钢—混凝土组合柱的发展与应用

　　在欧美、日本、加拿大和澳大利亚等国，方钢管混凝土柱和圆钢管混凝土柱在工程中有着同样广泛的应用;在我国，圆钢管混凝土柱用得较多而方钢管混凝土柱较少，主要原因之一是以往缺乏专门的方钢管混凝土结构方面的设计规程。随着组合结构在我国的不断发展，方钢管混凝土柱以其节点构造简单、抗弯性能好、空间布置方便等优点，正日益受到工程界的重视，杭州瑞丰国际商务大厦、武汉证券大厦、台州广电中心等高层建筑中均采用方钢管混凝土柱。如今，相应的《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS59:2004)[1]也于2004年颁布，方钢管混凝土在我国有着很好的工程应用前景。
　　1钢骨混凝土柱的发展与应用
　　日本是世界上应用SRC结构最多的国家。1910-1920年间SRC结构在日本形成，其间采用实腹式钢骨。关东大地震后，为了节省钢材，开始使用以角钢铆接组合而成的空腹钢骨，这种形式在40年代末期得到普及。在60年代，随着H型钢的生产，开始使用H型钢作为钢骨，节点也采用了焊接构造。由于日本是一个多震的国家，SRC柱良好的抗震防火性能使之得到广泛应用。日本在1950年公布的建筑基本法，作为建筑行政指导方针，要求六层建筑以上采用SRC结构，1953改为七层，1970年改为八层。1978-1980年建造的1015层高层建筑中，SRC占总数的90%16层以上的高层建筑中，SRC占50%。即使在钢结构的高层建筑中，其底部15层也多数采用SRC结构。
　　SRC柱在日本的基础性研究开始于1920年，但是有系统的研究是从1950年开始的。I951-1956年，东京大学开展了大量的空腹SRC构件的试验研究。以这些研究为基础，日本建筑学会(AIJ)SRC分会于1958年制定了以累加强度为基本体系的SRC结构规范，并于1963年做了第一次修正。1968年发生的十胜冲大地震，使人们认识到结构物变形能力和耗能性能在抗震中的意义，因此对SRC结构的大规模研究再度兴起，重点是最大强度后的延性和滞回性能。以这些试验为基础，1975年以确保构件延性为目的对SRC规范进行了第二次修正。修订后的规范要求停止使用缺乏延性的格子型钢骨的SRC构件，建议使用桁架形式和实腹式钢骨。1981年日本制定了新的抗震设计法，要求在大地震作用下对中高层建筑物各层的极限强度进行验算，为此，AIJ于1987年对SRC结构进行了第三次修订。修订后的SRC规范由允许应力设计法和极限状态设计法两部分组成，并将钢管混凝土吸收到SRC规范中。
　　在欧美，SRC结构的应用虽不及日本那样广泛，但是其应用从20世纪初期即开始了。当时在型钢外包裹混凝土主要出于钢结构的防火和耐久性方面的考虑，并没有考虑混凝土对构件承载能力的提高，构件仍按钢结构来计算。随着工程应用的实践及科学研究的深入进行，人们开始发现钢骨混凝土还具有更多、更主要的优点。1908年，Burr在美国纽约对外包混凝土的钢柱进行了试验，发现混凝土的存在使柱子的承载力提高了。1920年，加拿大学者Mackay开始研究在混凝土内埋置钢柱和型钢的结构，他认为混凝土与型钢具有协同作用。同期欧洲进行试验的有Saliger(1932)和Emperger(1932)试验都限于长细比小的轴心受压短柱，获得的承载力是钢截面的承载力加上混凝土有效截面的承载力之和。
　　Basu和Sommerville根据进一步的试验和大量计算分析，提出了换算长细比的概念，以Perry-Robertson屈曲曲线为基础，给出了轴心受压SRC柱的屈曲曲线。Virdi和Dowling引入相对长细比概念对Basu-Sommerville的方法提出了改进，明确了SRC柱与纯钢柱设计方法的内在关系。该方法被英国的BS5400和欧洲统一规范EC4采用，SRC柱轴压.承载力从的计算公式为：
　　
　　式中，—稳定系数；
　　—轴心受压短柱承载力；
　　采用简单累加的方法确定，即
　　
　　—混凝土轴心抗压强度和截面面积；
　　，—钢筋屈服强度和截面面积；
　　，—钢骨的屈服强度和截面面积。
　　SRC柱相对长细比计算表达式为：
　　
　　式中：—柱子的计算长度；
　　、、和、、—混凝土、钢筋、钢骨的弹性模量和截面惯性矩。
　　通过求解相对长细比，即可按钢结构中对不同截面形式钢柱所规定的屈曲曲线来确定稳定系数。日本规范和我国的规程亦采用简单累加的方法计算轴心受压钢骨混凝土短柱的承载力，但均未单独给出稳定系数的计算公式，而是在SRC柱的压弯承载力计算中考虑长细比对柱承载力的影响。
　　在美国，SRC柱设计公式最初出现在1963年的ACI318-63中，该公式考虑了混凝土对强度的贡献。1967年ACI318-71采用了极限状态设计法，相应的SRC也采用了极限状态设计法。英国最初对钢骨混凝土柱的设计不考虑外包混凝土的作用，到了1948年才在BS449规范中允许考虑外包混凝土对截面刚度的增大作用。到了20世纪50年代，Faber和Stevens进行了外包混凝土柱的试验，研究了外包混凝土对承载力的影响，
　　研究成果被纳入BS449-1959年版。在欧美各国，由于风荷载和地震荷载产生的设计水平力较小，一般情况下柱子较为细长，因此对柱子稳定性研究较多，这与日本的情况截然相反。1969年Basu和Somervill发表了以伯理一罗伯特逊的屈曲曲线为基础的设计方法，这种方法成为现代设计方法的基础。Virdi和Dowilling[2]借助设计曲线和大量SRC柱的理论分析以及一百多根柱的破坏试验，证实了通过引入新的长细比定义的方法，利用纯钢柱的欧洲曲线来计算SRC柱的轴向破坏荷载是可行的。这种方法不仅提高了设计精度而且还证实了SRC柱与钢柱的内在联系。该方法被英国的BS5400和欧洲统一规范EC4采用[3]
　　2钢管混凝土柱的发展与应用
　　钢管混凝土的出现可以追溯到19世纪80年代。1879年，英国Seven铁路桥的建造中采用了钢管桥墩，并在管中浇灌了混凝土以防止钢管内壁锈蚀并承受压力[4]1897年，美国人JohnLally在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱(称为Lally柱)并获得专利。钢管混凝土优越的力学性能和施工性能，一开始就受到美欧各国土木工程界的重视，竞相开发利用。其间，开展了大量的试验研究工作，曾在一些厂房建筑、个别的多层建筑和立交桥以及特种结构工程中加以应用。
　　前苏联在五、六十年代对钢管混凝土结构进行了大量的研究，并在一些土建工程，如工业厂房和拱桥结构中进行了应用。日本在这方面的研究主要是从20世纪60年代开始，并首先在地铁站台柱以及输电跨越塔等工程中应用。20世纪60年代，英国Neogi等人[5]研究了钢管内的混凝土三向受力时强度的提高问题，并提出了考虑钢管对混凝土约束效应条件下的钢管混凝土承载力的计算方法，这是钢管混凝土理论研究的一大突破。同一时期，在美国Furlong[6,7],Knowles和Park[8,9]等人亦通过大量试验研究了钢管混凝土柱的受力性能，取得了很多成果。

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