高温后钢管混凝土柱剩余承载力影响因素分析

薛媛媛XUE Yuan-yuan；蔡祖荣CAI Zu-rong

（①湖南城建职业技术学院建筑工程系，湘潭 411101；②湖南建投地产集团有限公司，长沙 410005）

0 引言

钢管混凝土是指钢管内填充混凝土后，钢管和混凝土同时受力的构件[1]。随着钢管混凝土在实际工程中的应用日益增多，其发生火灾的频率也随之提高，对钢管混凝土构件而言，核心混凝土具有较大的吸热作用，同时钢管提供约束核心混凝土的作用，因此其火灾后仍然具有良好的承载能力，建筑物可在火灾后进行加固继续使用，因此深入研究其在高温后的力学性能显得非常重要。针对高温后钢管混凝土柱轴压力学性能，目前国内外学者开展了一定数量的试验及理论研究，并取得了一定的成果[2-8]，高温后钢管混凝土柱力学性能的劣化一直是工程实际中和研究者所关心的问题，基于国内外研究者的大量研究，本文对影响高温后钢管混凝土柱力学性能的因素进行分析讨论，并对今后开展的研究进行展望，提出一些建议。

1 钢管混凝土的粘结机理

钢管混凝土是两种不同属性材料的组合，既利用了混凝土承载能力高的特点，同时利用了钢材抗拉、抗压强度高和具有良好的弹塑性等特点，因此在很大程度上提升了钢管混凝土的力学性能。在外荷载作用下，两种材料共同受力，钢管对内部混凝土提供约束作用，使管内混凝土处于多向应力状态下，提高了混凝土的强度与韧性[9，10]，而核心混凝土对钢管的支撑作用使得钢管承载能力增强，并能延缓钢管的局部屈服，因此两种不同属性的材料协同工作能大大提高其承载能力和强度[11]。

钢管与混凝土之间的粘结力由三部分构成：混凝土中的水泥凝胶体与钢材表面的化学胶结力、钢材与混凝土界面粗糙不平产生的机械咬合力以及摩擦力。钢管混凝土结构工作机理如图1 所示。

图1 钢管混凝土结构工作机理示意图

2 高温后钢管混凝土柱的剩余承载力（N0uT）

通过对国内外关于高温后钢管混凝土力学性能试验研究成果的综合分析可知，影响构件N0uT的主要参数包括温度、含钢率、混凝土强度、冷却方式、混凝土类型、截面尺寸等。现就一些参数对构件N0uT的影响总结如下。

2.1 温度

研究表明温度对N0uT具有显著影响。余志武等[2]完成了48 根高温后钢管高性能混凝土短柱试验研究，结果表明随着温度的升高，N0uT整体上呈降低趋势，且温度高于500℃后，其下降速度更快。Han 等[3]完成了在标准火灾下12 根钢管混凝土柱的力学性能试验研究，结果表明N0uT随着升温温度的增加而降低，文献[13、14]得出相同的结论。Huo 等[7]研究了火灾后钢管混凝土短柱力学性能，结果表明N0uT随着温度的升高而降低，但影响不显著。陈宗平等[8]进行了高温后方钢管高强混凝土轴压短柱试验研究，结果表明温度低于400℃时N0uT变化幅度不大，而超过400℃时N0uT迅速下降。柯晓军等[12]进行了37 根高温后方钢管再生混凝土短柱轴压试验，结果表明N0uT随着经历最高温度增加先小幅度升高再降低。陈宗平等[15]进行了高温喷水冷却后钢管高强混凝土的轴压性能试验，结果表明随着温度的增高，N0uT呈先增大再减小的趋势。陈宗平等[16]进行了高温喷水冷却后方钢管再生混凝土短柱轴压性能试验研究，随着最高温度的升高，高温喷水冷却后同一取代率试件的N0uT基本上呈下降趋势。陈宗平等[17]进行了高温后圆钢管再生混凝土轴压短柱的承载力研究，结果表明随着温度的升高，N0uT先略微下降后小幅提高，随后大幅下降。顾连胜等[18]进行了高温后矩形钢管橡胶混凝土轴压短柱的试验研究，结果表明随温度增加，N0uT整体为下降趋势，但在温度为400℃时，N0uT有一小幅上升。苏益声等[19]进行了高温后方钢管全再生混凝土短柱轴压试验研究，结果表明自然冷却试件随着温度的升高，N0uT呈现降低再升高之后再降低的趋势。钟水溶[20]进行了火灾后方钢管混凝土短柱轴压力学性能试验研究，随着升温时间越长温度越高，N0uT越小。

由于篇幅限制，仅列出部分高温后钢管混凝土柱剩余承载力研究参数如表1，用图2 表示各试件在高温后的剩余承载力相对常温下的剩余承载力。从分析结果可知，随着温度的升高，N0uT先略微下降后小幅提高，随后大幅下降[2，8，16-19]；随着温度的升高，试件的N0uT越小[3，7，13，14，20]。随着温度的升高，试件N0uT先增大再减小的趋势[12，15]。出现研究结果不一致的原因可能是：①主要原因在于当温度较低时，水泥石中的结合水脱出程度较轻，界面裂缝宽度变化不大，因此混凝土的强度损失不大，还有经历较低温度的钢材，冷却后其屈服强度相对常温钢材变化不大；随着温度的提高，混凝土内部自由水和少量结合水逐渐损失，凝胶材料分解条件不利，但在温度达到某一个值时，内部自由水蒸发形成大量水蒸气，加速未被熟化水泥颗粒的水化反应，混凝土强度提高，只要这种有利因素超过混凝土高温作用后损伤的影响，试件的承载力就会增加；但过高的温度使水泥石中的C-S-H 凝胶大量脱水、分解，使得结构过于疏松，导致混凝土中的裂缝发展，高温损伤愈发严重，从而混凝土强度大幅下降，导致剩余承载力大幅降低；研究结果总体上表现出随着温度的升高，N0uT逐渐下降。②试验结果本身存在不可避免的误差且各试验条件不尽相同。

表1 高温后钢管混凝土柱剩余承载力研究参数汇总

图2 各试件相对剩余承载力

2.2 混凝土类型

研究表明混凝土类型对N0uT具有明显影响。Liu Wenchao 等[4]研究表明在含钢率相对较低时，随着再生骨料混凝土取代率的增加，N0uT下降。柯晓军等[12]研究表明N0uT随着再生骨料取代率的增加呈波动变化。侯睿等[14]研究表明当再生骨料混凝土类型相同时，N0uT随着再生骨料取代率的增加而降低。陈宗平等[16，17]研究表明再生粗骨料取代率对N0uT影响不大。顾连胜等[18]研究表明N0uT随橡胶混凝土取代率的增加而下降。从试验分析结果可知，混凝土类型对N0uT的影响不一致，可能由于试验结果本身存在不可避免的误差、各试验条件不尽相同加上试验数据有较大的离散性等。

2.3 冷却方式

柯晓军等[12]研究表明无论是自然还是喷水冷却，N0uT总体表现出降低趋势，但喷水冷却试件N0uT比自然冷却试件降低更快。陈宗平等[15]研究表明高温喷水冷却后试件的N0uT相较于自然冷却后均有所提高。陈宗平[16]和苏益声[19]等研究表明采用不同冷却方式对试件N0uT影响并不显著。从试验结果可知，冷却方式对N0uT的影响不一致，可能由于各试验条件不尽相同加上试验数据有较大的离散性等。

2.4 混凝土强度

陈宗平等[8，15]研究表明在其他参数相同时，试件N0uT随混凝土强度等级的提高而增大。

2.5 含钢率

余志武[2]和Liu Wenchao[4]等研究表明在其他条件相同时，试件N0uT随含钢率增加略有提高。

2.6 其他的一些影响因素

①长细比，Han 等[3]研究表明N0uT随着长细比的增加而减小。②轴压比，Huo 等[7]研究表明轴压比对火灾后钢管混凝土柱的N0uT没有显著影响；钟水溶[20]研究表明随升温时间的延长，N0uT先随轴压比增大而增大，后随之增大而减小。③排气孔数量，钟水溶[20]研究表明N0uT会随着排气孔的数量的增加而减小。④钢管混凝土内抗剪连接件，孟凡钦等[21]研究了火灾后钢骨-方钢管混凝土短柱的轴压力学性能研究，结果表明在其他相同条件下，内置钢骨的方钢管混凝土柱承载力损伤程度要小于钢管混凝土柱。

3 总结

国内外研究者对于高温后试件虽得到了一些因素对剩余承载力的影响规律，但由于影响因素众多，变形机理复杂，且结果具有一定的离散性，尚未能形成成熟的理论，故有必要进一步开展试验研究，考虑更多可能的影响参数，分析对高温后钢管混凝土剩余承载力的影响规律，得到具有一般性的可供工程实践参考的经验模型；利用有限元分析对高温后钢管混凝土剩余承载力做进一步精细化的机理分析和参数分析。基于试验数据库，引入一些新的分析手段，如神经网络、灰色关联分析等等。

本文分析总结了现有国内外研究者对高温后钢管混凝土柱剩余承载力的相关研究，包括高温后钢管混凝土剩余承载力及影响剩余承载力的主要因素。可以得出以下结论：①温度、混凝土类型、冷却方式、混凝土强度、含钢率等都是影响高温后钢管混凝土剩余承载力的主要因素。温度对钢管混凝土的剩余承载力有明显的影响，影响规律不完全一致，但研究结果总体上表现出剩余承载力随温度的升高逐渐下降。剩余承载力随混凝土强度等级、含钢率的提高而增大。但混凝土类型、冷却方式对钢管混凝土剩余承载力的结果较离散，影响规律并不明确。②其他影响因素如轴压比、排气孔数量等也有一定的影响，其研究尚未成熟，还需进行更多的试验来研究这些问题。③这些成果对于解释钢管混凝土结构的工作机理和承载力的劣化规律具有重要意义，可为工程设计提供参考。