套管钢筋混凝土柱的发展

套管钢筋混凝土柱的发展

1套管混凝土柱的应用在钢筋混凝土的柱中，管道作为主要的横向放大。日本九州大学的tomi团队首次提出了这一概念。由Tomii,Sakino及作者等于1985年首次提出的术语“tubedcolumn(套管柱)”,是指套管柱中钢管的作用类似混凝土柱中的箍筋。在这一方面,套管柱显然与钢管同时用作纵向和横向受力的传统钢管混凝土柱(CFT)不同。钢套管柱中仅主要在横向存在钢管与混凝土之间的相互共同作用,而在传统的钢管混凝土柱中,纵向和横向均存在二者间的相互作用。经过十多年的发展,套管钢筋混凝土柱已逐渐得到广泛应用并形成一种结构体系。作为套管柱结构的最初研究者之一,作者感到有责任对这一相对较新的结构体系做一综述。2钢筋混凝土支架的开发2.1套管混凝土柱在Tomii等人的最初研究中,套管钢筋混凝土柱这一概念的提出是为了防止钢筋混凝土框架结构中的短柱或剪力墙结构中的边柱发生剪切破坏并提高其延性,如图1所示。钢管仅用于横向约束,而仍采用纵向钢筋以保证柱的抗弯强度。采用套管钢筋混凝土柱具有以下优点:①即使柱的纵筋配筋率已达到规范容许的最大配筋率,抗剪设计也能得到满足;②因为柱子整个截面得到有效约束,其延性和轴向承载力明显提高;③纵向钢筋与混凝土之间的粘结强度提高;④防止纵筋压屈;⑤因为钢管仅用作横向钢筋,避免了钢管压屈;⑥钢管同时可作为混凝土施工的永久模板,类似于传统的钢管混凝土柱中钢管的作用。套管钢筋混凝土柱仍可看作为钢筋混凝土结构,因此,普通钢筋混凝土结构的连接节点细部设计等其他设计及施工方法不需要进行明显修改就可引用于套管钢筋混凝土柱中。套管钢筋混凝土柱的主要特征之一是由于钢管主要作为横向增强,所以需要恰当地设计钢管的两端细部以避免纵向应力直接传递到钢管上。可以采用在钢管与梁之间或柱脚处预留缝隙以达到这一目的,如图2所示。为了验证套管柱的概念,Tomii、Sakino和本文作者对在一定轴力下弯剪重复作用的29根模型短柱进行了试验。例如,图3给出作者等人所做一根螺旋箍筋短柱和一根套管柱的对比试验结果。套管柱依靠钢管能够完全防止发生于螺旋箍筋柱中的剪切破坏,而且套管柱具有良好的延性和能量耗散能力,因而非常符合抗震设计。在作者等人的研究中,套管短柱的纵筋是沿柱高通长配置的。实际上套管经粘结作用在柱中部也受纵向力,建议今后做进一步的研究以取得减少纵筋的经济效果。在新西兰,Priestley和Park对沉管钢筋混凝土桥桩的抗震性能进行了研究。除了外包钢沉管被稍稍埋入基础垫层中以外,其研究与套管钢筋混凝土柱十分相似。他们研究了钢管与内包的钢筋混凝土部分之间的组合效果。尽管在新西兰的规范中因为考虑钢管腐蚀而忽略典型厚度仅10mm的钢沉管,但Priestley和Park的试验结果表明,由于钢沉管被埋入基础垫层而承受部分轴向应力,沉管钢筋混凝土桩的承载力有所提高,但延性比不埋入有所降低,并可能造成桩帽的破坏。可见,尽管出发点不同,Priestley和Park的研究对套管柱的合理性提供了佐证。2.2钢管混凝土柱的应用1986年Sato等人提出一种与套管钢筋混凝土柱相似的结构体系,称为非粘结钢管混凝土(CFT)结构。与Tomii等人早期提出的在套管柱端预留缝隙的方法不同,Sato等人建议在CFT柱端附近的钢管上利用一排穿孔以削弱轴向应力传递到钢管上,并注册了专利。但是,可能由于实用性差的原因,还没有见到工程上的应用。Sasaki等人在1989年对配置对角线纵筋的套管柱进行了测试,由于进一步限制了纵筋的滑移,其滞回性能比普通套管柱进一步增强。Aboutaha和Machado在1999年还对矩形高强混凝土套管柱进行了试验,并验证其具有良好的抗震性能。Tomii在90年代初又提出套管钢筋混凝土柱的一种新的结构型式。为了提高方形套管柱的使用效果,Tomii进一步提出所谓的“波纹管”。这种波纹管可采用波纹钢板焊接制作或采用水压成型工艺制作。其本意是期待这种波纹管能够最大限度地增大方管管壁的平面外刚度以提供有效的横向约束,同时最大限度地减小其纵向刚度及应力传递。这种方法虽然已经得到满意的试验结果,但由于昂贵的造价尚难得到实际应用。此外,从严格的力学角度看,波纹管由于其特殊的几何形状而较宜沿柱纵向屈服,因为钢是各向同性材料,波纹管沿纵向的屈服必将减弱其横向约束效果。日本大林组建筑公司在位于大阪的一幢高层钢筋混凝土结构的施工中,首次将套管柱应用于实际工程。在这幢建筑中承受较大荷载的一楼各柱采用了方形套管柱。他们在方管内部焊接隔板以限制其平面外变形,并且增强柱端附近潜在塑性铰区域的横向约束能力。但Yamakawa等人研究证实,采用普通箍筋和横附加箍筋相结合可以更经济地达到同样的效果。首次尝试将套管柱概念应用于桥柱结构设计的是美国阿拉斯加州交通局。Silva等人在1999年为阿拉斯加交通局做了一个足尺试验,由三个现浇钢套管柱组成的足尺排架模型承受模拟地震荷载和竖向荷载的作用。试验结果表明,套管桥柱在其柱端附近预先选定的塑性铰处的抗弯能力有所增强,并表现出良好的延性性能。3支架支架抗衰减加固的应用3.1钢管与矩形柱的焊接加固对既存钢筋混凝土柱加设钢套管这一方法已被广泛地应用于桥梁和房屋结构柱的加固和修复。在多数情况下,套管用于提供附加的横向约束以提高既存柱的承载力和延性。可以采用焊接钢板外壳包既存柱,从而形成如图2所示的套管结构。从80年代末期开始,Priestley等人对钢外包壳进行了系统地研究,并提出了一套抗震评估和加固设计方法,指导了加利弗尼亚和其他地区的大量桥梁的加固工程。对于圆柱,使用两个稍大于柱直径的滚压成型半圆薄壁钢壳,放置在需要加固的位置并现场焊接其竖向接口,然后用水泥浆充填焊接钢管与既存柱之间的空隙。对于矩形柱,Priestley等人建议使用椭圆形套管以提供类似于圆柱套管的连续约束作用。在桥梁结构的加固工作中,较大尺寸的外包壳套管通常不是问题,因其方便、有效,利用椭圆套管加固矩形柱可以被接受。但是,由于建筑外观和功能的需求,这种方法显然不适于加固房屋结构中的矩形柱子。因此,采用套管加固矩形柱需要特别的处理方法。Yoshimara等人于1991年发表了采用方形套管对既存方形钢筋混凝土柱进行加固和修复的试验结果。这种方套管是使用两片加工成L型的钢板焊接在已打毛的钢筋混凝土柱上,并用环氧树脂水泥骨料充填套管与柱之间的空隙。在对一幢学校房屋加盖三层时的下部各层柱进行加固时,他们采用厚度高达25mm的钢板加固截面尺寸为750×750mm的方柱。我国学者姜维山等人研究了采用两个半箱体焊接形成的矩形套管来加固柱的两端并得出了良好的试验结果。近年来的两项研究成果提出了采用套管加固矩形或方形柱的改进方法。Aboutaha等人于1996年试验研究了钻孔螺栓与矩形套管相结合的方法,表明可增强对混凝土矩形柱的约束效果。本文作者在2000年提出采用焊接钢套管和加劲肋相结合的方法加固方柱。由两片L型钢板焊接而成的相当薄的套管主要用于提高其抗剪强度,而在建筑外观上可有多种形式的加劲肋被焊接在柱端附近可能出现塑性铰的区域,如图4所示。试验结果证实这种部分加劲的套管是极有效的,不仅可以防止脆性剪切破坏,而且能够显著提高柱的变形能力。3.2多层预制型frp外包壳近几年来国内外正在进行利用纤维增强塑料加固钢筋混凝土结构的这一重要研究工作。由于具有轻质、高强、弹性模量大、抗腐蚀性好等优良特性,纤维增强塑料在土木工程方面有许多潜在的优势。FRP外包壳一旦被安装在柱上就形成一个套筒,主要对既存柱施加附加的横向约束,因此FRP外包壳可以归类于套管结构。根据外包壳的制作过程,FRP外包壳可分为现场制作型和预制型两种。现场制作型FRP外包壳包括手工或使用特殊设备将浸泡了树脂的玻璃纤维或碳纤维布裹在既存柱上。预制型FRP外包壳是在安装之前在有质量保证的环境中制作而成,因此与钢套管十分相似。它们可制作成带有纵向接口的半圆或箱形或筒形的薄壳,或做成连续的卷筒,从而能够展开并安装在柱上。由本文作者等人研究的加固方法采用多层预制复合壳,如图5所示。这种方法采用玻璃纤维与抗腐蚀聚酯树脂相结合进行环向加固。外包壳可被连续地制作成一个多层卷筒,或被切割成单个的单层筒形薄壳。在柱的加固过程中,外包壳被展开并环绕固定于柱上,然后使用聚氨酯胶粘剂将外包壳各层粘贴在柱上并形成一个套管。每个筒形薄壳的接口不是对接的而是交错的以避免薄弱接口的集中。本文作者等人对9根大比例模型柱的反复加载测试结果表明,预制型FRP外包壳对于防止既存桥梁柱的剪切破坏和钢筋搭接破坏及提高柱的延性非常有效。1998年,加利弗尼亚交通局在加固一个长24公里的高速公路桥时采用了这种套管方法。加固主要针对钻孔灌注桩及圆柱的过渡区,因为此处的纵向钢筋搭接不当,并且没有足够的侧向约束。四层预制型FRP外包壳被安装在每根柱上长760mm的范围内,覆盖柱的钢筋搭接区域。在这项工程中,仅6名工人花费约3个月的时间,在沼泽地的枯水季节结束之前完成了对3480根桥桩柱的加固工作。4外包壳的细部设计最近的研究重心也转向在新建柱施工中应用FRP。Mirmiran等人对混凝土充填FRP管柱进行了试验。Burgueno、范立础等人研究了可归类于FRP套管柱的结构型式。在这些研究工作中,FRP外包壳都能用作混凝土施工的模板,并且提供横向约束。Burgueno等人研究了FRP外包壳的细部设计对其抗震性能的影响。结果表明,采用FRP套管柱能够提高延性,而FRP-CFT柱能有较高承载力,但最终发生脆性破坏。应该强调的是,混凝土柱的延性主要靠纵筋屈服后的塑性变形来提供,而由于其材料的脆性本质,采用FRP的CFT柱很难满足延性设计的要求。因此,采用套管钢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径。本文作者最近在湖南大学试验验证了约束钢管混凝土柱(CCFT)的新型体系。采用FRP或钢套箍对钢管混凝土柱端局部约束加强极大地改善了钢管混凝土柱的抗震性能。5钢套管混凝土本构模型套管混凝土柱设计的一个核心问题是套管对混凝土的约束效应,因此有必要在此综述一下。本文作者对钢套管的约束效应进行了较系统的试验和理论研究,所作的中心受压试验中,为模拟套管柱的受力特性,轴力只施加在套管内的混凝土断面上。试验中采用特制的预埋应变片测得混凝土的轴向应变,同时利用变形协调条件,通过量测钢套管的环向应变得到混凝土的横向应变。钢套管的应力状态可通过应变片所测得的应变并根据弹塑性理论计算。利用平衡条件就可进一步求得混凝土的应力。这样,在套管中处于三向受压状态的混凝土的全部应力和应变就可得到。试验显示,在钢管屈服前,约束混凝土的应力应变关系明显地呈现出由初始线弹性向超过轴压强度后的准线性段过渡的特性。在此基础上,本文作者提出了以八面体应力应变所表述的混凝土的本构关系,破坏准则和流动准则。在描述本构关系时采用了直线描述初始段而用双曲线描述过渡段和后期的准直线段。有趣的是,钢套管约束混凝土的这种准双线性在FRP约束混凝土的大量试验中也被证实,反映出套管混凝土力学性能的一般性本质。关于FRP约束混凝土的本构关系许多学者提出了建议公式,而在Teng等人的著作中对此有较全面的比较,可作参考。6纤维增强塑料套管柱的使用研究套管钢筋混凝土柱能够最大限度地利用混凝土、钢筋和套管的力学性能。显然,套管钢筋混凝土柱作为现代结构体系之一,尤其适用于房屋和桥梁的抗震设计及加固。从研究和应用的角度来看,钢套管柱已较成熟。由钢套管体系到纤维增强塑