钢管高强混凝土组合柱是指在钢筋高强混凝土柱截面中部配置钢管得到的一种组合柱。自20世纪90年代起, 各国学者对钢管 (高强) 混凝土组合柱的基本力学行为及抗震性能进行了系列研究^{[1,2,3,4,5,6]}, 研究表明该类构件具有强度高、刚度大、延性好、节点构造简单、抗火性能强、耐久性能好等优点, 在工程中得到广泛应用, 如深圳卓越皇岗世纪中心、长沙泊富国际广场、重庆天成大厦等标志性建筑。钢管高强混凝土组合柱多用于高层建筑底部结构, 受剪承载力直接影响到整体结构抵抗水平荷载作用的能力。组合柱受剪机理复杂, 需要考虑轴力、弯矩和水平剪力的相互作用以及诸多因素的影响。因此, 如何合理、科学地评估钢管高强混凝土组合柱受剪承载力, 对确保结构安全具有重要的意义。

　　 我国现行《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》 (CECS 188∶2005) (简称现行叠合柱规程) 中受剪承载力计算方法只是考虑钢管含钢率的影响, 没有考虑钢管截面尺寸 (或者钢管径高比、钢管位置系数) 的影响, 这样处理显然不够合理。基于此, 本文结合文献[1]中受剪性能试验, 重点分析钢管截面尺寸等参数对钢管高强混凝土组合柱破坏机理及受剪承载力的影响, 提出能够考虑钢管截面尺寸、配箍率等因素作用的受剪承载力计算方法, 以指导工程应用。

　　 文献[1]中设计25根钢管高强混凝土组合柱和5根钢筋高强混凝土短柱进行受剪性能试验, 主要考虑钢管截面尺寸、剪跨比、轴压比和配箍率的影响, 组合柱设计参数见表1。图1为组合柱截面配筋形式, 设计截面尺寸为200mm×200mm, 纵筋采用1210的钢筋, 配筋率为2.4%;箍筋采用直径5mm的钢筋, 间距分别为50, 70, 100mm, 对应体积配箍率为1.79%, 1.28%, 0.90%, 实测钢筋屈服强度为235MPa;钢管有54×2, 65×2, 80×2三种规格, 强度等级均为Q235, 实测屈服强度分别为381, 367, 352MPa;剪跨比λ有0.75, 1.00, 1.40三种。试验采用简支梁式加载装置 (图2) , 以荷载-位移混合控制的加载制度施加水平反复荷载, 其中水平荷载P加截处深截面为200mm×200mm, 深长200mm。

　　 箍筋配置适量的钢管高强混凝土组合柱破坏形态与钢筋高强混凝土短柱相似, 表现为剪切斜压破坏。试验还观察到, 钢管截面尺寸较大、配箍率偏低的构件, 在钢管外表面与混凝土界面处有明显的粘结裂缝出现。因此, 为了防止钢管高强混凝土组合柱发生粘结破坏, 合理控制钢管截面尺寸和配箍率之间匹配关系是非常必要的。

　　 分析钢管高强混凝土组合柱实测受剪承载力V_t (表1) , 可以考察不同设计参数对钢管高强混凝土组合柱受剪承载能力的影响。

　　 图3给出了不同钢管截面尺寸D与截面高度h的比值D/h (简称为钢管径高比) 对钢管高强混凝土组合柱受剪承载力的变化规律。

　　 由图3可见, 与钢筋高强混凝土短柱相比, 内配钢管后的钢管高强混凝土组合柱受剪承载力有显著提高, 随钢管径高比D/h的提高呈增长趋势, 但当D/h增加到某一值后, 增幅逐渐缓慢, 甚至下降, 这种现象还受体积配箍率的影响较为明显。这主要是在钢筋高强混凝土短柱截面中配置钢管后, 能增强核心混凝土的约束作用, 提高构件的受剪承载能力;但在截面尺寸不变情况下钢管直径逐渐增大, 混凝土保护层厚度变薄, 钢管与混凝土之间的粘结强度降低, 当低于钢管所需临界保护层厚度时, 粘结强度降低明显, 出现滑移而不能协同工作, 构件受剪承载力降低。如在一定范围内增加钢管截面尺寸的同时提高体积配箍率, 可以延缓滑移现象的产生, 但并非为理想的解决方法, 建议通过合理控制钢管径高比的措施来提高构件受剪承载力。

　　 图4给出了钢管高强混凝土组合柱受剪承载力随剪跨比n的变化关系。由图4可见, 在其他参数都近似相同的条件下, 构件受剪承载力随剪跨比n的增加 (依次为0.75, 1.00, 1.40) 而降低, 其中体积配箍率ρ_v=0.90%的试件A2-2-3, B1-2-3, A4-2-3实测受剪承载力分别为470, 458, 389k N, 降幅依次为1.00, 0.97, 0.83;体积配箍率ρ_v=1.28%的试件A2-2-2, A1-2-2, B4-2-2实测受剪承载力分别为635, 498, 360k N, 降幅依次为1.00, 0.78, 0.57;体积配箍率ρ_v=1.79%的试件A2-2-1, A1-2-1实测受剪承载力分别为640, 580k N, 后者较前者降低了9%。

　　 图5给出了钢管高强混凝土组合柱受剪承载力与轴压比n之间的变化关系。由图5可见, 当轴压比n从0.38增加到0.50时, 剪跨比λ=0.75的试件A2-2-2受剪承载力较试件C2-2-2提高了40.18%, 剪跨比λ=1.0的试件A1-2-2水平承载力较试件C1-2-2提高了13.44%, 表明在一定轴压比范围内, 构件受剪承载力随轴压比n的增加而显著提高, 尤其是剪跨比小的构件更加明显。但结合以往研究得到的“增加轴压比会降低构件变形能力”重要结论, 设计时建议采取适当提高轴压比n的措施来提高构件受剪承载能力。

　　 图4 剪跨比n的影响 (ф65×2)

　　 图6给出了钢管高强混凝土组合柱受剪承载力随体积配箍率p_v的变化关系。由图6可见, 构件受剪承载力随体积配箍率p_v的增加而提高, 这主要是增加配箍率, 箍筋即能直接参与抗剪作用来提高承载力, 还能间接通过约束核心混凝土使其强度提高的缘故。不过这种效果会随着体积配箍率p_v提高趋向于某一定值而逐渐降低, 这主要原因是体积配箍率p_v增加到一定程度后, 破坏时箍筋应变往往较小, 未能屈服, 参与抗剪的效果降低, 导致部分箍筋不能充分发挥, 例如同为剪跨比较小的试件A2-2-1, A2-2-2, 前者体积配箍率较后者提高了39.84%, 而受剪承载力仅提高0.89%。因此, 建议设计时宜采取配置适量箍筋的措施来提高构件受剪承载能力。

　　 我国在钢管混凝土组合柱承载力方面进行了相关研究, 并颁布了现行叠合柱规程。现行叠合柱规程中受剪承载力计算公式如下:

　　 式中:V为钢管混凝土组合柱受剪承载力;f_t为混凝土抗拉强度;h₀为组合柱截面有效高度;f_yv为箍筋屈服强度;A_sv为箍筋截面面积;s为箍筋间距;N为轴压力;β为影响系数。

　　 现行叠合柱规程中规定β为常数, 当β=2.5时, 采用规程中计算方法所得结果见表2和图7。由表2和图7可知, 所有构件实测受剪承载力均大于计算值, 两者比值在1.13~1.78之间变化, 均值为1.423, 具有很大的安全富裕度, 材料强度不能充分利用。主要原因是现行叠合柱规程中受剪承载力计算方法只是考虑钢管含钢率的影响, 并未能合理地反映出钢管截面尺寸以及与箍筋共同作用的影响。

　　 根据试验及相关研究^[7]可知, 组合柱中箍筋配置较少时, 钢管外围混凝土受到的约束作用弱, 钢管外表面与混凝土界面处容易出现粘结裂缝;当柱截面尺寸不变时, 钢管截面尺寸增加, 势必导致混凝土保护层厚度减小, 当比所需临界保护层厚度还薄时, 钢管与外围混凝土之间粘结强度明显降低, 削弱组合柱受剪承载力。由此可见, 在钢管截面尺寸较大且配箍率较小的情况下, 构件会出现粘结裂缝而影响其受剪承载力。因此, 亟需完善我国现行叠合柱规程中计算理论, 以能较好地反映出钢管截面尺寸以及与箍筋相互作用的影响。

　　 根据公式 (1) 可得试验实测影响系数β随体积配箍率ρ_v和钢管径高比D/h之间的关系, 分别如图8和图9所示。由图可见:从总体上看, 实测影响系数随体积配箍率的增加而增加, 随钢管径高比的增加呈降低的趋势。

　　 采用数据分析软件Origin8.0中多元线性拟合功能对实测影响系数β与体积配箍率ρ_v和钢管径高比D/h进行分析, 可得表达式为:

　　 由公式 (1) 和 (2) 计算钢管高强混凝土组合柱受剪承载力, 计算结果见表2和图10。由表2和图10可知, 试验值与计算值的比值基本上都在10%范围内变化, 均值为1.00, 表明本文提出考虑钢管截面尺寸与箍筋相互作用的钢管高强混凝土组合柱受剪承载力计算公式的计算值与试验值吻合良好。

　　 (1) 水平荷载作用下, 箍筋配置适量的钢管高强混凝土组合柱短柱发生剪切斜压破坏, 但在钢管截面尺寸较大、配箍率偏低的情况下, 构件出现粘结裂缝。因此, 设计时需合理控制钢管截面尺寸与配箍率之间相互关系。

　　 (2) 与钢筋高强混凝土短柱相比, 钢管高强混凝土组合柱受剪承载力有显著提高, 随着剪跨比的增加而逐渐降低, 随着钢管径高比、轴压比和体积配箍率的提高呈增长趋势, 但增幅到一定值后逐渐缓慢, 甚至下降。

　　 (3) 钢管高强混凝土组合柱实测受剪承载力均大于现行《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》 (CECS188:2005) 计算值, 两者比值在1.13~1.78之间变化, 均值为1.423, 表明采用现行叠合柱规程计算有很大的安全富裕度。

　　 (4) 在现行叠合柱规程基础上, 提出能够考虑钢管截面尺寸与箍筋耦合作用的钢管高强混凝土组合柱受剪承载力计算方法, 计算结果与试验结果吻合较好。