第三節鋼管混凝土結構
一、概述
鋼管混凝土在工程中已采用了八十多年，其用途之廣和發展之快，顯示了它的生命力很強。在我國60年代先在地鐵建設中應用，相繼應用於單廠、重型構架、多層框架結構柱、大跨體育館拱架等等。
在我國已召開過兩屆國際以鋼管混凝土結構為主要內容的鋼——混凝土組合結構會議，1991年將於日本召開第三屆國際鋼——混凝土組合結構會議。鋼——混凝土組合結構已形成了一種新結構體係，與鋼筋混凝土結構、木結構、磚石結構及鋼結構一起，組成了當代土木工程中的五大結構。目前國內，將有兩本關於鋼管混凝土結構設計規程要被審查批準應用。
本節就是為了適應工程的發展需要，比較重點地闡述了這種結構的工作機理及破壞屬性與特點，介紹了有把握的設計公式與方法，以供設計參考使用。
關於這種結構的設計方法，應該按批準的統一方法和規定進行，因為鋼結抅和鋼筋混凝土工業民用新規範已正式頒布，都是采用統一標準的分項係數表達式，但對這種結構的使用，尚需做一些統計計算校準，因規程尚未頒布問世，所以後麵的計算方法暫用換算的方法進行處理，一旦規程頒布，在考慮分項係數的基礎上，很容易改用新規程方法。
二、單軸壓力作用下的工作性能
（一）N曲線
鋼管截麵麵積，核心混凝土截麵麵積適中的鋼管混凝土短柱試件，在一次單調施加軸心壓力V情況下，所得荷載縱向壓應變的典型曲線中曲線看出，大滑移線或剝皮由少增多，待荷載到點時，已布滿全部管壁，說明鋼管從V點開始進入屈服狀態，到點時，鋼管全部塑化。由到鋼管的彈性模量在不斷減小以至為零，但試驗結果指出，曲線呈微彎上升，這充分說明核心混凝土彈性模量並未降低或降低不多。此階段核心混凝土的橫向變形發展速度逐漸大於鋼管的橫向變形速度，使得鋼管對核心混凝土產生箍緊力，混凝土呈三向受壓應力狀態。
1.塑性工作階段
到6點以後，鋼管混凝土組合材料完全顯出塑性特性，因而出現較長水平段仏。因為鋼管達到完全塑性，鋼的承載能力不再提高，而核心混凝土的橫向應變發展速度很快，徑向推擠鋼管，反過來鋼管給核心混凝土很大的側壓力，核心混凝土的承載能力提高了，彌補了鋼管因屈服而造成承載能力的下降，故能保持點以後的水平段。至於水平段的趨勢是正坡度還是負坡度，要視箍緊力大小即管壁厚度而定。
2.彈性工作階段
零逐漸加載至2點時，如段幾乎為直線，表明鋼管混凝土組合材料處於彈性工作階段，“點應變值相當於鋼材達到比例極限細的應變值，其綜合彈性模量介於鋼材彈性模量與混凝土彈性模量之間，荷載應變曲線接近鋼管和混凝土兩種材料單獨工作的代數和。相應於〃點時的荷載約為構件破壞荷載值的70%左右。
3.彈塑性工作階段
由2點開始，偏離直線而發生彎曲，直至6點。表明鋼管混凝土組合材料進入彈塑性工作階段。曲線彎曲得愈來愈厲害，顯示應變發展速度愈來愈大於應力發展速度。在此範圍內，尤其經過V點，試驗觀察，明顯看出鋼管表麵有呂德爾斯剪切滑移斜線，與試件縱軸線呈45度分布，或可看出有鐵皮剝落現象。隨著荷載不斷增加鋼管混凝土軸壓短柱的曲線形狀和塑性能力與低碳鋼類似，說明這兩種結構的韌性和塑性變形能力是相近的，但前者的抗壓極限承載能力鋼管和核心混凝土柱體兩者抗壓極限承載能力之和大得多。
（二）影響N曲線的主要因素
1.含銅率的影響
因鋼管壁太薄，對核心混凝土箍緊力很小，兩種材料均屬單軸受壓，管壁很快屈服並脹裂，甚至出現縱向裂紋，導致試件很快破壞，說明塑性變形能力很差。若含鋼率很高，到點及其以後，因管壁太厚，核心混凝土很大的橫向變形受到鋼管壁強有力的約束，則對核心混凝土的箍緊力很大，盡管鋼管屈服，但核心混凝土抗壓強度仍提高很多，遠遠超過鋼管內力的下降，使得糸點以後的曲線呈正坡度繼續上升，當縱向應變值到達23%時，鋼管硬化，曲線雖繼續上升，但斜率並不太大，最後形成腰鼓狀而認為破壞。在實際工程中大都屬於兩種情況。
2.核心混凝土標號的影響
混凝土標號提高，結構的塑性變形能力就降低，但鋼管混凝土的破壞特征與核心混凝土標號高低基本無關。其承載能力隨標號的提高量基本上相當於核心混凝土麵積和標號提高值的乘積。
3.鋼材強度的影響
鋼管的屈服強度越高，彈性變形越大，則對核心混凝土的側向箍緊作用就越強，核心混凝土的抗壓強度提高的也就越高。但鋼管對核心混凝土的箍緊作用與鋼管本身強度和核心混凝土本身所能產生的橫向變形的能力有關。一般說來，軸壓鋼管混凝土構件，當含鋼率和鋼材強度的乘積達到40%左右時，不管是提高鋼材屈服強度，均不能有效地增加鋼管對核心混凝土的側向箍緊力。
4.加載速度的影響
試驗表明，快速加載下抗壓極限承載能力比靜載作用下要高，而塑性變形能力則較差。
5.構件長細比和偏心率的影響
細長比和偏心率增大，抗壓承載能力都會顯著下降。為鋼管混凝土軸心受壓構件在其它條件相同時，在不同長細比的荷載縱向壓應變關係曲線。試件表現為材料強度破壞特性，當。時，則試件完全表現出失穩破壞特性，隨著長細比的增大，在遠小於屈服狀態下的荷載，甚至小於其比例極限下的荷載即發生破壞。辦為由試驗資料分析獲得的。
偏心率大小對鋼管混凝土所示長細比的影響情況類似，而對其抗壓承載能力的影響。由上述圖可知，長細比和偏心率對鋼管混凝土受壓柱的承載能力影響是很敏感的，隻有短柱或長細比和偏心率較小時，才能充分發揮出鋼管混凝土前麵敘述的優越性。
6.加載方式的影響
指實際工程中根據柱頭構件不同而常出現的三種可能受力方式。指荷載直接作用在核心混凝土上，指構件端部管壁與核心混凝土表麵齊平，荷載直接作用在兩種材。
（三）應力狀態
曲線看出，鋼管混凝土軸壓短柱應力狀態分兩個階段，即在點之前屬彈性變形，鋼管壁對核心混凝土幾乎沒有套箍約束作用，均呈單向應力狀態。過點之後，尤其V點之後，鋼管屈服，核心混凝土內部有微裂紋出現，管壁對核心混凝土產生徑向壓應力，使之呈三向壓應力狀態，管壁內產生環向拉應力化及徑向壓應力但由於鋼管很薄，使巧很小。
鐦管混凝土結構隻有在點之後，尤其點之後，才充分顯示其優越性，明顯特點是由於核心混凝土的套箍強化得到充分發展，鋼管和混，凝土之間產生持續的內力重分布，使核心混凝土呈三向壓應力狀態，從而大大地提高了混凝土的抗壓強度和塑性性能。鋼管壁則由以前的主要承受縱向壓應力而轉變為主要承受環向拉應力，最後，當鋼管和核心混凝土所能承擔的縱向壓力之和達到最大值，即相應核心混凝土達到三向受壓時的抗壓極限強度時，鋼管混凝土結構的承載能力認為達到了最大值，這是采用極限平衡理論求解鋼管混凝土軸壓短最大承載能力的依據。從實際工程及科研資料看，即管壁不是過薄時，曲線過之後至少是水平延伸，一般都是微微上升，說明難於求出鋼管混凝土短柱的最大承載能力值。從工程實際出發，此時構件已產生很大的變形，已失去實際使用價值。把構件剛進入全塑性狀態時的荷載作為最大承載能力，後微微上升的荷載增量隻作為設計的安全儲備而不予利用，這種觀點是采用塑性理論求解鋼管混凝土軸壓短柱承載能力的依據氣。