套管钢筋混凝土柱结构的发展和展望

近年来的两项研究成果提出Ｊ，采用套管加同矩形 或方形柱的改进方法。Ａｂｏｕｔａｈａ等人于１９９６年试验研 究ｒ钻孔螺栓与矩形套管相结合的方法，表明呵增强 对混凝土矩形柱的约束效果““。本文作者在２０００年 提出采用焊接钢奁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ｆ：可有多种形 式的加劲肋被焊接在柱端附近可能ｆＨ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。
年
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（ ）结
构”ｏ。与
等人早期提出的在套管柱端预留缝隙
的方法不同，
等人建议在 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
ｒ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。
等人在
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
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图１
由Ｔｏｎｆｆｉ等人最早提出的套管柱结构
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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
的钢沉管，但
和
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，但延性比不埋人有所降低，并可能造成桩
帽的破坏。可见，尽管出发点不同，
和wenku.baidu.com
的研究对套管柱的合理性提供了佐证。
２．２套管柱的其他研究成果及工程应用
万方数据
短柱的纵筋是沿柱高通长配置的。实际上套管经粘结 作用在柱巾部也受纵向力，建议今后做进一步的研究 以取得减少纵筋的经济效果。
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（ａ）螺旋箍筋柱
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中图分类号：ＴＵ３７５
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－１３１Ｘ（２００４）０４－Ｃ００８一０６
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（Ｈｕｒｒａｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｅｍ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．）
３套管柱在抗震加固中的应用
３．１钢外包壳加固 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
柱这一概念的提出是为了防止钢筋混凝土框架结构ＩｆＪ 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；
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，首次将套管柱应片；Ｉ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”一。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”ｏ，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嗲向 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，井表现出 良好的延性性能。
越蛩 局部 田◎◎
图４部分加劲的方钢套管” Ｆｉｇ ４ Ｐａｒｔｉａｌ ｒｅｉｎｆｒｏｃｅｄ ｓｏｕａｒ。ｄ ｓｔｅｅｌ ｊａｃｋｅｔｓ”
Ａｂｓｔｒａｃｔ：仉ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｕｂｅｄ ｒｅｉｎｆｏｒｔ：ｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｎｌｎ ｓｔｌｕｃｔｕｒｅｓ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ，Ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｉｎ ｔ｝ｌｅ ｔｕｂｅｄ
ｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｍｎ ｉｓ ｐｉｍ耐ｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｆｉｎｅ ａｎｄ ｔｏ ｔａｋｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ∞ｔｈｅ ｔｒａｎｓｖｅｒｓ ｒｅｉｎｆｏｒｅｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｃｏｈｍｍｓ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｔｕｂｅｄ ｃｏｌｕｍｎ Ｗ０８ ｆｉｒｓｔ ｉｎｍｘｌｕｃｅｄ ｂｙ Ｔｏｍｉｉ ａｎｄ ｏｔｈｅｒｓ ｉｎ １９８５．ａｎｄ ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｖｅｒｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｈｅａｒ ｆａｉｌｕｒｅ，ａｓ ｗｅｌｌ∞ｔｏ ｒａｉｓｅ ｔｈｅ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｍｎｓ．Ｌａｔｅｒ．ｔｈｉｓ ｃｏｎｃｅｐｔ ｉｓ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｔｏ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｍｎｓ ｕｓｉｎｇ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｗｅｌｄｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅｓ ａｎｄ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ
１前 言
在钢筋混凝土柱中采用钢管作为主要的横向增 强，这一概念是由日本九州大学Ｔｏｍｉｉ研究室首次提 出的“。２ ｏ。由Ｔｏｍｉｉ，Ｓａｋｉｎｏ及作者等于１９８５年首次提 出的术语“ｔｕｂｅｄ ｃｏｌｕｍｎ（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（ｃｒｒ）”ｏ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。
士术工程学报
２００４伍
滑移，其滞凹性能比普通套管柱进一步增强。？ｄ、ｏｕ— ｔａｈａ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 奉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。
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柱端 预留缝
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图２套管柱的细部
Ｆｉｇ．２ Ｄｅｔａｉｌｓ ｏｆ ｔｕｂｅｄ ｅｏｈｍｍ
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”。１。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
和抗翦作用。Ｔｏｍｉｉ和作者等人在１９８５年首次提出套管柱的概念，并验证了套管柱能够有效防止柱的剪切破坏并
显著提高柱的延性。随后，这一概念被推广到利用焊接钢管和纤维增强甥料外包壳加固既存钢筋混凝士柱。本
义还展望了使用纤维增强塑料套管进行新建柱设计的研究。
关键词：套管钢筋混凝土柱；钢管混凝土柱；约束；抗震设计；延性；纤维增强塑料
万方数据
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。但足，巾于建筑外观和功能的 需求，这种方法最然不适于加固房屋结构ｔ｝，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Ｊ，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允填套 管与柱之间的空隙‘。２。在对一幛学校房屋加盖＿三层 时的下部各层柱进行加固时，他们采用厚度高达 ２５ｈｕ ｒｔ的钢板加同截面尺寸为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㈦。
第３７卷第４期 ２ ０ ０ ４年４月
土木工程学报
ＣＨＩＮＡ ＣＩＶＩＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＬＮＧ ＪＯＵＲＮＡＬ
Ｖｄ ３７ Ｎｏ ４ Ａｏｒ ２（）０４
套管钢筋混凝土柱结构的发展和展望
肖岩
（湖南大学土木工程学院，美国南加州大学）
摘要：回顾了套管钢筋混凝士柱的发展过程。在套管钢筋混凝土柱中，套管用作柱中的横向增强，主要起约束
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
收祷日期：２００２４Ｊ７—１６．收到修改蒋日期：２００８－０８－１０
万方数据
结构体系做一综述。
２套管钢筋混凝土柱的发展
２．１ 套管钢筋混凝土柱的早期研究 在Ｔｏｍｉｉ等人的最初研究中“’２ Ｊ，套管钢筋混凝土
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（ｂ）套臂柱
图 螺旋箍筋柱和套管柱的滞回曲线对比“
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…
在新西兰，
和
对沉管钢筋混凝土桥
桩的抗震性能进行了研究１４。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
（聊’）ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｊａｃｋｅｔｓ．Ｔｈ８ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＦＲＰ ｔｕｂｅｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｌｕｍｎ ｉｓ ｐｒ—
ｅｓｅｎｔｅｄ，
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｕｂｅｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃＦｅｔｅ ｃｏｈｍｍ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｕｌａｒ ｃｏｌｕｍｎ；ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ；ａｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ；ｄｕｅｔｉｌｉ— ｔｙ；Ｆｉｂｅｒ Ｒｉｎｆｏｒｅｅｄ ＰＩａｓｔｉｃｓ（ＦＲＰ）
③纵向钢筋与混凝土之问的粘结强度提高； 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；
第３７卷第４期
肖岩－套管钢筋混凝十卡丰结构的发展和展望
⑥钢管同时可作为混凝土施Ｔ的水久模板，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 他设计及施工方法小需要进行明显修改就可引用于套 管钢筋混凝土柱中。