预制混凝土结构由于施工快捷、质量易控制、能源消耗少以及建设周期短等特点, 成为我国建筑产业化的重要组成部分。与现浇混凝土结构相比, 预制混凝土结构具有构件质量高、现场湿作业少、建设周期短、节约材料、经济和社会环境效益好等优点。1875年, William Henry Lascelles提出的新型混凝土建造体系获得了英国2151号发明专利, 这被认为是预制混凝土结构的起源标志^[1]。1891年, 巴黎Ed.Coigent公司首次在比亚里茨的俱乐部建筑中使用预制混凝土梁^[2,3]。至今, 预制混凝土已经历了140余年的发展历史。

　　 预制混凝土构件是指在工厂或现场预先制作的混凝土构件^[4]。预制混凝土构件种类繁多, 功能多样。作为一种预制混凝土构件, 预制混凝土管的应用主要体现在预制混凝土管柱、预制混凝土管桩 (预应力预制混凝土管桩) 、预制混凝土输水管、预制混凝土电线杆等方面, 其中预应力预制混凝土管桩的应用最为广泛。自1962年日本开发预应力预制混凝土管桩以来, 国内外学者对其进行了理论和试验研究, 取得了一系列的成果^[5]。苏联于20世纪60年代提出将离心工艺制作的预制管作为管柱应用于建筑的设想, 但直到20世纪70年代才开始对其进行研究, 并陆续在多层仓库和厂房中应用。20世纪70年代起, 我国为实现建筑工业化的目标, 有计划地开展了各种预制装配式结构体系的研究与开发^[6]。其中装配式管柱框架结构体系在四川地区得到了大量的研究和应用, 预制混凝土管柱的使用降低了工程造价, 缩短了建造周期, 提高了建筑质量, 取得了较好的社会和经济效益^[7]。1976年, 预制混凝土结构在唐山大地震中的严重破坏使得人们对其抗震性能产生担忧, 加之预制混凝土结构存在的其他问题开始显现, 20世纪80年代末开始, 预制混凝土结构的发展陷入低潮^[8]。装配式管柱框架结构体系未能在我国得到进一步的研究和应用。

　　 近年来, 随着绿色建筑的推广和劳动力成本的增加, 建筑工业化再一次被行业所关注。在国家和地方政府的支持下, 预制混凝土结构重新迎来发展契机。预制混凝土管柱以其特有的优势再次受到研究者的关注, 并形成了一些新型的装配式结构体系^[9,10,11]。本文对国内外相关文献预制混凝土管柱进行总结, 介绍了其研究现状和进展, 指出了当前研究存在的问题和今后研究工作的重点和方向。

　　 根据受力时预制混凝土管的受力机理可将预制混凝土管柱分为两种类型:1) 预制混凝土空心管柱 (简称预制空心管柱) , 该类型管柱外形多为圆形、方形或矩形, 内部中空, 受力纵筋和箍筋配置在管壁内, 竖向和水平荷载均由管壁承担, 图1为预制空心管柱的典型截面和配筋模式;2) 预制混凝土组合管柱, 该类型管柱外形多为圆形或方形, 内部中空, 管壁内配置箍筋或同时配置箍筋和纵筋, 通过在管内核心现浇混凝土, 利用外部预制管对核心混凝土的侧向约束形成组合柱, 竖向和水平荷载由预制管和核心现浇混凝土共同承担, 图2为预制混凝土组合管柱的典型截面和配筋模式。

　　 预制混凝土管柱在装配式建筑、大型能源设备支架结构及大型桥梁柱等领域有着广泛的应用, 其优势主要体现在以下几个方面:

　　 (1) 预制混凝土管柱采用工厂标准化生产, 符合建筑工业化的要求。离心法、快速抽芯法等成熟工艺的应用, 使得预制混凝土管柱的制作简单、质量易于保证、能有效降低成本。

　　 (2) 预制混凝土管柱能够减轻预制构件重量, 有效降低运输和吊装成本。与普通预制柱构件相比, 预制混凝土管柱的重量可根据空心率的大小减小40%~70%, 当预制柱尺寸较大或连续多层整体预制时, 其优势将更加明显;此外, 预制空心管柱的使用可减轻结构自重、降低结构地震作用、减小上部结构传至地基基础的重量, 有利于结构设计和降低造价。

　　 (3) 相比钢管柱或钢管混凝土柱, 预制混凝土管柱的耐腐蚀性和耐火性能好、造价低、后期维护费用低。当预制混凝土管采用高性能或超高性能混凝土制作时, 其耐腐蚀性和耐火性能可进一步提高, 相比全截面采用高性能或超高性能混凝土制作的预制柱, 其成本可大幅降低。在强腐蚀等不利环境中 (如海岸、港口、岛礁工程) 有广阔的应用前景。

　　 (4) 预制混凝土组合管柱的预制管既是施工时核心现浇混凝土的模板, 也是施工荷载支撑体系的一部分;预制混凝土管在受力过程中为核心混凝土提供有效侧向约束, 预制管和核心现浇混凝土发挥了各自优势, 可提高组合构件的承载力和延性;此外, 后浇核心混凝土可增强装配式节点连接的整体性, 提高节点的抗震性能。

　　 国外对预制空心管柱的研究起源于苏联。20世纪60年代, 苏联人在《离心结构施加预应力的离心方法》一书中首次提出使用预制空心管柱的设想, 并设计了单肢和双肢的预制空心管柱, 但直到20世纪70年代才开始对其进行研究, 并陆续在多层仓库和厂房中应用^[6]。国内从20世纪70年代开始对预制空心管柱展开研究, 四川省的建工局建研所和建筑科学研究所在预制混凝土管柱的设计、施工和运输等方面进行了一系列研究, 并取得了一些研究成果^[12,13]。从国内外整体研究情况看, 预制空心管柱的研究成果不多, 研究内容和方向主要集中在基本构件的受力性能理论分析、试验研究以及抗震性能试验研究上, 在与构件有关的连接节点和结构体系方面研究较少。

　　 在基本构件的受力性能研究方面, 预制空心管柱正截面承载力的研究较为成熟和全面, 对常用的预制空心管柱截面形式, 包括截面形式较为特殊的环形截面, 各国学者均进行了相关的理论和试验研究, 各国规范^{[14,15,16,17]}也给出了相关的理论公式或简化设计公式;史庆轩^[18]、简洪钰^[19]推导了非均匀配筋环形截面预制空心管柱正截面承载力的计算公式, 弥补了我国规范公式仅适用于均匀配置纵筋情况的不足;此外, 针对环形截面预制空心管柱正截面承载力计算的复杂性, 部分研究者提出了查表法^[20]、查表迭代法^[21]、分区二次逼近法^[22]等方法对计算公式进行简化, 以方便工程设计人员的使用。

　　 由于预制空心管柱应用范围的局限性和受剪状态的复杂性, 其受剪机理、受剪强度模型和计算方法等问题尚未得到充分的研究和解决。影响预制空心管柱受剪强度的因素多而复杂, 研究发现其受剪强度与混凝土强度、纵筋配筋率、配箍率、管壁厚度等因素有关。Volgyi等^[23]通过试验研究发现, 增加管壁厚度、提高纵筋配筋率和配箍率、提高预应力度可提高预制空心管柱的受剪承载力, 受剪强度与配箍率呈线性关系;吕志涛等^[24,25]通过试验研究发现, 环形钢筋预制混凝土空心管构件不易形成斜压杆, 剪跨比对受剪强度影响较小, 并指出要严格控制管壁的厚度;为研究各影响因素的影响量值, Turmo等^[26]研究了箍筋对预制空心管柱受剪承载力的贡献, 给出了箍筋部分的受剪力计算公式, 指出受剪时螺旋箍筋在预制空心管柱中所起的作用比在实心柱中大;Shin等^[27]提出了混凝土部分对矩形钢筋预制空心管柱受剪强度贡献的计算模型, 并通过试验数据验证了计算模型的合理性, 研究发现, 混凝土部分的受剪承载力随预制空心管柱高宽比的增加呈线性降低, 提高管壁内纵筋的配筋率可提高预制空心管柱的受剪强度;Ranzo等^[28]采用受剪强度模型和修正压力场理论研究了预制空心管柱的受剪强度, 研究发现, 距柱底0.5D~1.5D (D为预制空心管柱外径) 范围内最易出现破坏, 建议计算预制空心管柱受剪强度时忽略轴压力的影响, 采用增加壁厚的方式提高其受剪承载力;基于塑性理论, Jensen等^[29]采用经典上限模型和裂纹滑移模型相结合的方式提出了环形预制空心管柱受剪强度的理论计算公式, 其计算结果与试验数据吻合较好。虽然国内外学者对预制空心管柱的受剪性能进行了相关研究, 但是相关的研究成果偏少。鉴于理论和试验研究的缺乏, 目前各国规范均未给出预制混凝土空心管构件的受剪承载力计算公式。

　　 针对采用高强混凝土的预制空心管柱, 冯鹏等^[30]研究了规范中环形截面预制空心管柱正截面承载力计算公式对高强混凝土的适用性, 结果表明, 规范公式用于高强混凝土时存在一定的偏于不安全的误差, 改进后的计算公式可将误差控制在3%以内;王广勇等^[31,32]进行了高强混凝土预制空心管柱的轴心受力性能试验研究, 发现其破坏具有突然性, 长细比和混凝土强度是影响其承载力的主要因素;此外, 部分国外学者^[33]还对采用超高性能混凝土 (UHPC) 制作的预制空心管柱进行了轴心和偏心荷载作用下的试验研究。

　　 在抗震性能研究方面, 现有研究主要侧重于通过试验研究构件的破坏模式、耗能能力以及影响其抗震性能的各种因素^{[34,35,36,37]}。研究结果表明, 高强混凝土预制空心管柱的主要破坏模式为弯曲破坏^{[38,39,40,41]}。Yeh等^[34]指出, 当配箍率低于美国ACI规范值的一半时, 弯曲破坏将转变为弯剪或剪切破坏;此外, 张锡治等^[35,36]通过试验研究发现, 对于全部配置预应力筋或同时配置预应力筋和普通钢筋的高强混凝土预制空心管柱, 预应力筋的拉断破坏也是其破坏模式之一。

　　 影响预制空心管柱抗震性能的因素较多, 主要有轴压比、纵筋配筋率、配箍率和管壁厚度等^{[42,43,44,45,46]}。其中轴压比对其抗震性能的影响最为明显, 随着轴压比的增加, 预制空心管柱的延性下降较快。因此, 部分学者^[41]提出轴压比不宜超过0.30限值要求的建议。基于文献[34, 36-38, 40-44]中预制空心管柱抗震性能的试验数据, 以轴压比为横坐标、延性系数为纵坐标绘制坐标点, 并给出采用最小二乘法拟合的关系曲线, 如图3所示。

　　 需要指出的是, 图3中除文献[36]的预制空心管柱采用高强混凝土外, 其他文献中预制空心管柱均采用普通混凝土, 图中拟合关系曲线未采用文献[36]中高强混凝土预制空心管柱抗震性能试验数据。由图3可知, 在较低的轴压比作用下, 高强混凝土预制空心管柱的延性系数明显低于普通混凝土, 这说明采用高强混凝土会降低柱的延性。轴压比对高强混凝土预制空心管柱抗震性能的影响有待进一步研究。

　　 增加纵筋配筋率可提高预制空心管柱的极限承载力, 但降低了其延性性能和耗能能力^{[38,39,40,41]}。配置箍筋可防止纵筋压曲, 提高延性性能, 由于管壁配筋多采用单排配筋模式, 箍筋对混凝土的约束作用有限, 提高配箍率只能在一定程度上提高预制空心管柱的延性和耗能能力。Ranzo等^[28]研究发现, 当管壁采用单排配筋模式时, 管壁混凝土在弯矩和轴力共同作用下易出现剥落破坏, 从而导致柱延性降低。相比之下, 当管壁采用双排配筋模式时, 柱的延性和耗能能力会随配箍率的增加而提高^[47]。管壁厚度的影响通常用管壁厚度与管柱外径D的比值 (简称壁径比) 来反映, 研究表明, 增加壁径比可在一定范围内提高柱的承载力和延性^[38,39,40]。由于研究成果较少, 至今尚未确定合理的壁径比范围, 壁径比的影响及程度仍有待深入研究;此外, 部分学者还研究通过纤维混凝土来提高预制空心管柱的抗震性能。Zhang等^[48]通过试验和有限元软件研究了钢纤维混凝土对预制空心管柱抗震性能的影响, 研究表明, 钢纤维混凝土可有效提高柱的延性和耗能能力, 可用钢纤维替代预制空心管柱中的部分箍筋。

　　 为从理论上研究预制混凝土空心管构件的抗震性能, 部分学者^{[49,50,51,52]}推导了环形预制混凝土空心管构件的截面延性系数计算公式, 以评价其抗震性能;刘海成等^[49]建立了部分预应力空心管柱的截面延性系数计算公式, 指出预应力度的增加将会导致柱延性系数的迅速降低;张锡治等^[35]也通过试验证明预应力度的增加降低了构件的延性;此外, 部分学者提出了预制混凝土空心管构件的破坏模型^[53,54]和恢复力模型^[55], 以用于抗震分析和设计。

　　 在连接节点和结构体系研究方面, 张孝培、孔力等^[56,57,58]对多层装配式管柱框架结构梁柱节点进行了系列研究, 结果表明, 节点构造合理, 其刚度较现浇节点降低15%, 延性能满足抗震设计要求;龚乃光等^[59]进行了两层单榀足尺填充墙管柱框架结构的抗震性能试验研究, 结果表明, 管柱框架整体刚度大, 延性系数满足抗震设计要求;2008年汶川地震后, 张瀑等^[60]对四川地区已建成的装配式管柱框架结构进行了震害调查, 结果表明, 装配式管柱框架结构的地震损伤程度与普通框架没有明显差别, 该体系主要破坏形式是节点区混凝土保护层压碎、纵筋屈曲, 节点是该体系的抗震薄弱部位。

　　 广义组合结构是将不同的材料或构件组合在一起, 在设计时将各组成材料和构件的结构性能进行整体考虑, 以有效地发挥各种材料和构件的优势^[61]。预制混凝土组合管柱符合这种思想, 通过在预制管内核心现浇混凝土, 使预制管和核心现浇混凝土共同工作, 发挥各自的优势, 以提高预制混凝土组合管柱的受力性能和抗震性能。目前, 预制混凝土组合管柱的形式较多, 其区别主要有预制管的材料和配筋模式、预制管的制作工艺、预制管与核心现浇混凝土的界面构造以及核心现浇混凝土内的配筋模式等。

　　 20世纪90年代, 日本学者开始研究预制外壳核心现浇装配整体式混凝土结构体系, 并提出了一种预制外壳核心现浇混凝土柱, 见图2 (d) , 对其展开了受力性能和抗震性能研究。細矢博等^[62]基于已有研究介绍了预制外壳核心现浇混凝土柱的建造方法和优点;浜田公也等^[63]研究了预制外壳核心现浇混凝土柱在预制外壳与核心现浇混凝土两者强度等级不同时的极限弯曲强度, 通过纤维模型和叠加法分别研究了纵筋、核心混凝土和预制外壳对极限弯曲强度的贡献;増田安彦等^[64,65]对预制外壳采用高强混凝土、核心现浇混凝土采用普通混凝土制作的预制外壳核心现浇混凝土柱进行了受弯和受剪性能试验, 结果表明, 该类型柱的受力性能与普通混凝土制作的预制外壳核心现浇混凝土柱相似, 并提出了受弯和受剪极限承载力计算公式。

　　 针对核心现浇混凝土内后插纵筋与预制外壳内箍筋的非接触状态, 細矢博等^[66]通过预制外壳核心现浇混凝土柱的纵筋粘结拉伸试验, 研究并提出了后插纵筋的粘结强度计算公式, 结果表明, 计算值与试验值吻合较好;为改善预制外壳的受力性能, 細矢博等^[67]在预制外壳内掺入钢纤维并进行试验研究, 结果表明, 变形能力与钢纤维的含量呈线性关系, 当钢纤维含量为2%时, 变形能力增加20%, 极限弯曲强度可提高25%;Hosoya等^[68]研究了预制外壳核心现浇混凝土柱在高轴压比下的抗震性能, 结果表明, 其弹性刚度、极限强度和极限转角等性能指标的数值等于甚至高于现浇混凝土柱, 但破坏模式无明显差异;国内的张大长^[69]、支正东^[70]对预制外壳核心现浇混凝土柱进行了抗震性能试验, 结果表明, 预制外壳与核心现浇混凝土间未出现界面剥离破坏, 受力性能与现浇混凝土柱基本一致, 延性性能可满足我国抗震设计的要求。

　　 与预制外壳核心现浇混凝土柱的形式类似, 郭纯^[71,72]提出一种预制管由若干段拼接组成的预制混凝土组合管柱, 通过在拼接组成的预制管内后插纵筋和浇筑核心混凝土, 使之形成整体受力的组合柱, 其轴压试验结果表明, 组合管柱的抗裂性能低于现浇混凝土柱, 提高预制管的强度可改善柱的抗裂性能, 但对其承载力和延性的提高不明显。

　　 为解决预制管制作时内模的安装和拆卸问题, 部分学者采用薄壁钢管或波纹钢板作为预制管的内模, 同时利用内模提高构件的整体受力性能, 形成了一种新型的预制混凝土组合管柱, 见图2 (e) 。Park^[73]、Lee^[74]采用薄壁钢管作为预制管的内模, 并采用栓钉、U形箍筋、钢纤维和焊接钢丝网片等措施来防止预制管过早破坏, 以提高其受力性能, 轴压和偏压试验结果表明, 钢纤维混凝土可有效解决构件达到峰值荷载后预制管混凝土的压碎剥落问题, 避免了构件承载力突降, 提高了延性;Kim等^[75]提出一种采用波纹钢板做内模的预制管制作方法, 并对该方法制作的预制混凝土组合管柱进行了反复加载试验, 结果表明, 组合管柱的结构性能等于甚至大于现浇钢筋混凝土柱, 预制管和后浇核心混凝土的共同工作能力较强, 具有较好的组合强度。

　　 和超^[76]、丁红岩等^[77,78]将预应力高强管桩作为预制管, 通过在预制管内后插纵筋和浇筑核心混凝土, 形成一种新型的预制混凝土组合管柱, 见图2 (a) 和图2 (c) , 并对其进行了相关的试验研究。轴压试验研究结果表明^[76], 预制管与核心混凝土协同工作性能良好, 增加管壁厚度可提高极限承载力, 根据混凝土强度协调原理提出了轴压极限承载力计算公式;此外, 抗震性能试验结果表明^[77,78], 预制混凝土组合管柱的承载力和延性均优于现浇混凝土柱, 延性性能满足抗震设计的要求。

　　 鉴于超高性能混凝土优异的抗压、抗拉等力学性能, 部分学者^[79,80,81]提出了一种采用超高性能混凝土制作预制管的新型预制混凝土组合管柱, 见图2 (b) 。超高性能混凝土的应用可减小预制管壁厚, 此外, 预制管内的高强螺旋箍筋也增强了预制管对核心现浇混凝土的约束作用。轴压试验结果表明^[79,80], 组合管柱承载力显著高于箍筋约束混凝土柱和预制空心管柱两者单独承担的承载力之和, 承载力随预制管内箍筋间距的减小而增加, 预制管对轴压承载力的贡献在22%~26%之间。值得注意的是, 壁厚为20mm的预制空心管柱在轴压作用下发生了局部失稳破坏;为研究预制管壁厚、预制管内箍筋间距等对组合柱抗震性能的影响, 刘志^[81]对该新型组合管柱进行了抗震性能试验, 结果表明, 破坏模式均为弯曲破坏, 预制管的约束作用比箍筋约束作用强, 预制管内箍筋间距越小, 柱根塑性铰区的裂缝越密越细, 抗震性能越好。

　　 为节约资源和保护环境, Xiao等^[82]提出一种核心现浇混凝土采用再生混凝土的新型预制混凝土组合管柱, 见图2 (c) 。低周反复加载试验和有限元分析结果表明, 采用再生混凝土的组合管柱具有与现浇混凝土柱相似的受力特性和破坏模式, 构件均为弯曲破坏, 抗震性能较好;延性系数和能量耗散能力低于现浇混凝土柱;组合管柱的承载力大于预制管和核心再生混凝土两者承载力之和, 显示了较好的组合强度。

　　 本文全面介绍了国内外预制混凝土管柱的研究现状和进展, 通过对已有研究的总结和分析, 得到如下主要结论:

　　 (1) 混凝土强度、纵筋配筋率、配箍率、管壁厚度等是影响预制混凝土空心管构件受剪强度的主要因素。由于理论和试验研究的缺乏, 至今国内外尚未给出预制混凝土空心管构件的受剪承载力计算公式;各因素对其受剪强度的影响规律和程度仍待进一步研究;预制混凝土空心管构件的受剪机理、受力模型及受剪承载力计算公式的研究仍是今后研究的重要课题。

　　 (2) 预制混凝土空心管柱的抗震性能随轴压比的增加而降低, 轴压比是影响抗震性能的重要因素。目前研究中多采用低轴压比, 对高轴压比下的抗震性能研究较少。通过添加纤维可提高管柱的延性和耗能能力, 不同种类纤维和掺量对抗震性能的影响研究是今后研究的方向。

　　 (3) 预制管与核心现浇混凝土界面的粘结性能对预制混凝土组合管柱受力的整体性有重要影响。界面处的粘结破坏可导致预制管壁与核心现浇混凝土的剥离和破坏, 降低构件的延性和耗能能力。因此, 应对预制管与核心现浇混凝土的界面粘结构造和受力机理进行深入研究。

　　 (4) 采用高性能混凝土、纤维混凝土、超高性能混凝土和高强螺旋箍筋等制作预制管可提高其受力性能, 增强预制管对核心现浇混凝土的约束作用, 提高组合后管柱的承载力和延性。对预制混凝土组合管柱, 研究通过各种高性能材料提高其整体受力性能和抗震性能是今后研究的一个重要方向。

　　 预制混凝土管柱在装配式建筑、大型能源设备支架、市政管线支架和大型桥梁等领域有着广泛的应用前景。在装配式建筑领域, 预制混凝土管柱可用于多高层建筑的竖向受力构件, 由于生产工艺技术成熟, 具有较好的质量保障和经济效益。在结构体系方面, 预制混凝土管柱可与预制混凝土梁或钢梁进行装配连接, 形成装配式框架结构体系或装配式混合框架结构体系。综上所述, 基于预制混凝土管柱的特点和优势, 研发各种新型装配式结构体系, 对促进我国装配式建筑体系的发展具有重要意义。