钢管混凝土柱的工作机理及力学性能的有限元分析

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发布时间：2021-09-12

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钢管混凝土柱的工作机理及力学性能的有限元分析
仲祗卿
(中煤国际工程集团沈阳设计研究院，辽宁沈阳110015)
摘要：简述了钢管混凝土柱所具有的优点以及钢管与混凝之间的工作机理。为了分析钢管混凝土柱的
力学性能，通过运用有限元分析软件对圆形截面的钢管混凝土柱的承载能力进行了研究。在有限元分析时考
虑了由于焊接所产生的残余变形、径厚比以及长径比等不同参数对钢管混凝土柱承栽能力以及延性性能的影
响。最终，得出径厚比对柱的承栽能力以及延性性能的影响显著，而长径比主要影响柱发生局部破坏的长度。
关键词：钢管混凝土；工作机理；承栽能力；延性
中图分类号： ITU 37 文献标识码：B 文章编号：1671—9816(2013)09—0092—04
随着建筑业的迅速发展，常见的结构形式构件
难以满足建筑的设计要求。正因如此，一些新型的结
构形式逐渐出现在建筑工程领域，并且得到广泛的
应用。例如，钢管混凝土柱就是结合普通混凝土柱以
及钢柱的特点而形成的一种新结构形式。钢管混凝
土柱是指在钢管的内部填满混凝土，并进行挤压密
实后的组合构件。通常钢管混凝土柱根据截面形式
可以分为方形、矩形、圆形3种。最早的钢管混凝土
结构应用在英国的一个铁路桥的桥墩柱中，但是其
主要目的是为了防止钢管内侧发生锈蚀现象而破
坏，并不是出于其力学性能。对钢管混凝土结构进行
力学性能的研究始于上世纪50、60年代，当时一些
西方比较发达的国家研究了钢管混凝土的承载能力
以及抗震等性能。在上世纪末期，我国的一些研究学
者首先对钢管混凝土结构进行初步探讨分析。
2 钢管混凝土柱的优点及其工作机理
2．1 钢管混凝土柱的优点
正是由于国内外的许多学者对钢管混凝土结构
进行深入的分析研究，使我们认识了该种组合结构
形式具有如下的优点：
1)与普通钢筋混凝土结构柱和纯钢管柱相比，钢
管混凝土结构能很大程度上提高柱的承载力，并且
具有良好的延性性能【1]。
通常普通的钢筋混凝土柱在竖向荷载作用下，
收稿日期：2013—04-21
作者简介：仲祗卿(1981一)，男，工程师，硕士。主要从事
钢与混凝土组合作用的研究。
混凝土属于双向受压的情况，承载能力较低。但对于
钢管混凝土而言，由于外侧的钢管对内部混凝土起
到套箍约束的作用，使内部的混凝土呈三向受压的
受力状态而大大提高其抗压强度。而对于钢管而言，
由于钢管焊接加工所产生的缺陷对管柱的承载力影
响较大，以至于钢管会过早的产生局部屈曲破坏。如
果钢管内部填满了混凝土，就会有效的延缓钢管发
生局部屈曲破坏，从而保证了外部钢管的强度得到
充分的应用发挥，提高柱的整体承载能力。另外，试
验表明：处于三向受压状态的混凝土能够延迟结构
材料的脆性破坏，明显改善了柱的延性性能。
2)钢管混凝土柱的耐火性能好。由于混凝土结
构具有良好的耐火性，所以采用钢管混凝土柱的结
构在遇到火灾的时候，钢管内部的混凝土能够吸收
大部分的热能，从而避免了外侧耐火性能差的钢管
发生严重破坏。因此，钢管混凝土柱可以延长整个结
构的耐火时间，为火灾的救援提供充分时间而减轻
经济损失以及人员的伤亡。同时，钢管混凝土形式的
柱与其他的结构形式相比，能节省三分之一的防火
涂料。
3)钢管混凝土柱施工简便，周期短，经济效果显
著。由于在钢管内部填充混凝土，可以省去浇筑混凝
土时支设模板的程序，从而加快施工的进度，缩短施
工周期。外侧的钢管可以起到受力筋的作用，可以避
免因钢筋绑扎多造成的问题。另外，与普通钢结构相
比，对于钢管的加工、吊装、安装等施工程序较为方便，
同时可以减少一些不必要的开支，减少成本。
2．2 钢管混凝土柱的工作机理
钢管混凝土柱的受力机理就是外侧的钢管有效
的约束钢管内部混凝土发生向外鼓曲的破坏，同时