1 引言

鋼管混凝土CFST(Concrete-Filled Steel Tube)是一種把鋼管與混凝土相結合的構件. 具體地來說, 鋼管混凝土就是將混凝土填入鋼管內，由鋼管對核心混凝土施加套箍作用的一種約束混凝土。鋼管對混凝土的套箍作用，使混凝土的抗壓強度提高，使混凝土由脆性材料轉變為塑性材料。鋼管內部的混凝土提高了薄壁鋼管的局部穩定性，使鋼管的屈服強度可以得到利用, 如下圖示。

鋼管混凝土的應用主要有以下幾個方面: (1) 用作樁基礎. 在一些軟土地區, 如果基礎需要承受很大的垂直載荷, 可以使用鋼管混凝土樁; (2) 用作排樁墻. 當在臨近基礎進行垂直深開挖時, 為了阻擋土的側壓力, 增強基坑墻的剛度, 可以考慮使用鋼管混凝土. 我在多年前曾經做過一個這樣的工程. 開挖16m深的基坑, 其中一側臨近的是一棟高層建筑, 為了防止這座建筑的基礎破壞, 基坑支護采用了鋼管混凝土排樁, 然后再在內側使用鋼板進行支護; (3) 用作系桿結構橋的拱形結構, 參看<Top 5 系桿拱橋(Tied Arch Bridge)>. 鋼管混凝土用于巖石地下開挖,例如隧道和地下采礦巷道的實例可能有, 但目前在GeotechSet數據集中沒有找到, 留待以后討論. 這個筆記主要從結構設計的角度描述了鋼管混凝土受壓構件的工作性能. 

2 鋼管混凝土的特點與應用

鋼管混凝土的特點如下: (1) 鋼管混凝土構件具有較高的抗壓、抗剪和抗扭承載力。鋼管混凝土受壓構件比鋼筋混凝土受壓構件小而輕，適用于較大跨度的拱結構。(2) 鋼管混凝土結構適于承受動力荷載，有較好的結構抗震性能。(3) 鋼管本身作為模板適于采用先進的泵送混凝土工藝且不會發生漏漿現象；鋼管替代了鋼筋，兼有縱向鋼筋和箍筋作用。在施工階段，鋼管本身重量輕又可作為施工承重骨架，節省腳手架。

鋼管混凝土在拱橋結構中得到廣泛應用。拱橋跨度不大(100m以下)時，主拱可采用單管截面；跨度較大時，可采用啞鈴形截面、多管桁式截面或集束式截面, 如下圖所示。

3 鋼管混凝土受壓構件的工作性能

一般情況下鋼管與核心混凝土同時共同承擔荷載，更多的情況則是鋼管先于核心混凝土承受壓應力。混凝土收縮會使鋼管端頭高于混凝土端面。鋼管混凝土受壓構件有三種加載方式: (1) 加載方式Ⅰ---荷載直接施加于核心混凝土上，鋼管不直接承受縱向荷載；(2) 加載方式Ⅱ---荷載直接同時施加于鋼管和核心混凝土上。(3) 加載方式Ⅲ---鋼管預先單獨承受荷載，直至鋼管被壓縮(應變限制在彈性范圍內)到與核心混凝土齊平后，方與核心混凝土共同承受荷載。

試驗證明，上述三種加載方式對壓力(N)-核心混凝土縱向應變(εc)曲線(簡稱N- εc曲線)的變形特征有顯著影響。

加載方式對N-εc曲線的影響

在荷載作用下，鋼管的縱向應變es與核心混凝土的縱向應變ec并不協調一致。鋼管表面的縱向應變 es 明顯小于核心混凝土的縱向應變 ec, 通常以核心混凝土的 N-ec曲線，作為描述和評價鋼管混凝土受壓構件力學行為的依據。

鋼管和核心混凝土的荷載-應變曲線

鋼管外徑D與其厚度t之比(簡稱徑厚比). D/t ≥ 20的鋼管混凝土軸心受壓短柱的N-ec  典型曲線。在較低的荷載階段，N-ec大致為一直線(圖中的OAB段)。當荷載增加至B點，鋼管開始屈服，其表面或出現呂德爾斯滑移斜線，開始有鐵皮剝落，N-ec曲線明顯偏離其初始的直線。隨著荷載增加而不斷減小，直至C點處 ，荷載達到最大值。對于 D/t 值較大的薄壁鋼管混凝土試件，在 N-ec曲線的下降過程中，鋼管被脹裂，出現縱向裂縫而完全破壞；對于 D/t 值較小的試件，在荷載緩慢下降過程中，變形仍持續發展而不破壞。

鋼筋混凝土短柱N-εc曲線

4 附加參考文獻

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