套管鋼筋混凝土柱的發(fā)展

套管鋼筋混凝土柱的發(fā)展

1套管混凝土柱的應(yīng)用在鋼筋混凝土的柱中，管道作為主要的橫向放大。日本九州大學(xué)的tomi團(tuán)隊(duì)首次提出了這一概念。由Tomii,Sakino及作者等于1985年首次提出的術(shù)語(yǔ)“tubedcolumn(套管柱)”,是指套管柱中鋼管的作用類似混凝土柱中的箍筋。在這一方面,套管柱顯然與鋼管同時(shí)用作縱向和橫向受力的傳統(tǒng)鋼管混凝土柱(CFT)不同。鋼套管柱中僅主要在橫向存在鋼管與混凝土之間的相互共同作用,而在傳統(tǒng)的鋼管混凝土柱中,縱向和橫向均存在二者間的相互作用。經(jīng)過十多年的發(fā)展,套管鋼筋混凝土柱已逐漸得到廣泛應(yīng)用并形成一種結(jié)構(gòu)體系。作為套管柱結(jié)構(gòu)的最初研究者之一,作者感到有責(zé)任對(duì)這一相對(duì)較新的結(jié)構(gòu)體系做一綜述。2鋼筋混凝土支架的開發(fā)2.1套管混凝土柱在Tomii等人的最初研究中,套管鋼筋混凝土柱這一概念的提出是為了防止鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的短柱或剪力墻結(jié)構(gòu)中的邊柱發(fā)生剪切破壞并提高其延性,如圖1所示。鋼管僅用于橫向約束,而仍采用縱向鋼筋以保證柱的抗彎強(qiáng)度。采用套管鋼筋混凝土柱具有以下優(yōu)點(diǎn):①即使柱的縱筋配筋率已達(dá)到規(guī)范容許的最大配筋率,抗剪設(shè)計(jì)也能得到滿足;②因?yàn)橹诱麄€(gè)截面得到有效約束,其延性和軸向承載力明顯提高;③縱向鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度提高;④防止縱筋壓屈;⑤因?yàn)殇摴軆H用作橫向鋼筋,避免了鋼管壓屈;⑥鋼管同時(shí)可作為混凝土施工的永久模板,類似于傳統(tǒng)的鋼管混凝土柱中鋼管的作用。套管鋼筋混凝土柱仍可看作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),因此,普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)細(xì)部設(shè)計(jì)等其他設(shè)計(jì)及施工方法不需要進(jìn)行明顯修改就可引用于套管鋼筋混凝土柱中。套管鋼筋混凝土柱的主要特征之一是由于鋼管主要作為橫向增強(qiáng),所以需要恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)鋼管的兩端細(xì)部以避免縱向應(yīng)力直接傳遞到鋼管上?？梢圆捎迷阡摴芘c梁之間或柱腳處預(yù)留縫隙以達(dá)到這一目的,如圖2所示。為了驗(yàn)證套管柱的概念,Tomii、Sakino和本文作者對(duì)在一定軸力下彎剪重復(fù)作用的29根模型短柱進(jìn)行了試驗(yàn)。例如,圖3給出作者等人所做一根螺旋箍筋短柱和一根套管柱的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。套管柱依靠鋼管能夠完全防止發(fā)生于螺旋箍筋柱中的剪切破壞,而且套管柱具有良好的延性和能量耗散能力,因而非常符合抗震設(shè)計(jì)。在作者等人的研究中,套管短柱的縱筋是沿柱高通長(zhǎng)配置的。實(shí)際上套管經(jīng)粘結(jié)作用在柱中部也受縱向力,建議今后做進(jìn)一步的研究以取得減少縱筋的經(jīng)濟(jì)效果。在新西蘭,Priestley和Park對(duì)沉管鋼筋混凝土橋樁的抗震性能進(jìn)行了研究。除了外包鋼沉管被稍稍埋入基礎(chǔ)墊層中以外,其研究與套管鋼筋混凝土柱十分相似。他們研究了鋼管與內(nèi)包的鋼筋混凝土部分之間的組合效果。盡管在新西蘭的規(guī)范中因?yàn)榭紤]鋼管腐蝕而忽略典型厚度僅10mm的鋼沉管,但Priestley和Park的試驗(yàn)結(jié)果表明,由于鋼沉管被埋入基礎(chǔ)墊層而承受部分軸向應(yīng)力,沉管鋼筋混凝土樁的承載力有所提高,但延性比不埋入有所降低,并可能造成樁帽的破壞?？梢?盡管出發(fā)點(diǎn)不同,Priestley和Park的研究對(duì)套管柱的合理性提供了佐證。2.2鋼管混凝土柱的應(yīng)用1986年Sato等人提出一種與套管鋼筋混凝土柱相似的結(jié)構(gòu)體系,稱為非粘結(jié)鋼管混凝土(CFT)結(jié)構(gòu)。與Tomii等人早期提出的在套管柱端預(yù)留縫隙的方法不同,Sato等人建議在CFT柱端附近的鋼管上利用一排穿孔以削弱軸向應(yīng)力傳遞到鋼管上,并注冊(cè)了專利。但是,可能由于實(shí)用性差的原因,還沒有見到工程上的應(yīng)用。Sasaki等人在1989年對(duì)配置對(duì)角線縱筋的套管柱進(jìn)行了測(cè)試,由于進(jìn)一步限制了縱筋的滑移,其滯回性能比普通套管柱進(jìn)一步增強(qiáng)。Aboutaha和Machado在1999年還對(duì)矩形高強(qiáng)混凝土套管柱進(jìn)行了試驗(yàn),并驗(yàn)證其具有良好的抗震性能。Tomii在90年代初又提出套管鋼筋混凝土柱的一種新的結(jié)構(gòu)型式。為了提高方形套管柱的使用效果,Tomii進(jìn)一步提出所謂的“波紋管”。這種波紋管可采用波紋鋼板焊接制作或采用水壓成型工藝制作。其本意是期待這種波紋管能夠最大限度地增大方管管壁的平面外剛度以提供有效的橫向約束,同時(shí)最大限度地減小其縱向剛度及應(yīng)力傳遞。這種方法雖然已經(jīng)得到滿意的試驗(yàn)結(jié)果,但由于昂貴的造價(jià)尚難得到實(shí)際應(yīng)用。此外,從嚴(yán)格的力學(xué)角度看,波紋管由于其特殊的幾何形狀而較宜沿柱縱向屈服,因?yàn)殇撌歉飨蛲圆牧?波紋管沿縱向的屈服必將減弱其橫向約束效果。日本大林組建筑公司在位于大阪的一幢高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工中,首次將套管柱應(yīng)用于實(shí)際工程。在這幢建筑中承受較大荷載的一樓各柱采用了方形套管柱。他們?cè)诜焦軆?nèi)部焊接隔板以限制其平面外變形,并且增強(qiáng)柱端附近潛在塑性鉸區(qū)域的橫向約束能力。但Yamakawa等人研究證實(shí),采用普通箍筋和橫附加箍筋相結(jié)合可以更經(jīng)濟(jì)地達(dá)到同樣的效果。首次嘗試將套管柱概念應(yīng)用于橋柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是美國(guó)阿拉斯加州交通局。Silva等人在1999年為阿拉斯加交通局做了一個(gè)足尺試驗(yàn),由三個(gè)現(xiàn)澆鋼套管柱組成的足尺排架模型承受模擬地震荷載和豎向荷載的作用。試驗(yàn)結(jié)果表明,套管橋柱在其柱端附近預(yù)先選定的塑性鉸處的抗彎能力有所增強(qiáng),并表現(xiàn)出良好的延性性能。3支架支架抗衰減加固的應(yīng)用3.1鋼管與矩形柱的焊接加固對(duì)既存鋼筋混凝土柱加設(shè)鋼套管這一方法已被廣泛地應(yīng)用于橋梁和房屋結(jié)構(gòu)柱的加固和修復(fù)。在多數(shù)情況下,套管用于提供附加的橫向約束以提高既存柱的承載力和延性。可以采用焊接鋼板外殼包既存柱,從而形成如圖2所示的套管結(jié)構(gòu)。從80年代末期開始,Priestley等人對(duì)鋼外包殼進(jìn)行了系統(tǒng)地研究,并提出了一套抗震評(píng)估和加固設(shè)計(jì)方法,指導(dǎo)了加利弗尼亞和其他地區(qū)的大量橋梁的加固工程。對(duì)于圓柱,使用兩個(gè)稍大于柱直徑的滾壓成型半圓薄壁鋼殼,放置在需要加固的位置并現(xiàn)場(chǎng)焊接其豎向接口,然后用水泥漿充填焊接鋼管與既存柱之間的空隙。對(duì)于矩形柱,Priestley等人建議使用橢圓形套管以提供類似于圓柱套管的連續(xù)約束作用。在橋梁結(jié)構(gòu)的加固工作中,較大尺寸的外包殼套管通常不是問題,因其方便、有效,利用橢圓套管加固矩形柱可以被接受。但是,由于建筑外觀和功能的需求,這種方法顯然不適于加固房屋結(jié)構(gòu)中的矩形柱子。因此,采用套管加固矩形柱需要特別的處理方法。Yoshimara等人于1991年發(fā)表了采用方形套管對(duì)既存方形鋼筋混凝土柱進(jìn)行加固和修復(fù)的試驗(yàn)結(jié)果。這種方套管是使用兩片加工成L型的鋼板焊接在已打毛的鋼筋混凝土柱上,并用環(huán)氧樹脂水泥骨料充填套管與柱之間的空隙。在對(duì)一幢學(xué)校房屋加蓋三層時(shí)的下部各層柱進(jìn)行加固時(shí),他們采用厚度高達(dá)25mm的鋼板加固截面尺寸為750×750mm的方柱。我國(guó)學(xué)者姜維山等人研究了采用兩個(gè)半箱體焊接形成的矩形套管來(lái)加固柱的兩端并得出了良好的試驗(yàn)結(jié)果。近年來(lái)的兩項(xiàng)研究成果提出了采用套管加固矩形或方形柱的改進(jìn)方法。Aboutaha等人于1996年試驗(yàn)研究了鉆孔螺栓與矩形套管相結(jié)合的方法,表明可增強(qiáng)對(duì)混凝土矩形柱的約束效果。本文作者在2000年提出采用焊接鋼套管和加勁肋相結(jié)合的方法加固方柱。由兩片L型鋼板焊接而成的相當(dāng)薄的套管主要用于提高其抗剪強(qiáng)度,而在建筑外觀上可有多種形式的加勁肋被焊接在柱端附近可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域,如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)這種部分加勁的套管是極有效的,不僅可以防止脆性剪切破壞,而且能夠顯著提高柱的變形能力。3.2多層預(yù)制型frp外包殼近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外正在進(jìn)行利用纖維增強(qiáng)塑料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的這一重要研究工作。由于具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、彈性模量大、抗腐蝕性好等優(yōu)良特性,纖維增強(qiáng)塑料在土木工程方面有許多潛在的優(yōu)勢(shì)。FRP外包殼一旦被安裝在柱上就形成一個(gè)套筒,主要對(duì)既存柱施加附加的橫向約束,因此FRP外包殼可以歸類于套管結(jié)構(gòu)。根據(jù)外包殼的制作過程,FRP外包殼可分為現(xiàn)場(chǎng)制作型和預(yù)制型兩種。現(xiàn)場(chǎng)制作型FRP外包殼包括手工或使用特殊設(shè)備將浸泡了樹脂的玻璃纖維或碳纖維布裹在既存柱上。預(yù)制型FRP外包殼是在安裝之前在有質(zhì)量保證的環(huán)境中制作而成,因此與鋼套管十分相似。它們可制作成帶有縱向接口的半圓或箱形或筒形的薄殼,或做成連續(xù)的卷筒,從而能夠展開并安裝在柱上。由本文作者等人研究的加固方法采用多層預(yù)制復(fù)合殼,如圖5所示。這種方法采用玻璃纖維與抗腐蝕聚酯樹脂相結(jié)合進(jìn)行環(huán)向加固。外包殼可被連續(xù)地制作成一個(gè)多層卷筒,或被切割成單個(gè)的單層筒形薄殼。在柱的加固過程中,外包殼被展開并環(huán)繞固定于柱上,然后使用聚氨酯膠粘劑將外包殼各層粘貼在柱上并形成一個(gè)套管。每個(gè)筒形薄殼的接口不是對(duì)接的而是交錯(cuò)的以避免薄弱接口的集中。本文作者等人對(duì)9根大比例模型柱的反復(fù)加載測(cè)試結(jié)果表明,預(yù)制型FRP外包殼對(duì)于防止既存橋梁柱的剪切破壞和鋼筋搭接破壞及提高柱的延性非常有效。1998年,加利弗尼亞交通局在加固一個(gè)長(zhǎng)24公里的高速公路橋時(shí)采用了這種套管方法。加固主要針對(duì)鉆孔灌注樁及圓柱的過渡區(qū),因?yàn)榇颂幍目v向鋼筋搭接不當(dāng),并且沒有足夠的側(cè)向約束。四層預(yù)制型FRP外包殼被安裝在每根柱上長(zhǎng)760mm的范圍內(nèi),覆蓋柱的鋼筋搭接區(qū)域。在這項(xiàng)工程中,僅6名工人花費(fèi)約3個(gè)月的時(shí)間,在沼澤地的枯水季節(jié)結(jié)束之前完成了對(duì)3480根橋樁柱的加固工作。4外包殼的細(xì)部設(shè)計(jì)最近的研究重心也轉(zhuǎn)向在新建柱施工中應(yīng)用FRP。Mirmiran等人對(duì)混凝土充填FRP管柱進(jìn)行了試驗(yàn)。Burgueno、范立礎(chǔ)等人研究了可歸類于FRP套管柱的結(jié)構(gòu)型式。在這些研究工作中,FRP外包殼都能用作混凝土施工的模板,并且提供橫向約束。Burgueno等人研究了FRP外包殼的細(xì)部設(shè)計(jì)對(duì)其抗震性能的影響。結(jié)果表明,采用FRP套管柱能夠提高延性,而FRP-CFT柱能有較高承載力,但最終發(fā)生脆性破壞。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,混凝土柱的延性主要靠縱筋屈服后的塑性變形來(lái)提供,而由于其材料的脆性本質(zhì),采用FRP的CFT柱很難滿足延性設(shè)計(jì)的要求。因此,采用套管鋼筋混凝土柱的形式似乎是FRP管材用于新建混凝土柱的主要可行途徑。本文作者最近在湖南大學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證了約束鋼管混凝土柱(CCFT)的新型體系。采用FRP或鋼套箍對(duì)鋼管混凝土柱端局部約束加強(qiáng)極大地改善了鋼管混凝土柱的抗震性能。5鋼套管混凝土本構(gòu)模型套管混凝土柱設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問題是套管對(duì)混凝土的約束效應(yīng),因此有必要在此綜述一下。本文作者對(duì)鋼套管的約束效應(yīng)進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究,所作的中心受壓試驗(yàn)中,為模擬套管柱的受力特性,軸力只施加在套管內(nèi)的混凝土斷面上。試驗(yàn)中采用特制的預(yù)埋應(yīng)變片測(cè)得混凝土的軸向應(yīng)變,同時(shí)利用變形協(xié)調(diào)條件,通過量測(cè)鋼套管的環(huán)向應(yīng)變得到混凝土的橫向應(yīng)變。鋼套管的應(yīng)力狀態(tài)可通過應(yīng)變片所測(cè)得的應(yīng)變并根據(jù)彈塑性理論計(jì)算。利用平衡條件就可進(jìn)一步求得混凝土的應(yīng)力。這樣,在套管中處于三向受壓狀態(tài)的混凝土的全部應(yīng)力和應(yīng)變就可得到。試驗(yàn)顯示,在鋼管屈服前,約束混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系明顯地呈現(xiàn)出由初始線彈性向超過軸壓強(qiáng)度后的準(zhǔn)線性段過渡的特性。在此基礎(chǔ)上,本文作者提出了以八面體應(yīng)力應(yīng)變所表述的混凝土的本構(gòu)關(guān)系,破壞準(zhǔn)則和流動(dòng)準(zhǔn)則。在描述本構(gòu)關(guān)系時(shí)采用了直線描述初始段而用雙曲線描述過渡段和后期的準(zhǔn)直線段。有趣的是,鋼套管約束混凝土的這種準(zhǔn)雙線性在FRP約束混凝土的大量試驗(yàn)中也被證實(shí),反映出套管混凝土力學(xué)性能的一般性本質(zhì)。關(guān)于FRP約束混凝土的本構(gòu)關(guān)系許多學(xué)者提出了建議公式,而在Teng等人的著作中對(duì)此有較全面的比較,可作參考。6纖維增強(qiáng)塑料套管柱的使用研究套管鋼筋混凝土柱能夠最大限度地利用混凝土、鋼筋和套管的力學(xué)性能。顯然,套管鋼筋混凝土柱作為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)體系之一,尤其適用于房屋和橋梁的抗震設(shè)計(jì)及加固。從研究和應(yīng)用的角度來(lái)看,鋼套管柱已較成熟。由鋼套管體系到纖維增強(qiáng)塑