高速发展的中国高强度钢——钢管混凝土组合结构

钢管混凝土组合柱因其可以提高强度和刚度而广泛应用于高层建筑结构中。由于钢管所提供的套箍作用，核心混凝土在承受高压荷载时其强度和延性均有所提高；同时，核心混凝土的存在会限制钢管发生局部屈曲变形。这种优势对于高强钢管来说意义重大，而高强钢由于其屈服强度较高，更容易受到局部屈曲的影响。

《钢结构设计标准》GB 50017中对矩形和圆形的钢管混凝土柱及节点的一般要求做了相关规定，并参考《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936进行钢管混凝土柱和节点的相关计算工作。《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936比《钢结构设计标准》GB 50017内容更加全面，包含钢管混凝土柱在轴心受压、受扭或受弯等受力状态下的设计规定。

《钢结构设计标准》GB 50017和《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936中关于钢管混凝土柱和节点的设计规定适用于钢材的强度等级在Q420以下，混凝土强度等级在C30 至 C80。若混凝土的强度等级、力学性能和质量标准符合《混凝土结构设计规范》GB 50010 和《混凝土强度检验评定标准》GB 50107。则允许采用C80以上的高强混凝土。表1汇总了《钢结构设计标准》GB 50017中建议的混凝土等级，此等级范围将适配Q345 至 Q420的钢管。

表1：钢管混凝土中钢材与混凝土强度等级适配

根据《钢结构设计标准》GB 50017的规定，为确保混凝土的填充，钢管尺寸需要有一定的限制：

• 对于矩形钢管， B ≥ 150 mm

• 对于圆形钢管， D ≥ 180 mm

• 壁厚 t ≥ 3 mm

  
  

表2给出了《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936中宽厚比的限值规定。

表2：钢管混凝土中钢管的宽厚比限值

在欧盟标准中，EN 1994-1-1中规定了关于组合构件的设计，该标准可适用于钢材的强度等级在S460以下，混凝土强度在C25 至C60的钢管混凝土构件。但是根据EN 1994-1-1的规定，钢管强度等级可以扩展至S550，前提是钢管截面不属于4类截面，且需根据表EN 5.2适配混凝土等级。当采用C70/85混凝土时，最高可适配S550钢管，但是这条规定在现行EN 1994-1-1中已被删除。

表3 EN 1994-1-1中规定的钢管强度与混凝土强度的组合推荐

EN 1994-1-1中给出的简化设计方法（即假定矩形应力图）用于计算截面的受压弯组合作用下的承载力，这种方法被认为过高估计了承载力，因为可能会收到混凝土极限应变的限制。对于受压弯组合作用的构件，EN 1994-1-1中规定需对塑性弯矩进行折减，对于S235至S355钢，系数?_M取0.9；对于S420和S460钢，系数?_M取0.8。当采用S500或S550钢时，计算得到的塑性弯矩同样需要乘以折减系数?_M = 0.8。

钢与混凝土组合梁

尽管组合梁在设计时通常受挠度控制，但在某些情况下，采用高强钢仍然可以体现优势。

例如，当梁承受很大荷载，且永久荷载占比很大时，通常设置预拱度来减小挠度；此时若进一步采用高强钢，则可以使相邻梁之间的间距更大，从而减小钢梁自重。

混凝土的强度通常在设计楼板是确定的。因此，按普通强度钢强度设计的混凝土强度等级同样可以应用于高强钢中，以此来设计高强钢组合梁。

《钢结构设计标准》GB 50017 中给出了组合梁的塑性抗弯承载力的设计规定。此规定适用于钢与混凝土组合梁，其中钢梁受压区板件分为 S1级或 S2级，具体取决于塑性设计中是否要求组合梁截面有转动能力。对于大多数的组合梁，梁腹板主要承受拉力，因此只需关注梁受压翼缘的等级。当组合梁受压上翼缘不满足S1 级或 S2级的限值要求时，只要满足以下要求，仍可采用塑性方法进行设计：

• 若混凝土板沿全长和钢梁上翼缘连续接触时，沿梁长方向的连接件最大间距为22?_f?_k；

• 若部分接触时，连接件最大间距为15?_f?_k；

• 连接件的外侧边缘与钢梁上翼缘边缘的最大距离为9?_f?_k。

  
  

随着钢材强度等级的提高，由于?_k的存在上述要求将变得更加严格，如钢材等级从Q235提升至Q460时，对应的?_k从1.00变为0.71。

组合梁的塑性设计

组合梁的塑性抗弯承载力是基于理想化的矩形应力块计算得来，应力块的大小等于受拉或受压作用钢梁的抗弯强度设计值， ?，以及受压区混凝土板的抗压强度设计值，?_c (不考虑受拉混凝土部分)。

随着钢材屈服强度的增加，钢梁截面的屈服应变也在增加，故组合截面的中和轴位置趋于下移。在将导致在组合截面在达到塑性弯矩甚至在钢梁的大部分受压纤维达到屈服强度之前，组合梁就因混凝土被压碎而失效。因此，这对混凝土提出更大应变需求。

除了钢材的等级外，塑性中和轴的位置也受钢梁截面的不对称性影响，例如，当受拉翼缘的面积大于受压翼缘面积时。这种类型的不对称使组合截面的塑性中和轴下移。当上、下翼缘的不对称度不超过2时，塑性中和轴位置一般位于钢梁的上翼缘或腹板顶部；当大于3时，塑性中和轴一般位于腹板下部。这意味着，当翼缘不对称度超过2时，组合梁的塑性抗弯承载力会受混凝土极限应变的影响而降低。

在《钢结构设计标准》GB 50017关于组合截面塑性抗弯承载力的设计规定中，没有提出相关折减系数以考虑混凝土压碎的影响。不过，该规范在塑性抗弯承载力的计算中采用钢材的抗弯强度设计值?，而非屈服强度?_y，上述问题在一定程度上得到了解决。对于Q235和Q460钢，其抗弯强度设计值为0.85 至 0.89?_y。然而，无论塑性中性轴的位置如何，所有强度等级的钢材都采用了上述折减。

EN 1994-1-1规定，当塑性中和轴与受压混凝土板的受压边缘纤维之间的距离?_pl，超过组合截面总厚度的15%时，组合截面的塑性抗弯承载力应通过系数?进行折减，此规定适用于S420或S460钢。当?_pl达到截面总厚度的40%时，折减系数?应取1.0至0.85。

对于采用S460至S690钢的组合梁，现有文献中提出更为严格的折减条件，即当?_pl超过组合截面总厚度的11%时，其塑性抗弯承载力就应折减。