钢管混凝土受压构件的工作性能CFST(Concrete-Filled Steel Tube)

1 引言

钢管混凝土CFST(Concrete-Filled Steel Tube)是一种把钢管与混凝土相结合的构件. 具体地来说, 钢管混凝土就是将混凝土填入钢管内，由钢管对核心混凝土施加套箍作用的一种约束混凝土。钢管对混凝土的套箍作用，使混凝土的抗压强度提高，使混凝土由脆性材料转变为塑性材料。钢管内部的混凝土提高了薄壁钢管的局部稳定性，使钢管的屈服强度可以得到利用, 如下图示。

钢管混凝土的应用主要有以下几个方面: (1) 用作桩基础. 在一些软土地区, 如果基础需要承受很大的垂直载荷, 可以使用钢管混凝土桩; (2) 用作排桩墙. 当在临近基础进行垂直深开挖时, 为了阻挡土的侧压力, 增强基坑墙的刚度, 可以考虑使用钢管混凝土. 我在多年前曾经做过一个这样的工程. 开挖16m深的基坑, 其中一侧临近的是一栋高层建筑, 为了防止这座建筑的基础破坏, 基坑支护采用了钢管混凝土排桩, 然后再在内侧使用钢板进行支护; (3) 用作系杆结构桥的拱形结构, 参看<Top 5 系杆拱桥(Tied Arch Bridge)>. 钢管混凝土用于岩石地下开挖,例如隧道和地下采矿巷道的实例可能有, 但目前在GeotechSet数据集中没有找到, 留待以后讨论. 这个笔记主要从结构设计的角度描述了钢管混凝土受压构件的工作性能. 

2 钢管混凝土的特点与应用

钢管混凝土的特点如下: (1) 钢管混凝土构件具有较高的抗压、抗剪和抗扭承载力。钢管混凝土受压构件比钢筋混凝土受压构件小而轻，适用于较大跨度的拱结构。(2) 钢管混凝土结构适于承受动力荷载，有较好的结构抗震性能。(3) 钢管本身作为模板适于采用先进的泵送混凝土工艺且不会发生漏浆现象；钢管替代了钢筋，兼有纵向钢筋和箍筋作用。在施工阶段，钢管本身重量轻又可作为施工承重骨架，节省脚手架。

钢管混凝土在拱桥结构中得到广泛应用。拱桥跨度不大(100m以下)时，主拱可采用单管截面；跨度较大时，可采用哑铃形截面、多管桁式截面或集束式截面, 如下图所示。

3 钢管混凝土受压构件的工作性能

一般情况下钢管与核心混凝土同时共同承担荷载，更多的情况则是钢管先于核心混凝土承受压应力。混凝土收缩会使钢管端头高于混凝土端面。钢管混凝土受压构件有三种加载方式: (1) 加载方式Ⅰ---荷载直接施加于核心混凝土上，钢管不直接承受纵向荷载；(2) 加载方式Ⅱ---荷载直接同时施加于钢管和核心混凝土上。(3) 加载方式Ⅲ---钢管预先单独承受荷载，直至钢管被压缩(应变限制在弹性范围内)到与核心混凝土齐平后，方与核心混凝土 共同承受荷载。

试验证明，上述三种加载方式对压力(N)-核心混凝土纵向应变(εc)曲线(简称N- εc曲线)的变形特征有显著影响。

加载方式对N-εc曲线的影响

在荷载作用下，钢管的纵向应变es与核心混凝土的纵向应变ec并不协调一致。钢管表面的纵向应变 es 明显小于核心混凝土的纵向应变 ec, 通常以核心混凝土的 N-ec曲线，作为描述和评价钢管混凝土受压构件力学行为的依据。

钢管和核心混凝土的荷载-应变曲线

钢管外径D与其厚度t之比(简称径厚比). D/t ≥ 20的钢管混凝土轴心受压短柱的N-ec  典型曲线。在较低的荷载阶段，N-ec大致为一直线(图中的OAB段)。当荷载增加至B点，钢管开始屈服，其表面或出现吕德尔斯滑移斜线，开始有铁皮剥落，N-ec曲线明显偏离其初始的直线。随着荷载增加而不断减小，直至C点处 ，荷载达到最大值。对于 D/t 值较大的薄壁钢管混凝土试件，在 N-ec曲线的下降过程中，钢管被胀裂，出现纵向裂缝而完全破坏；对于 D/t 值较小的试件，在荷载缓慢下降过程中，变形仍持续发展而不破坏。

钢筋混凝土短柱N-εc曲线

4 附加参考文献

[1] Y. Ouyang, A.K. H. Kwan, S.H. Lo and J.C. M. Ho, Finite element analysis of concrete-filled steel tube (CFST) columns with circular sections under eccentric load, Engineering Structures 148 (2017) 387–398.

[2] F.X. Ding, L. Fu and Z.W. Yua, Behaviors of axially loaded square concrete-filled steel tube (CFST) Stub columns with notch in steel tube, Thin–Walled Structures 115 (2017) 196–204.

[3] Perea, T. (2010). “Analytical and Experimental Study on Composite Concrete-Filled Steel Tube Beam-Columns” Ph.D. Thesis, School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA.

[4] Chang, X., et al. (2014). "Analysis of circular concrete-filled steel tube (CFT) support in high ground stress conditions." Tunnelling and Underground Space Technology 43(0): 41-48.