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[摘 要]文章首先介绍了钢管混凝土的特点和分类，对钢管混凝土构件的约束机理和本构关系进行了阐述，然后在阅读大量文献的基础上论述了钢管混凝土构件在各种受力情况下的研究方法，最后对最常见的轴压性能进行了总结。
[关键词]钢管混凝土；本构关系；力学性能
中图分类号：TU398.2 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2014）13-0086-01
1.概述
“钢管混凝土”是“钢管套箍混凝土”（Steel Tube-Confined Concrete）的简称。它是由混凝土填入薄壁钢管内而形成的组合结构材料，是“套箍混凝土”（Confined Concrete）的一种特殊形式。混凝土和钢材的组合使得两种材料取长补短，充分发挥了混凝土抗压性能和钢材的抗拉性能，达到优化组合的效果。钢管中浇注混凝土，钢管对混凝土的约束作用使混凝土由单向受压状态转变为三向受压状态，不但提高了抗压强度，而且提高了塑性变形能力。混凝土塑性、韧性的提高使本属于脆性的材料转变为塑性材料，而且避免和延缓钢管发生局部屈曲，从而提高了结构的可靠度、强度，又节省了材料，降低了造价。研究表明：在相同承载力下钢管混凝土柱与钢柱相比，可节约钢材50%左右，降低造价40%～50%；与钢筋混凝土柱相比，可节约水泥70%左右，减轻自重70%左右，节约模版100%，并且能够明显加快施工进度。由于钢管混凝土具有上述诸多优点，近年来，钢管混凝土结构在高层、超高层结构，大跨结构以及桥梁结构中的应用发展很快，应用越来越广泛。
2.钢管混凝土轴心受压性能分析
钢管混凝土轴心受压时组合性能曲线和破坏性能随套箍系数的不同而不同，可以归纳为三种类型：
（1） 套箍系数0.4<ξ<1时，钢管对核心混凝土的约束力不大，几乎没有塑性阶段，呈脆性破坏，工作分为弹性和弹塑性阶段。
（2） 套箍系数ξ=1时，工作分为弹性、弹塑性和塑性三个阶段。
（3） 套箍系数ξ>1时，工作分为弹性、弹塑性和强化三个阶段。
2.1第一阶段：弹性工作阶段
钢管混凝土在加载初期基本上处于弹性工作阶段，组合应力（荷载）-应变曲线基本呈线性变化。随着混凝土强度等级提高，比例极限荷载与极限荷载的比值增大，这与不同强度素混凝土弹性工作阶段的受力性能是一致的。当核心混凝土为普通混凝土（如C40）时，比例极限荷载为极限荷载的50%～60%；当核心混凝土为高强混凝土（如C70）时，比例极限荷载为极限荷载的70%～80%；当核心混凝土为超高强混凝土（如C100）时，比例极限荷载为极限荷载的90%左右，在弹性工作阶段，钢管和核心混凝土主要承受纵向压应力。在一般情况下，随着外荷载的增大，核心混凝土泊松比逐渐增大，核心混凝土是由环向和径向受拉应力逐渐向受压应力过渡，钢管环向由受压应力逐渐向受拉应力过渡，但绝对值都较小，此时钢管处于环向受拉、轴向受压的异号双向应力场，钢管纵向峰值应力要低于其屈服应力；但当混凝土强度较高而钢材屈服强度较低时，钢管中核心混凝土还未进入弹塑性阶段钢管即屈服，此时钢管处于环向受压、轴向受压的同号双向应力场，钢管纵向峰值应力要高于其屈服应力。在其他条件相同的情况下，钢管纵向峰值应力与屈服应力比值随含钢率增加而略降低，随着混凝土强度提高而略增加，随着钢材屈服强度提高而略降低。
2.2第二阶段：弹塑性工作阶段
随着荷载的增加，核心混凝土中环向应变增加速率加快，钢管受压屈服，试件的轴向刚度不断减小，组合应力（荷载）-应变曲线呈现明显的非线性。在其他条件相同的情况下，随着核心混凝土强度提高，同素混凝土相似，钢管混凝土轴压短柱弹塑性工作性能减弱；随着含钢率的增加和钢材屈服强度的提高，钢管混凝土轴压弹塑性工作性能增强。在其他条件相同的情况下，随着含钢率的增加，核心混凝土的弹塑性工作性能增强，径向压应力增大，抗压强度提高，钢管纵向应力下降的速率减小，相应钢管环向应力增加的速率减缓；随着混凝土强度的增加，核心混凝土的弹塑性工作性能减弱、径向压应力增加的速率加快、抗压强度提高，钢管纵向应力下降的速率增加，相应钢管环向应力增加的速率加快；随着钢材屈服强度的增加，核心混凝土的弹塑性工作性能增强，径向压应力增加的速率基本不变，抗压强度提高，而钢管纵向应力下降的速率和相应钢管环向应力增加的速率基本不变。
2.3第三阶段：塑性（强化）工作阶段
当试件达到极限荷载后，变形继续增加，承载力下降。此阶段试件的工作状态与混凝土强度、试件的含钢率和钢材屈服强度密切相关。当混凝土强度较低、含钢率较小时，钢管对核心混凝土的约束作用仍较强，如含钢率增大到一定程度，则几乎不出现下降段，当混凝土强度较高、含钢率较小，则钢管对核心混凝土的约束作用几乎失效，试件达到其极限荷载后承载力急剧下降，且剩余承载力较小；当含钢率较大时，由于钢管对核心混凝土具有一定的约束作用，试件达到极限荷载后，其荷载下降速率随含钢率的增大而减小，破坏时的剩余承载力也随着含钢率的增大而增大；当含钢率很大时，由于钢管对核心混凝土具有较强的约束作用，破坏时其极限承载力下降缓慢，具有足够大的延性，且剩余承载力较大。相关研究表明，在破坏阶段，当钢管纵向应力下降到某一阶段以后，纵向应力降低速率非常缓慢，几乎保持不变。与此同时，当钢管环向应力增加到某一阶段以后，环向应力增加速率非常缓慢，也几乎保持不变，在数值上要大于纵向压应力。核心混凝土达到极限强度后，当混凝土变形继续增加时，此时钢管对核心混凝土的约束套箍作用已不能继续保持核心混凝土抗压强度的增大，核心混凝土在三轴压应力下发生强度破坏，于是纵向应力逐渐下降，最后趋向于某一常值。随着含钢率的增加，核心混凝土受到的径向压应力增大、破坏后的剩余承载力提高（也有可能没有明显的破坏现象，继续强化），钢管保持的纵向应力越小，相应钢管保持的环向应力越大；随着混凝土强度的增加，核心混凝土受到的径向压应力越小、破坏后的剩余强度越小、脆性越明显，钢管保持的纵向应力越大，相应钢管保持的环向应力越小；随着钢材屈服强度的增加，核心混凝土径向压应力越大、破坏后的剩余强度越高，钢管保持的纵向应力越高，相应钢管保持的环向应力越大。
3.结论
钢管混凝土轴压构件在受荷过程中，钢管和混凝土的应力变化是相互影响的，核心混凝土由于受到钢管的约束其轴心抗压强度有较大提高，延性得到了显著的提高，钢管为混凝土提供径向约束的同时其纵向应力大幅降低。同时，含钢率、钢材屈服强度和混凝土强度对钢管混凝上轴压构件受力性能有影响：在其他条件相同的情况下，含钢率和钢材屈服强度越高，钢管混凝土轴压短柱套箍作用越强，承载力越高，延性越好；而混凝土强度越高，试件套箍作用越弱，延性越差，但承载力越高。
参考文献
[1]赵海凤，陈尚建.钢管混凝土结构的研究和开发[J].建筑技术开发. 2004（7）：31.
[2]韩林海，杨有福.矩形钢管混凝土轴心受压构件强度承载力的试验研究[J].土木工程学报.2001（4）：34.
[3]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京：人民交通出版社，2003.
[4]韩林海，冯九斌.混凝土的本构关系模型及其在钢管混凝土数值分析中的应用[J].哈尔滨建筑大学学报.1995， 5.
[5]韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.
[6]陈洪涛，钟善桐，张素梅.钢管混凝土中混凝土的三向本构关系[J].哈尔滨建筑大学学报.2000（6）.
[7]蔡健，孙刚.方形钢管约束下核心混凝土的本构关系[J].华南理工大学学报（自然科学版）.2008，36（1）.
[8]张国正，左明生.方钢管混凝土轴压在短期一次静载下的基本性能研究[J]. 郑州工学院学报.1985，2：6.
[9]张国正.方钢管混凝土柱的机理和承载力的分析[J].工业建筑.1989（11）.
[10]张素梅，钟善桐.空心钢管混凝土的研究和构件计算[J].土木工程学报.1994，3：27.
[11]杨有福，韩林海，沈祖炎.矩形钢管混凝土柱的防火保护[J].建筑结构.2005（1）.
[12]汤关柞.钢管混凝土基本力学性能的研究建筑[J].结构学报.1992，1：13.
[13]蔡绍怀.钢管混凝土结构的计算与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，1989.
[关键词]钢管混凝土；本构关系；力学性能
中图分类号：TU398.2 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2014）13-0086-01
1.概述
“钢管混凝土”是“钢管套箍混凝土”（Steel Tube-Confined Concrete）的简称。它是由混凝土填入薄壁钢管内而形成的组合结构材料，是“套箍混凝土”（Confined Concrete）的一种特殊形式。混凝土和钢材的组合使得两种材料取长补短，充分发挥了混凝土抗压性能和钢材的抗拉性能，达到优化组合的效果。钢管中浇注混凝土，钢管对混凝土的约束作用使混凝土由单向受压状态转变为三向受压状态，不但提高了抗压强度，而且提高了塑性变形能力。混凝土塑性、韧性的提高使本属于脆性的材料转变为塑性材料，而且避免和延缓钢管发生局部屈曲，从而提高了结构的可靠度、强度，又节省了材料，降低了造价。研究表明：在相同承载力下钢管混凝土柱与钢柱相比，可节约钢材50%左右，降低造价40%～50%；与钢筋混凝土柱相比，可节约水泥70%左右，减轻自重70%左右，节约模版100%，并且能够明显加快施工进度。由于钢管混凝土具有上述诸多优点，近年来，钢管混凝土结构在高层、超高层结构，大跨结构以及桥梁结构中的应用发展很快，应用越来越广泛。
2.钢管混凝土轴心受压性能分析
钢管混凝土轴心受压时组合性能曲线和破坏性能随套箍系数的不同而不同，可以归纳为三种类型：
（1） 套箍系数0.4<ξ<1时，钢管对核心混凝土的约束力不大，几乎没有塑性阶段，呈脆性破坏，工作分为弹性和弹塑性阶段。
（2） 套箍系数ξ=1时，工作分为弹性、弹塑性和塑性三个阶段。
（3） 套箍系数ξ>1时，工作分为弹性、弹塑性和强化三个阶段。
2.1第一阶段：弹性工作阶段
钢管混凝土在加载初期基本上处于弹性工作阶段，组合应力（荷载）-应变曲线基本呈线性变化。随着混凝土强度等级提高，比例极限荷载与极限荷载的比值增大，这与不同强度素混凝土弹性工作阶段的受力性能是一致的。当核心混凝土为普通混凝土（如C40）时，比例极限荷载为极限荷载的50%～60%；当核心混凝土为高强混凝土（如C70）时，比例极限荷载为极限荷载的70%～80%；当核心混凝土为超高强混凝土（如C100）时，比例极限荷载为极限荷载的90%左右，在弹性工作阶段，钢管和核心混凝土主要承受纵向压应力。在一般情况下，随着外荷载的增大，核心混凝土泊松比逐渐增大，核心混凝土是由环向和径向受拉应力逐渐向受压应力过渡，钢管环向由受压应力逐渐向受拉应力过渡，但绝对值都较小，此时钢管处于环向受拉、轴向受压的异号双向应力场，钢管纵向峰值应力要低于其屈服应力；但当混凝土强度较高而钢材屈服强度较低时，钢管中核心混凝土还未进入弹塑性阶段钢管即屈服，此时钢管处于环向受压、轴向受压的同号双向应力场，钢管纵向峰值应力要高于其屈服应力。在其他条件相同的情况下，钢管纵向峰值应力与屈服应力比值随含钢率增加而略降低，随着混凝土强度提高而略增加，随着钢材屈服强度提高而略降低。
2.2第二阶段：弹塑性工作阶段
随着荷载的增加，核心混凝土中环向应变增加速率加快，钢管受压屈服，试件的轴向刚度不断减小，组合应力（荷载）-应变曲线呈现明显的非线性。在其他条件相同的情况下，随着核心混凝土强度提高，同素混凝土相似，钢管混凝土轴压短柱弹塑性工作性能减弱；随着含钢率的增加和钢材屈服强度的提高，钢管混凝土轴压弹塑性工作性能增强。在其他条件相同的情况下，随着含钢率的增加，核心混凝土的弹塑性工作性能增强，径向压应力增大，抗压强度提高，钢管纵向应力下降的速率减小，相应钢管环向应力增加的速率减缓；随着混凝土强度的增加，核心混凝土的弹塑性工作性能减弱、径向压应力增加的速率加快、抗压强度提高，钢管纵向应力下降的速率增加，相应钢管环向应力增加的速率加快；随着钢材屈服强度的增加，核心混凝土的弹塑性工作性能增强，径向压应力增加的速率基本不变，抗压强度提高，而钢管纵向应力下降的速率和相应钢管环向应力增加的速率基本不变。
2.3第三阶段：塑性（强化）工作阶段
当试件达到极限荷载后，变形继续增加，承载力下降。此阶段试件的工作状态与混凝土强度、试件的含钢率和钢材屈服强度密切相关。当混凝土强度较低、含钢率较小时，钢管对核心混凝土的约束作用仍较强，如含钢率增大到一定程度，则几乎不出现下降段，当混凝土强度较高、含钢率较小，则钢管对核心混凝土的约束作用几乎失效，试件达到其极限荷载后承载力急剧下降，且剩余承载力较小；当含钢率较大时，由于钢管对核心混凝土具有一定的约束作用，试件达到极限荷载后，其荷载下降速率随含钢率的增大而减小，破坏时的剩余承载力也随着含钢率的增大而增大；当含钢率很大时，由于钢管对核心混凝土具有较强的约束作用，破坏时其极限承载力下降缓慢，具有足够大的延性，且剩余承载力较大。相关研究表明，在破坏阶段，当钢管纵向应力下降到某一阶段以后，纵向应力降低速率非常缓慢，几乎保持不变。与此同时，当钢管环向应力增加到某一阶段以后，环向应力增加速率非常缓慢，也几乎保持不变，在数值上要大于纵向压应力。核心混凝土达到极限强度后，当混凝土变形继续增加时，此时钢管对核心混凝土的约束套箍作用已不能继续保持核心混凝土抗压强度的增大，核心混凝土在三轴压应力下发生强度破坏，于是纵向应力逐渐下降，最后趋向于某一常值。随着含钢率的增加，核心混凝土受到的径向压应力增大、破坏后的剩余承载力提高（也有可能没有明显的破坏现象，继续强化），钢管保持的纵向应力越小，相应钢管保持的环向应力越大；随着混凝土强度的增加，核心混凝土受到的径向压应力越小、破坏后的剩余强度越小、脆性越明显，钢管保持的纵向应力越大，相应钢管保持的环向应力越小；随着钢材屈服强度的增加，核心混凝土径向压应力越大、破坏后的剩余强度越高，钢管保持的纵向应力越高，相应钢管保持的环向应力越大。
3.结论
钢管混凝土轴压构件在受荷过程中，钢管和混凝土的应力变化是相互影响的，核心混凝土由于受到钢管的约束其轴心抗压强度有较大提高，延性得到了显著的提高，钢管为混凝土提供径向约束的同时其纵向应力大幅降低。同时，含钢率、钢材屈服强度和混凝土强度对钢管混凝上轴压构件受力性能有影响：在其他条件相同的情况下，含钢率和钢材屈服强度越高，钢管混凝土轴压短柱套箍作用越强，承载力越高，延性越好；而混凝土强度越高，试件套箍作用越弱，延性越差，但承载力越高。
参考文献
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[5]韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.
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