《钢管混凝土不同截面柱力学性能》是作者近年来钢管混凝土柱力学性能方面研究成果的总结。主要内容包括：采用统一强度理论，考虑中间主应力及材料拉压强度比影响，提出单钢管混凝土柱、复式钢管混凝土柱、组合截面钢管混凝土柱的承载力计算方法；提出适用于单钢管混凝土柱（圆形、方形和多边形）、实复式与中空夹层复式钢管混凝土柱、方钢管 -钢骨混凝土柱、PBL加劲型方钢管混凝土柱、方钢管螺旋箍筋混凝土柱、L形钢管-钢骨混凝土柱以及带约束拉杆十形钢管混凝土柱等不同截面形式的钢管混凝土柱轴压与偏压承载力统一解；进行单钢管和复式钢管混凝土柱的轴压、偏压、抗震性能试验研究和数值模拟，**分析不同参数下组合柱受力性能的影响规律。

第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
钢管混凝土是将普通混凝土填入钢管内形成的组合材料，充分发挥了钢材受拉性能高和混凝土受压性能好的优点。它是由劲性钢筋混凝土及螺旋箍筋混凝土演变和发展起来的，螺旋箍筋混凝土柱中横向箍筋密集地连在一起，与纵筋合一，去除外围混凝土，就发展成为钢管混凝土 [1， 2]。钢管混凝土结构已逐渐成为与传统四大结构（木结构、砌体结构、钢结构、钢筋混凝土结构）并列的第五大结构 [3，4]。同钢筋混凝土结构相比，钢管混凝土结构可以减轻自重，减小地震作用，减小构件截面尺寸，增加有效使用空间等；同钢结构相比，可以减少用钢量，降低造价，提高刚度，增加稳定性和整体性，增强结构的抗火性等。工程实践表明，钢管混凝土结构具有显著的经济效益和社会效益。
钢管混凝土结构除具有承载力高、塑性韧性好、施工方便、经济效益好、抗震性能好、耐冲击等优越性能外，其耐撞击和耐火性能优于钢结构，且火灾后构件的可修复性强；具有比钢结构优越的动力性能，增加居住的舒适感。另外，钢管混凝土结构还可以结合预应力技术，提高其刚度和耐疲劳性能。钢管混凝土柱作为一种组合结构构件，通过钢管和混凝土两种材料的组合及相互作用，使两者的优点充分发挥，提高了结构的整体性。总之，钢管混凝土柱构件所具有的优越性能，使其能满足现代工程结构的大跨度、高耸、承受较大荷载的发展和耐火条件的需要，符合现代施工工业化和经济技术的要求。因而，钢管混凝土柱被广泛应用于高层建筑、单层 /多层工业厂房、桥梁结构、地下结构及港口工程等建设中，并取得了良好的社会和经济效益 [1]。目前，工程中*常用的单钢管混凝土柱截面形式有圆钢管混凝土、方钢管混凝土、矩形钢管混凝土以及多边形钢管混凝土等，如图1.1所示。
（a）圆钢管混凝土（b）方钢管混凝土
（c）矩形钢管混凝土（d）多边形钢管混凝土
图1.1 单钢管混凝土柱常见截面形式
复式钢管混凝土柱是基于钢管混凝土柱而发展形成的一种新型构件 [5]。这种结构形式是同心放置两层或多层钢管，并在一层或多层钢管中填入混凝土而形成的。根据*内层钢管中有无混凝土可将复式钢管混凝土柱分为实复式钢管混凝土柱和中空夹层复式钢管混凝土柱两种，如图 1.2所示。与普通钢管混凝土柱相比，复式钢管混凝土柱具有强度高、抗弯刚度大、韧性好、承载力高、抗震及耐火性能优越、防锈蚀性能好、耐久性能好和经济合理等特点，适用于沿海建筑、高速公路和桥梁大直径柱等方面的工程中。
（a）实复式钢管混凝土柱
（b）中空夹层复式钢管混凝土柱
图1.2 复式钢管混凝土柱
在工程实际应用中，钢管混凝土柱并不局限于单钢管混凝土柱或复式钢管混凝土柱。随着建筑结构形式多样化，不同截面形状的钢管混凝土柱应运而生。其中钢管-钢骨混凝土柱通过钢管、钢骨和混凝土的协同工作达到了提高柱的承载力、延性以及耐火性能的目的，具有承载力高、截面尺寸小、受弯及抗震性能好等优点，特别适用于现代的高耸、桥梁、大跨及重载结构。异形截面钢管混凝土柱具有截面惯性矩大、与梁连接方便、易满足建筑平面要求等特点 [6-8]，以边柱 T形、角柱 L形、中间柱十形的方式广泛应用于中高层建筑结构，此类布置方式能有效避免柱阴阳角的出现，提高建筑的使用面积。新型结构的研究与应用不断丰富和完善着钢管混凝土结构体系。本书内容涉及的主要有方钢管 -钢骨混凝土柱、方钢管螺旋箍筋混凝土柱、带约束拉杆十形钢管混凝土柱和 L形钢管-钢骨混凝土柱，如图 1.3所示。
随着我国现代化不断推进，各类高层及超高层建筑鳞次栉比，钢管混凝土柱截面形式也需要灵活改变。目前，国内还没有有关钢管混凝土不同截面形式柱的文献资料，对其力学性能的研究也不够充分与完善。因此，本书对单钢管混凝土柱、复式钢管混凝土柱、组合截面钢管混凝土柱的轴压性能、偏压性能及抗震性能开展系统和深入的研究，并基于统一强度理论提出实用的理论计算方法，具有重要的工程意义。
（a）方钢管 -钢骨混凝土柱（b）方钢管螺旋箍筋混凝土柱
（c）带约束拉杆十形钢管混凝土柱（d）L形钢管-钢骨混凝土柱
图1.3 几种组合截面钢管混凝土柱
1.2 国内外研究现状
1.2.1 钢管混凝土柱轴压性能研究现状
由于钢管和核心混凝土的相互作用，钢管混凝土柱轴心受压构件表现出了良好的力学性能，具有较高的承载力和较好的塑性及稳定性，避免了钢筋混凝土柱轴心受压时容易发生的脆性破坏和纯钢柱轴心受压时容易发生的局部屈曲破坏。含钢率、套箍系数、核心混凝土强度等级和长细比是影响钢管混凝土柱轴心受压构件力学性能的重要参数。作为*基本的力学性能，钢管混凝土柱的轴压性能是研究压、弯、剪、扭及复杂荷载作用下工作机理的基础。国内外关于钢管混凝土柱轴压性能的研究成果非常多，涉及范围也非常广泛。
1. 圆钢管混凝土柱
圆钢管混凝土柱对于抵抗方向不确定的地震作用是很有效的，同时，圆形钢管的紧箍约束作用能有效地克服核心混凝土的脆性。圆钢管混凝土是目前工程中*常用的截面形式之一，国内外关于圆钢管混凝土结构和构件的研究已经比较成熟。
1879年，英国 Severn铁路桥采用钢管混凝土柱作为桥墩。我国对钢管混凝土柱较为深入的研究是 20世纪 70年代以后，代表性研究者有陈肇元 [9]、钟善桐和何若全 [10]、蔡绍怀和焦占拴 [11]、韩林海[2]等。Johansson和 Gylltoft[12]试验研究了不同加荷方式下的圆钢管混凝土轴心受压短柱，结合数值模拟结果分析了圆钢管混凝土柱轴压荷载 -变形关系的变化规律； Bradford等[13]研究了圆钢管混凝土柱轴压构件在受荷过程中钢管的局部屈曲和后屈曲问题，建议工程实践中圆钢管混凝土柱的长细比不要超过 125；丁发兴 [14]探讨了常温和高温下圆钢管混凝土轴压短柱的受力机理，提出常温和高温下混凝土多轴强度准则和本构关系，建立了钢管混凝土结构非线性有限元分析方法； Gupta等[15]对 81组圆钢管混凝土柱试件的轴压承载力进行了试验和数值分析，研究了钢管直径、厚径比和混凝土强度等参数的影响特性； Zhou等[16]研究了圆钢管混凝土柱、素混凝土柱和钢筋混凝土柱的极限承载力性能，分析了三种柱的收缩、徐变特性和轴压性能；梁本亮和刘建新[17]考虑屈服时钢管竖向应力对承载力的贡献，对钢管采用厚壁圆筒理论，对混凝土采用 Drucker-Prager屈服理论进行分析，推导了钢管混凝土短柱的极限承载力；肖岩和黄叙 [18]基于钢管混凝土构件中钢管与核心混凝土的相互作用，通过约束混凝土八面棱柱体应力 -应变本构模型及钢材的各向同性线性强化模型，采用增量法研究了圆钢管混凝土轴压短柱的弹塑性全过程力与变形分析； Dundu[19]对圆钢管混凝土柱的抗压性能进行了研究，通过对 24组圆钢管混凝土试件的轴向压缩至破坏，探讨了长度、直径、钢材强度和混凝土强度变量的影响规律。
从以上文献可知，国内外对圆钢管混凝土柱的研究工作已比较全面，但承载力计算公式的推导未充分考虑钢管对核心混凝土的约束效应，缺乏理论基础；部分结果因统计的试验数据量有限，不具有普适性。本书采用统一强度理论，考虑中间主应力对组合柱的影响，是推导圆钢管混凝土轴压短柱承载力公式的有益尝试。
2. 方钢管混凝土柱
与圆钢管混凝土柱相比，方钢管混凝土柱的约束作用不明显，对核心混凝土的约束力主要集中在四个角上，分布不均匀；但在中长柱范围，方钢管混凝土柱显示出截面惯性矩大、稳定性好的优点，而且方钢管混凝土柱外形规则，有利于梁柱连接，克服了圆钢管混凝土结构截面形式造成的施工上的不便。
目前国内外学者已经进行了大量方钢管混凝土柱轴压性能的试验研究和理论分析。 Gupta和 Parlewar[20]对 20根方钢管混凝土柱轴心受压构件的承载力进行了试验研究，试件选择不同尺寸的两种钢管，进行了空钢管柱承载力对比试验； Mursi和 Uy[21]进行了薄壁方形高强钢管混凝土柱的试验研究，同时进行了 8个空钢管柱试件的对比试验，并提出了薄壁高强钢管混凝土柱构件承载力的计算公式；张素梅等[22]通过 24根方钢管高强混凝土轴压短柱的试验研究，分析了混凝土强度、含钢率和套箍系数因素的影响特性；张耀春等 [23]对 26根圆形、方形和八边形等不同截面形式的薄壁钢管混凝土短柱的轴压性能进行研究，分析了薄壁钢管混凝土轴压柱的破坏特征，对试验数据拟合回归后得到承载力简化计算公式；卢方伟等[24]考虑了材料本构关系的非线性及材料泊松比的变化，建立了方钢管混凝土短柱在轴心压力作用下的非线性有限元计算模型，探讨了钢管与混凝土的接触压力、核心混凝土纵向应力分布及钢管对混凝土的约束效应等问题；钱稼茹和江枣 [25]在提
出方钢管组合柱轴压承载力的极限状态及轴压峰值应变的基础上，推导了组合柱轴压承载力计算公式，*后建议了钢管混凝土截面面积在组合柱总面积中所占比例的上限值；梁禧 [26]采用有限元分析软件 ABAQUS，研究了方钢管高强混凝土短柱在轴向受压状态下的破坏模式； Wu等[27]将废弃混凝土块和新混凝土填充入方钢管内，形成方钢管混合混凝土柱，研究了 10根该构件在轴向压力作用下的强度和延性，得出填充废弃混凝土和新混凝土的构件的变形能力和能量耗散性能更优良的结论。
通过以上研究发现，方钢管混凝土柱具有极限承载力不稳定的缺点，对局部缺陷敏感，故这方面的研究没有圆钢管混凝土柱成熟。由于估算核心混凝土与方钢管间约束所产生的“效应”方法不同，计算方钢管混凝土柱承载力的计算方法和计算结果会有差异。本书根据统一强度理论和厚壁圆筒理论，综合考虑方钢管混凝土柱的材料特点，引入考虑厚边比影响的等效约束折减系数，推导方钢管混凝土轴压柱的承载力统一解。
3. 复式钢管混凝土柱
复式钢管混凝土柱不仅具有很高的承载力，而且有很好的延性及很强的防倒塌能力，可以在强地震区的结构中应用。研究结果表明，复式钢管混凝土柱可以更好地产生约束混凝土的作用，包裹材料和混凝土协同作用从而达到提高组合柱承载力、延性以及耐火性能的目的 [28，29]。
蔡绍怀和焦占拴 [30]对实复式钢管混凝土短柱进行了轴压性能的试验研究。制作了两个试件，其中一个为梅花状布置的钢管束，另一个为同心放置三层钢管组成的实复式钢管混凝土柱。试验结果表明，在使用荷载作用范围内，试件处于弹性工作阶段。依据极限平衡理论提出了该类构件的极限承载力计算公式并进行了理论计算，结果表明理论计算值与实测值符合较好。
张春梅等[31]对6个内圆外圆实复式钢管高强混凝土轴压短柱进行了试验研究，主要对构件的含钢率和壁厚两个参数加以考虑。研究结果表明，实复式双钢管高强混凝土柱具有良好的力学性能，屈服前构件基本为弹性，屈服后表现出了较好的延性；在含钢率相同的情况下，实复式双钢管高强混凝土柱的轴压承载力高于单钢管混凝土柱；现有的钢管混凝土构件承载力计算公式对实复式双钢管混凝土柱的轴压承载力不适用，偏于保守，计算时内层钢管的套箍作用应予以考虑。Wei等[32]对26个内圆外圆中空夹层钢管混凝土短柱在轴心受压情况下的力学性能进行了试验研究。钢管之间灌注的是树脂混凝土。试验结果显示，其轴压极限承载力比钢管和混凝土两种材料的承载力之和高出很多，承载力峰值点的应变也大于钢管或混凝土单独加载时各自峰值荷载对应的应变，同时因混凝土的存在，
限制了内外钢管的局部屈曲的速度。

目录 前言 第1章 绪论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 4 1.2.1 钢管混凝土柱轴压性能研究现状 4 1.2.2 钢管混凝土柱偏压性能研究现状 9 1.2.3 钢管混凝土柱抗震性能研究现状 10 1.3 本书研究内容 12 参考文献 14 第2章 钢管混凝土柱基本理论 17 2.1 钢管混凝土柱工作机理 17 2.2 钢管混凝土柱计算方法 19 2.2.1 叠加理论 19 2.2.2 拟钢理论 19 2.2.3 拟混凝土理论 20 2.2.4 统一强度理论 20 2.2.5 数值模拟 27 2.3 轴压承载力的有关计算方法 27 2.4 本章小结 28 参考文献 28 第3章 单钢管混凝土柱力学性能 30 3.1 圆钢管混凝土柱力学性能 30 3.1.1 圆钢管普通混凝土柱 30 3.1.2 圆钢管再生混凝土柱 35 3.1.3 圆钢管轻骨料混凝土柱 43 3.1.4 圆钢管RPC柱 61 3.2方 钢管混凝土柱力学性能 70 3.2.1 方钢管普通混凝土柱 70 3.2.2 方钢管再生混凝土柱 76 3.2.3 方钢管轻骨料混凝土柱 92 3.2.4 方钢管RPC柱 95 3.3 多边形钢管混凝土柱力学性能 102 3.3.1 多边形空心钢管混凝土柱 102 3.3.2 正多边形钢管混凝土柱 112 3.4 本章小结 133 参考文献 134 第4章 复式钢管混凝土柱力学性能 137 4.1 复式钢管混凝土柱轴压性能 137 4.1.1 复式钢管混凝土柱轴压试验研究 137 4.1.2 中空夹层复式钢管混凝土柱轴压数值模拟 149 4.1.3 中空夹层复式钢管混凝土柱轴压承载力分析 159 4.2 复式钢管混凝土柱偏压性能 170 4.2.1 复式钢管混凝土柱偏压试验研究 171 4.2.2 复式钢管混凝土柱偏压数值模拟 177 4.2.3 中空夹层复式钢管混凝土柱偏压承载力分析 193 4.3 复式钢管混凝土柱抗震性能 200 4.4 本章小结 218 参考文献 218 第5章 组合截面钢管混凝土柱力学性能 220 5.1 方钢管-钢骨混凝土柱轴压性能 220 5.1.1 方钢管-钢骨高强混凝土短柱轴压承载力 220 5.1.2 方钢管-钢骨高强混凝土长柱轴压承载力 241 5.2 PBL加劲型方钢管混凝土柱轴压性能 244 5.3 方钢管螺旋箍筋混凝土柱轴压性能 251 5.4 L形钢管-钢骨混凝土柱轴压性能 259 5.5 带约束拉杆十形钢管混凝土柱承载力特性 271 5.6 本章小结 283 参考文献 283