少施工用地，能确保工程质量，同时可缩短施工工期。
3.结束语
钢管混凝土柱外观效果很好，其用钢量及整体造价均比下柱用钢柱要低，并且由于钢管混凝土柱不易形成阴角，防腐处理非常方便。下柱可根据实际情况优先采用格构式钢管混凝土柱，钢管混凝土格构柱的用钢量，基本上是钢结构格构柱的用钢量的30%左右，大大节约了钢材。而且截面越大，下柱高度越高，其经济效益就越明显。随着钢管混凝土计算理论的不断完善，施工工艺水平的不断提高，钢管混凝土的应用一定会越来越广泛。 [科]
【参考文献】
［1］刘国玖,杰胜利,岳一民.钢管混凝土柱施工技术[J].四川建材,2010,(03).
［2］孙建安,朱晓忠.浅谈钢管混凝土工程特点及施工技术的应用[J].陕西建筑,2009,(11).
［3］常琳娜.钢管混凝土柱施工技术[J].包钢科技,2010,(02).
0.前言
国外最早应用型钢混凝土结构,主要是用混凝土来保护钢结构,使之防火性能及防腐蚀性能得到大大改善,不必要进行经常性的、工作量很大的日常维护。后来在结构中才主要利用混凝土来提高结构刚度,以减小结构的侧移。将型钢混凝土用于高层、超高层及高耸钢结构中,以及用于地震区的建筑中,将使建(构)筑物的侧移大大减小。一般在混凝土中再不配纵向钢筋与钢箍。所用钢管一般为薄壁圆钢管或方钢管。方钢管混凝土结构的研究与应用历史较短,尽管其与圆钢管混凝土相比有一定的优点,钢管的制作,节点的构造较为简单,对某些受力构件,大偏心受压构件比圆钢管受力性能要好,不必一定做成双肢或多肢柱。
1.钢管混凝土结构计算模型假设
对于实心钢管混凝土的研究，国内有学者提出钢管混凝土统一理论，即将钢和混凝土视为一种组合材料来研究其综合力学性能。
钢管混凝土统一理论有如下基本假设：
(1)钢管混凝土可视为一种组合材料。可以由构件的工作曲线来研究其组合力学性能指标，由整个构件的形常数来计算其承载力。
(2)钢管混凝土构件在不同荷载组合作用下的性能变化是连续、统一的。
(3)钢管混凝土构件的性能随几何参数如长细比、含钢率等的变化是连续、统一的。
(4)钢管混凝土构件的性能变化随其截面形状如圆形、多边形、方形的改变是连续、统一的。
根据这些假设，统一理论研究的基本思路是：首先分别确定钢材和核心混凝土的应力－应变关系模型，再将应力—应变关系模型编入数值计算的程序当中，利用数值分析方法计算出构件受轴压（拉）、纯弯、纯扭或纯剪的荷载－变形关系曲线，进而由荷载－变形关系曲线导出钢管混凝土各项综合力学性能指标（如轴压模量及强度指标，抗弯刚度及抗弯模量等）。由于计算时采用的核心混凝土的应力－应变关系模型中考虑了钢材对混凝土的约束作用，所以在综合荷载－变形关系中也就包含了这种作用效应，因而在各项综合力学性能指标中也包含了这种效应，比较符合实际应用。
2.钢管混凝土结构的优点
2.1受力合理
能充分发挥混凝土与钢材的特长,从而使构件的承载能力大大提高。从另一方面而言,对于同样的负荷,钢管混凝土构件的断面将比钢筋混凝土构件显著减小。对混凝土来说,由于钢管约束,改变了受力性能,变单向受压为三向受压,使混凝土抗压强度提高了几倍。对钢管来说,薄壁钢构件对于局部缺陷特别敏感。薄壁钢管也不例外,局部缺陷特别是不对称缺陷的存在,将使实际的稳定承载力比理论值小得多。由于混凝土充填了钢管,保证了薄壁钢管的局部稳定,使其弱点得到了弥补。
2.2具有良好的塑性性能
混凝土是脆性材料,混凝土的破坏具有明显的脆性性质,即使是钢筋混凝土受压构件,尤其是轴心受压及小偏心受压构件的破坏,也是脆性破坏。而且在实际工程中轴心受压、小偏心受压的情况往往实际上是不可避免的,甚至是大量的。而钢管混凝土结构中,由于核心混凝土是处于三向约束状态,约束混凝土与普通混凝土不同,不仅改善了使用阶段的弹性性质,而且在破坏时产生很大的塑性变形,钢管混凝土柱的破坏,完全没有脆性特征,属于塑性破坏。此外,这种结构具有良好的抗疲劳、耐冲击的性能。
2.3施工简单,缩短工期
钢管本身就是模板,因此比钢筋混凝土构件省去了模板。钢管本身既是纵筋又是箍筋,这样便省去了模板的制作安装工作。钢管的制作比钢筋骨架的制作安装也简单,并且钢管本身在施工阶段即可作为承重骨架,可以节省脚手架。这些方面对施工都大为有利,不仅节省了大量施工中的材料,减少了施工工作量,而且大大减少了现场露天工作,改善了工作条件,同时也加快了施工、缩短工期。
2.4显著的经济效果
与钢结构相比,节约了大量钢材。根据多项工程统计,钢管混凝土大约能节省钢材50%,因而相应地也降低了造价。与钢筋混凝土结构相比,大约可减少混凝土量的一半,而用钢量大致相当。这样随之带来的优越性是构件自身大大减轻、构件断面大大减小,减少了结构占地面积。由于省去了大量的模板,节省了大量木材,降低了费用,因此其取得了显著的经济效果。
2.5良好的抗震性能
由于结构自重大大减轻,这对减小地震作用大为有利。结构具有良好的延性,这在抗震设计中是极为重要的。而对于一般钢筋混凝土柱,尤其是轴压和小偏心受压柱是难以克服的缺点。
2.6具有美好的造型与最小的受风面积
圆形柱不仅以其美好的造型而且因其无棱角,所以特别适用于公共建筑的门厅、大厅、车站\车库、城市立交桥以及露天塔架等高耸结构。
由于钢管混凝土结构具有一系列的优点,因此被广泛采用于多高层建筑、桥梁结构、地铁车站及各种重型、大跨的工业厂房以及高耸塔架等建筑物。钢管混凝土结构在国外应用已有近百年历史,20世纪初,美国就在一些单层和多层房屋中采用钢管混凝土柱。
3.钢管混凝土结构在多层建筑中的应用
例如1984年在上海建成的基础公司特种基础研究所科研楼,地下2层,地上5层均为双跨钢管混凝土框架结构。边柱与中柱分别为299与35l根钢管混凝土柱,可见柱断面及结构占地面积均比钢筋混凝土框架柱为小。1992年泉州市邮电局大厦,高87.5m,采用框架剪力墙结构,底部三层的框架柱采用的钢管混凝土柱。厦门信源大厦高96m,地下2层\地上28层。地下至20层的全部框架柱及20～23层的四角柱采用了钢管混凝土。厦门埠康大厦,高86.5m,地上25层,其中12层采用了钢管混凝土柱。惠州嘉骏大厦28层,全部柱子采用钢管混凝土柱。惠州富绅商住楼28层,地下2层、地上3层全部柱子采用了钢管混凝土柱。这些高层建筑中采用钢管混凝土柱不仅节约材料、减轻自重、缩短工期,并且如果采用钢筋混凝土,柱断面尤其是底下数层柱的断面将会很大,结构占据了很大的使用面积,也给使用带来诸多不便。
4.钢管混凝土结构在公共建筑中的应用
在北京地铁车站站台中广泛采用了钢管混凝土柱,不仅充分发挥了其优良的受力性能,也获得美好的景观,缩短了工期。首钢陶楼展览馆,全部柱子也采用了钢管混凝土柱。江西省体育馆的屋盖由跨度为88m的拱悬挂。拱采用箱形截面,分别用四根钢管置于箱形截面的四角,用角钢做腹杆组成了箱形截面拱。四角钢管中浇筑混凝土,以此箱形拱为依托,挂上模板,浇灌混凝土以形成钢筋混凝土箱形截面拱。这样解决了如此高大拱体现场浇筑混凝土的困难。充分体现了前述钢管可作为施工时承重骨架的优越性。这一结构,实际上是钢管混凝土与空腹桁架配钢的型钢混凝土结构的巧妙结合与新的发展。
5.钢管混凝土结构在工业构筑物中的应用
钢管混凝土结构经常用于各种设备支架、塔架、通廊与仓库支柱等各种工业构筑物中。
工业构筑物支架柱常为轴心受压或接近轴心受压,塔架等构架的杆件常常以轴力为主,因此用钢管混凝土柱受力合理,尤其对于室外的高度较高的塔架或仓库等,用圆形柱减小了受风面积,对承受风力是理想的断面形式。这些构筑物中比较典型的有江西德兴铜矿矿石贮仓柱。圆筒贮仓高达42m,包括矿石在内总重达16000t,采用了16根钢管混凝土柱支承。荆门热电厂锅炉构架1982年建成,锅炉及附属结构总重为4220t,构架高50m,由六根钢管混凝土平腹杆双肢柱支承。构架跨度22.4m,柱距12m,柱顶标高47.93m。柱肢采用令800mmXl2mm的钢管,显得非常轻巧。另外笔者在莱钢2x60万吨水渣微粉项目中，立磨机框架高度52m，框架顶部工艺安置一台50吨行车，框架柱采用了钢管混凝土框架柱结构，较好解决整体框架结构顶部受力过大的问题。
华北电管局的微波塔于1988年建成,塔顶标高117m,塔身由20根令273mmX8mm无缝钢管内注C15混凝土的钢管辊凝土柱构成空心圆柱形结构。华东电力设计院1979年设计的500kV门式变电构架采用钢管混凝土A形柱,构架高27.5m,采用420mmX6mm的钢管,取得较好的经济效果。
6.结论
由于钢管混凝土的合理受力性能,施工简便,可加速工期并取得一定经济效果,因此已广泛用于各种建构筑物及桥梁工程。当然,根据其受力特点,主要用于以轴力为主尤其是以轴压为主的构件更显其优越性。由于工程中各种类型构件均有,受力复杂,因此使用时应根据构件受力特点,可与钢结构/钢筋混凝土结构及其他组合结构结合使用,使各自发挥本身的特长而构成合理受力结构,而不可勉强地一定采用某种单一的结构体系。
【参考文献】
1 引言
为了更好地适应当代工程结构向大跨、高耸、重载方向发展和工业化生产施工的需要，钢骨-方钢管混凝土组合柱作为一种重载柱将在我国的国民建设和发展中扮演着重要的角色[1,2]。目前，已有学者对该类组合构件进行了试验和理论方面的研究[3-6]，但对于钢骨-方钢管混凝土偏心受压承载力研究未见报道。因此，笔者将采用基于钢筋混凝土构件的极限状态设计法对钢骨-方钢管混凝土组合短柱在小偏心范围内的偏压承载力公式进行推导，给出小偏心情况下该组合住的承载力计算公式。
2 极限状态设计法
2.1 计算假定
在小偏心范围内，钢骨-方钢管混凝土组合柱偏心受压承载力按下列基本假定进行计算[7-9]：
①构件变形后截面平均应变符合平截面假定；
②不考虑混凝土的抗拉强度；
③受压区混凝土的应力图简化为等效的矩形应力图，其高度取按平截面假定所确定的受压区高度乘以系数0.8，相应的最大压应力取为混凝土轴心抗压强度fc；考虑钢骨截面的影响，压区混凝土的面积乘以0.9的折减系数，同时考虑方钢管对混凝土的约束作用，压区混凝土的强度再乘以1.2的增大系数。
④方钢管和钢骨的应力图形按全塑性假定简化为拉压区图形（如图1所示），这样的简化与钢材的实际应力图形较为吻合。即在小偏心范围内，弯矩作用在一个主平面内的钢骨-方钢管混凝土组合柱偏心受压构件，假定方钢管混凝土压弯构件破坏时，方钢管受压区截面部分屈服，受拉边未屈服，且整个截面没有发生局部屈曲；钢骨部分整个截面受压，部分屈服，部分未屈服。计算时假定钢管和钢骨的拉压强度相等，即，，弹性模量也相等，即，。
⑤为简化计算，当钢骨形状为十字形时按工字形考虑。
(a)截面示意图 (b)方钢管混凝土应变图和应力图 (c)钢骨应变图和应力图
(a)截面示意图(d)截面受力图
图1 钢骨-方钢管混凝土组合柱的偏心受压承载力计算
Fig.1 Calculation for flexural capacity of square steel tubular columns filled with
steel-reinforced concrete member
2.2 中和轴位置的判断
中和轴与钢骨的相对位置不同，构件抗弯承载力的计算式也不同，因此在计算抗弯承载力时首先要判断中和轴的位置。钢骨-方钢管混凝土组合柱偏心构件中和轴的位置会出现六种情况：中和轴位于方钢管受压边缘至钢骨上翼缘之间；中和轴位于钢骨上翼缘内；中和轴位于钢骨上翼缘至形心轴腹板以上；中和轴位于形心轴腹板以下至钢骨下翼缘；中和轴位于钢骨下翼缘内；中和轴位于钢骨下翼缘至方钢管受拉边缘之间。需要说明的是，以上六种情况在截面承载力校核时都有可能出现，而在实际的设计中一般要求中和轴不能位于钢骨上翼缘以上。原因是当中和轴位于钢骨上翼缘以上时，钢骨全截面受拉，其上翼缘与混凝土的界面之间有较大剪应力，并可能引起相对滑移，导致钢骨与混凝土不能完全协同工作。基于2.1节假定，小偏心范围内，公式推导只针对中和轴位于钢骨下翼缘至方钢管受拉边缘之间时的情况。
2.3 小偏心受压承载力的计算
在小偏心范围内，钢骨-方钢管混凝土组合柱承受偏心压力到达承载力极限状态时的截面应力如图1所示。根据力的平衡条件及力矩平衡条件可得：
(1)
(2)
其中，可根据截面应变保持平面的假定计算，近似求出各应力值（式3~6）：
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
式中，N为构件的偏压承载力；M为构件的抗弯承载力；fc为混凝土的轴心抗压强度；x为混凝土受压区高度；B为方钢管的外边长；t为方钢管的壁厚； fyt、fys分别为方钢管和钢骨的拉压强度；tw、hf、tf分别为钢骨的腹板厚度、翼缘宽度和翼缘厚度；为混凝土受压区边缘至钢骨上翼缘的距离；为方钢管受压侧腹板未屈服应力；为方钢管受拉侧腹板未屈服应力；为方钢管受拉侧边缘应力；为钢骨受压侧未屈服应力。
3 小结
文章对钢骨-方钢管混凝土组合短柱的偏压承载力进行了理论分析，得出以下主要结论：
①在小偏心范围内，确定了计算钢骨-方钢管混凝土组合柱偏心受压承载力的基本假定。
