中空夹层钢管混凝土结构力学性能研究综述

摘?要：综合论述了中空夹层钢管混凝土结构的国内外研究状况，提出了需要进一步深入开展的研究工作，以便更好地为这一新型的钢管混凝土结构的工程应用打下基础。

关键词：中空夹层钢管混凝土；力学性能；综述

1?引言

中空夹层钢管混凝土，是将内外两根钢管以相同的形心放置后，在两钢管夹层间灌注混凝土而形成的整体受力构件。作为一种新型的钢管混凝土结构形式，它是在实心钢管混凝土的基础上发展而来的。中空夹层钢管混凝土内、外钢管可采用不同的截面形式，常用的钢管截面形式有圆形、方形和矩形，将其中任意两种两两组合，可以得出该类构件的多种截面类型。目前，海内外的专家学者主要研究的是以下五类截面。相比方、矩形截面来讲，圆形截面更不易发生局部屈曲，因此将圆形截面作为中空夹层钢管混凝土的钢管更有利，同时方形钢管作为外管有利于梁柱节点的连接。

2?研究现状

文献[1]进行了圆中空夹层钢管混凝土轴压短试件的力学性能试验，其截面形式如图1-3（a）所示，其钢管的径厚比（D/t，D为圆钢管的外径，t为圆钢管的壁厚）范围为43~169。构件在两层钢管之间灌注的混凝土为树脂混凝土，混凝土的圆柱体抗压强度为58.6Mpa。试验中进行的一次轴压加载的试验结果表明：试验时构件的荷载—变形关系在加载后期基本都出现了下降段，其轴压极限承载力比钢管和混凝土二者叠加的承载力要高出10~30%，同时在承载力峰值点处的应变值达到了1%，大于钢管或混凝土单独加载时各自峰值点处的应变值。试验结果还表明，钢管和混凝土之间的相互作用使得钢管的局部屈曲大大延迟，在钢管发生局部屈曲后，由于混凝土的存在使得钢管的屈曲发展较慢，这种情况一直保持到混凝土被压碎。对中空夹层钢管混凝土轴压构件的荷载-变形关系进行了初步分析，分析时考虑了钢管和混凝土之间的相互作用力。由于采用的分析方法无法考虑混凝土破坏后的情况，因而提供的方法仅能计算出构件的荷载-变形关系至峰值点处，无法更进一步准确的模拟出构件荷载—变形关系的下降段。

文献[2]报道了6个圆中空夹层钢管混凝土试件轴压力学性能的试验研究结果。试验过程中的主要变化参数为内管和外管所用的钢管尺寸大小，其钢管径厚比的变化范围大致为19~57。试验结果表明：试件具有很好的延性和能量吸收性能。试件的外管在试验过程中的破坏形态和普通钢管混凝土的外包钢管相类似，呈象腿状，但内管的破坏情况却有所不同，呈扭曲的钻石状。

文献[3]共进行了8个方中空夹层钢管混凝土轴压短试件的试验研究。在制作试件时，其所用的方管为冷弯薄壁型钢，方管的宽厚比（B/t，B为方钢管的外边长，t为方钢管的壁厚）范围为11~50。试验结果表明方中空夹层钢管混凝土试件与空钢管相比具有很好的延性和能量吸收性能。

文献[4]进行了5个中空夹层钢管混凝土试件的试验研究，表明中空夹层钢管混凝土试件在破坏时的跨中挠度要比空钢管试件高2倍左右。

文献[5]对圆中空夹层钢管混凝土压弯构件的滞回性能进行了试验研究。试验是以一个实桥的桥墩为原始模型，按1:10的比例共制作了4个中空夹层钢管混凝土试件和2个钢管混凝土对比试件。试验结果表明，中空夹层钢管混凝土试件的截面中空并未影响其变形能力，其极限承载力比相同外管的钢管混凝土试件高。

文献[6]对宽厚比为62.2、46.6、40的方中空夹层钢管混凝土构件固定轴力施加循环荷载时，发现当宽厚比为40时，中空夹层钢管混凝土试件不论在强度、延性及自重减轻上都有很好的效果。

文献[7]的研究表明中空夹层钢管混凝土柱的峰值应变约为无约束混凝土的1.6到2.3倍，表明混凝土受到了良好的约束。而中空夹层钢管混凝土柱的综合弹性模量为实心钢管混凝土柱的1.5倍以上，表明中空夹层钢管混凝土有着良好的轴向刚度。另外中空夹层钢管混凝土的抗弯能力也高于实心钢管混凝土。

3?研究展望

作为一种新型结构，有关中空夹层钢管混凝土的研究还有许多急需解决的课题，应开展以下几方面的研究工作。：

（1）中空夹层钢管混凝土节点、框架和结构体系的研究。作为一种新型的结构形式，要在工程中将其推广应用的话，需要对节点、框架和结构体系进行系统的研究。

（2）长期荷载作用和复杂受力状态下的影响。在桥梁、高层和超高层建筑结构中使用中空夹层钢管混凝土时，需要考虑长期荷载以及压弯剪扭等复杂受力作用下对其力学性能的影响。

（3）耐火性能和抗火设计方法的研究。在建筑结构中使用中空夹层钢管混凝土时，需要考虑突发火灾事故后承载力降低和整体结构安全性降低等问题，因此要对它的耐火性能和抗火设计方法进行研究。

（4）界面损伤与承载力的关系。由于具有外管和内管，中空夹层钢管混凝土中混凝土与钢之间的界面面积比实心钢管混凝土大，因此应该对中空夹层钢管混凝土的界面损伤与承载力的关系进行研究。

参考文献：

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[6] 许协隆,林江麟.中空双钢管混凝土构件承载行为[C]. 中华民国第四届结构工程研讨会论文集,1998:1915-1922.

[7] 蔡克铨,林敏郎.双钢管填充混凝土中空桥柱耐震行为（一）[C]. 财团法人中兴工程顾问社项目研究计划期中报告.台北. 2001.