【摘要】钢套管混凝土结构是一种主要利用钢套管的横向约束作用来提高抗压承载能力的结构形式。钢套管混凝土柱的承载性能较好，但是由于施工上的困难以及应用开发上的不足，导致其在实际工程中的应用非常有限。本文对钢套管混凝土柱在实际工程中的应用进行了探讨，分析了不同形式的钢套管混凝土柱在不同工程领域中的应用，包括在现浇工程和加固工程中的应用，扩展了钢套管混凝土结构的应用范围和应用前景，为实际应用提供了参考。
【关键词】钢套管混凝土；工程应用；现浇工程；加固工程
钢套管混凝土柱即外部包裹钢套管的混凝土柱。钢套管混凝土柱与普通钢管混凝土柱的形式类似，但是两者的受力机理有区别。普通钢管混凝土柱在受压后，其钢管同时承受竖向压力和混凝土膨胀产生的横向拉力，如果采取一定的措施，减小钢管承受的竖向压力，就可以更大限度地发挥其横向抗拉能力，从而对内部混凝土施加更大的横向约束力，提高柱的承载能力，这种效应即称为“套管效应”。此时的钢管混凝土柱即转变为钢套管混凝土柱。虽然钢套管混凝土柱具有独特的受力机理和较好的受力性能，但是并没有引起足够的重视，相关研究较少。同时，由于施工上的困难以及应用开发上的不足，也导致其在实际工程中的应用非常少。本文对钢套管混凝土柱在实际工程中的应用进行探讨，在总结分析传统钢套管混凝土柱主要的应用情况和存在问题的基础上，研究分析了几种新型钢套管混凝土结构在现浇工程和加固工程中应用的可行性，以扩展钢套管混凝土结构的应用范围和应用前景，为实际应用提供参考。
1.传统钢套管混凝土柱的应用情况
传统的钢套管混凝土柱如图1所示，包括截断式的钢套管混凝土柱和穿孔式的钢套管混凝土柱。由于传统钢套管混凝土柱在施工方面存在一些问题，因此目前只有少量的试验性应用［1］。套管柱在工程中的首次应用是在日本某建筑公司承建的大阪的一栋高层钢筋混凝土结构中［2］。1999年，美国阿拉斯加州交通局进行了一个采用套管柱的桥柱结构的足尺试验［3］，进行套管柱在桥柱结构设计中的尝试应用。Priestley等人对钢套管混凝土柱在加固工程中的应用进行了研究［4］，指导了加利弗尼亚等地区的大量桥梁的加固工程。传统的钢套管混凝土柱虽然已有部分尝试性的应用，但是存在一些明显的缺点：（1）截断或穿孔处钢套管承受的纵向压力会显著减小，但是截断和开孔只在局部，而在其它部位钢管和混凝土之间还存在较大的粘结力和摩擦力，使得钢套管的中间部分仍然承受较大且沿高度分布不均的纵向压力；（2）钢套管截断或穿孔后浇筑混凝土时容易漏浆，增加了施工难度，钢套管很难再用作浇筑混凝土的模板；（3）钢套管截断后不再是完整的整体，在混凝土硬化以前不能单独承载，不能作为施工时的承重结构。这些问题限制了钢套管混凝土柱的应用。
2.切槽式钢套管混凝土柱在现浇工程中的应用
传统的钢套管混凝土柱在现浇工程中的应用比较困难，主要原因是加工后的钢套管难以用作施工中的承重骨架和浇筑混凝土的模板，容易漏浆。为了避免和克服这些问题，使得钢套管混凝土柱可以更好地应用在现浇工程中，可以采用如图2所示的切槽式钢套管混凝土柱的结构形式［5］。切槽式钢套管混凝土柱是在钢套管上加工出多道环形或整条螺旋形切槽（如图2所示），这样可以削弱钢套管的纵向抗压能力，主要起到对内部混凝土柱的横向套管约束作用。切槽式钢套管混凝土柱与截断式和穿孔式钢套管混凝土柱的原理基本相同，但是切槽对钢套管纵向承载能力的削弱更充分。更重要的是切槽式钢套管仍然保持为完整的整体。如图2中所示，切槽的深度可以小于套管壁厚，剩余部分的厚度可以根据需要确定。套管切槽处剩余部分可以起到两个作用，一是可以在浇筑混凝土时防止切槽处漏浆，因此整个钢套管可以起到模板的作用；再就是剩余部分具有一定厚度和抗压能力，因此钢套管在纵向受压时仍然具备一定的承载能力，可以作为施工时的承重骨架，起到承载的作用。由上可见，切槽式钢套管混凝土柱克服了传统钢套管混凝土柱在现浇工程施工中遇到的困难，在现浇工程中的应用具有优势和更好的前景。
3.焊接式钢套管混凝土柱的应用
钢管混凝土柱是一种应用广泛的组合结构形式，主要应用在需要巨大承载能力的高层和超高层建筑中，钢管的尺寸因此比较大。由于无缝钢管的造价较高且尺寸较小，所以大部分实际工程中不能采用无缝钢管，通常采用卷制后焊接的钢管。较小口径的焊管大都采用直缝焊，大口径焊管则大多采用螺旋焊，也就是螺旋卷制成型后再在拼缝处焊接。焊缝一般采用开坡口的熔透焊，焊接方法可以采用高频焊或者自动埋弧焊，焊接完成后还需要进行探伤。图3所示即为螺旋形焊接成型的钢管混凝土柱，焊接工作量大，焊缝质量要求高，焊接难度大。由于焊接的钢管混凝土柱对焊缝的要求较高，焊缝的强度应与钢管其他部位等强，增加了加工制作的难度和成本。如果反过来考虑，认为拼接焊缝处是薄弱部位，则相当于对钢管进行了螺旋状的横向削弱，其效果与螺旋形切槽的钢套管相同，此时的钢管混凝土柱即变换为钢套管混凝土柱。如图4所示，钢管的螺旋拼接处开口后简单焊接，近似切槽的效果，即形成焊接的钢套管混凝土柱。此时焊缝的要求较低，可以不熔透，也可以断续焊，起到连接的作用即可，加工难度和制作费用显著降低。根据已有的试验结果，切槽式钢套管混凝土柱与普通的钢管混凝土柱的纵向抗压承载能力基本相当或略有提高［6］，因此采用上述做法将焊接的普通钢管混凝土柱替换为焊接的钢套管混凝土柱是可行的，在大部分工程实际中都可以显著降低加工难度和制作费用。
4.钢套管混凝土柱在加固工程中的应用
钢套管混凝土柱的初始概念就是在已有的钢筋混凝土柱的外部包裹钢套管来提高整体承载能力的一种结构形式，其原理和效果与混凝土柱外部粘贴碳纤维布的做法是相同的，因此钢套管混凝土柱的最初应用领域即混凝土结构的加固工程。传统的钢套管混凝土柱（图1所示）虽然在工程中已有初步应用，但是钢套管是整体的，加工制作和安装焊接的难度都比较大，加固效果也比较差。为了实现施工更方便、加固效果更好的目的，在切槽式钢套管混凝土柱的基础上提出了一种新的加固方法：利用近圆形的钢板箍围套在混凝土柱的外侧，通过钢板箍对混凝土柱施加横向的约束，间接提高柱的竖向抗压能力，如图5所示。整个柱由多个钢板箍约束，钢板箍间留有间隙以更好地提供横向约束作用，最终形成的结构形式即切槽深度等于套管壁厚的切槽式钢套管混凝土柱。由于整个钢套管可以分解为多个钢板箍的组合，每个钢板箍尺寸较小，易于加工制作；此外，只需要调整钢板箍的个数就能适配待加固柱的高度变化。因此该种加固方法更简便易行，具有更好的适用性和更好的加固效果。加固施工的主要步骤：（1）钢板箍安装就位。每个钢板箍由两个半圆形的钢板箍围套到待加固柱上后焊接而成。依次完成所有钢板箍的组合、焊接，调整位置、保留间隙后临时固定。（2）封堵钢板箍之间的间隙。为了防止后续步骤中注浆时漏浆，封闭钢板箍之间留有的间隙。封闭间隙是加固施工的一个重要内容，可以有两种做法：一种做法是利用钢条、钢筋、塑胶条等材料来堵缝，堵缝材料要有一定的强度，保证在注浆时不漏浆、不变形；再一种做法是利用薄钢板或类似材料紧密包覆在整个钢板箍的外侧，薄钢板的厚度以便于弯折、包覆、施工、并且不易变形为准。封闭间隙时应留多个注浆孔。（3）充填钢板箍与柱之间的空隙。为保证钢板箍与待加固混凝土柱能够成为整体共同工作，通过高压注浆的方法将两者之间的空隙充填密实。通过预留的注浆孔，从下至上依次注浆，将钢板箍与待加固混凝土柱之间的空隙充填密实。
作者：孙宗军 刘静 陆和燕 韩金生 单位：山东科技大学交通学院 中衡设计集团股份有限公司 山东科技大学土建学院
