薄壁不锈钢管轻质混凝土柱受压性能研究进展报告

 浙江至德钢业有限公司对近年来薄壁不锈钢管轻质混凝土柱受压性能的相关研究工作进行了简介，整理出一些有关薄壁钢管局部屈曲和极限承载力的计算方法，最后提出薄壁钢管轻质混凝土柱受压性能进一步的研究方向。薄壁不锈钢管轻质混凝土中的“薄壁钢管”是指径厚比或宽厚比大于空钢管局部稳定限值的1.5倍或者厚度小于3mm的钢管。采用含钢率相对更低的薄壁不锈钢管混凝土可以更好地落实我国在建筑中合理使用钢材的相关产业政策，进一步提高钢材的利用效率，减少钢材用量，降低工程造价。另外，为了适应工程结构轻质、高强的发展要求，轻质混凝土的应用前景日益广阔。轻质混凝土自重轻，但同时也有强度低、弹性模量较小的缺点。薄壁钢管和轻质混凝土之间的相互约束作用，可以使薄壁钢管的局部屈曲得以延缓，同时亦可改善轻质混凝土的受压性能。在轻型结构中应用薄壁钢管轻质混凝土构件可以充分发挥两种材料的优点。近几年来，薄壁钢管轻质混凝土柱受压性能的相关研究有了一定进展，本文从薄壁钢管混凝土、钢管轻质混凝土、薄壁钢管轻质混凝土三个方面对其进行综合论述。

一、薄壁不锈钢管混凝土柱受压性能的研究进展

 刘武通等通过3根等尺寸薄壁不锈钢管混凝土柱的静力试验，研究了套箍系数、偏心率对钢管混凝土柱力学性能的影响，试验结果显示：偏心率越小，薄壁不锈钢管纵向应变所对应的环向应变越大，钢管对混凝土的套箍效应越明显，承载力越高，横向变形能力越差。另外，通过承载力试验值与根据几本规程所得计算结果的对比分析，建议优先选用规程CECS 28:2012作为设计依据。

 刘庆施等以含钢率、核心混凝土强度、矿渣块体取代率为参数进行了12根薄壁不锈钢管矿渣混凝土短柱的轴压试验，分析了各个试件的破坏过程，探讨了各参数对轴压承载力的影响程度。试验结果表明：所有试件均发生了剪切破坏，且都有较高的承载力和后期变形能力；核心混凝土强度、含钢率、矿渣块体取代率对承载力的影响程度依次降低。侯红伟等阐述了薄壁矩形钢管混凝土轴压柱的局部屈曲性能；并假设钢管壁的内侧受到混凝土的径向压力，在非加载边受到弹性约束，得到了轴压作用下矩形钢管混凝土柱的临界宽厚比公式。

 赖伶通过薄壁不锈钢管混凝土柱轴压试验发现：加劲钢管混凝土试件局部屈曲现象的产生一般晚于无肋钢管混凝土，局部屈曲的发展速度与加劲肋刚度成反比；对于未充分加肋试件，板件在达到极限承载力之前产生屈曲变形；试件截面的宽厚比越小，在达到极限承载力后的下降段越平缓；加载方式对薄壁方钢管混凝土轴压承载力影响较大。

 张凤杰等对9根不同钢材强度、不同钢管厚度、不同试件高度的圆钢管混凝土柱试件进行了试验研究，试验结果表明：薄壁不锈钢管混凝土柱的延性随含钢率的提高而增强；在达到极限承载力后有明显的荷载下降段，直至达到某一荷载值后持续变形，持载一段时间后均表现为试件变形突然增大而失效；规程CECS 28:2012的相关公式依然适用于薄壁圆钢管混凝土柱构件，但计算结果较保守。

二、钢管轻质混凝土柱受压性能研究进展

 韩帅进行了24根钢管微膨胀轻骨料混凝土短柱轴压试验，通过试验结果分析得知：试件的组合强度和刚度随含钢率和混凝土强度的提高而增大；掺加适量膨胀剂能够增强钢管对轻骨料混凝土的紧箍作用，进一步提高承载力。另外，通过数据拟合得出三向应力状态下微膨胀轻骨料混凝土的强度准则。王新堂等分析了膨胀剂掺量、含钢率、受火条件对钢管自应力陶粒混凝土短柱火灾后力学性能的影响。试验结果表明：自应力大小对火灾后承载力的影响程度与含钢率有关，初始自应力对含钢率较低试件的火灾后性能的改善效果更加显著；含钢率越高，火灾后钢管自应力陶粒混凝土轴压短柱延性越好。

 傅中秋等较为深入地探讨了偏心率对钢管轻集料混凝土柱受压性能的影响。其试验结果表明：偏心率越大，钢管轻集料混凝土柱纵向应变发展速度越快；试件破坏时横截面的受压区高度随偏心率增大而减小，中和轴逐渐向偏心一侧移动；钢管轻集料混凝土延性随偏心率增大而增大；偏心率与整体稳定性对承载力的影响相互独立。该学者还对钢管轻集料混凝土轴压柱受力性能受长细比的影响进行了研究，结果表明：长细比越小，塑性变形越明显，材料强度发挥越充分；其它参数条件相同时，承载力随长细比的增大而减小。

三、薄壁不锈钢管轻质混凝土柱受压性能研究进展

 目前，在钢管混凝土结构体系中同时采用薄壁钢管和轻质混凝土两种材料的相关资料仍然较少。肖海兵等运用统一强度理论，推导出三向应力状态下薄壁不锈钢管的纵向抗压强度公式；另外，在考虑轻骨料混凝土与普通混凝土多轴强度准则的差异性的基础上，推导出薄壁不锈钢管轻质混凝土轴压短柱承载力的计算公式。冯涛等中对不设肋、设直肋、设斜肋薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱展开有限元分析，得出结论：设肋可有效提高薄壁不锈钢管轻质混凝土轴压短柱承载力；钢管厚度对薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱承载力的影响较大；薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱中混凝土强度对承载力的影响不如薄壁方钢管普通混凝土短柱明显。

四、薄壁不锈钢管轻质混凝土受压构件的研究展望

 约束效应略低的薄壁不锈钢管与抗压强度略低的轻质混凝土相配合，可达到充分利用两种材料强度的目的，适用于对受压承载力要求较低而对构件自重敏感的结构中，有较好的应用前景。目前对薄壁不锈钢管轻质混凝土受压构件的研究仍不充分，两种材料的最优搭配比例和设计参数优化取值、提高长柱和中长柱极限承载力的构造措施及相应的设计计算理论、火灾后性能评估等方面的研究仍然欠缺，是未来需要研究的方向。