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摘要：本文主要研究钢管混凝土由于环境条件的影响，外包结构受损情况下的工作性能表现条件，外包钢管结构受腐蚀破坏后，整体钢管混凝土在全生命周期（工作-破坏失效）非轴心压缩的工况下的变形性能与承载能力，得到荷载作用下的混凝土结构位移变形曲线，有利于预测偏载工况下钢管混凝土的工作性能与结构寿命周期。

关键词：钢管混凝土； 偏载； 全生命周期； 压缩

混凝土框架结构是现代建筑中常用的建筑结构形式与建筑材料，其稳定的结构性能与灵活的构造方式方法使得建筑物的整体结构具备较好的耐久度与需求适配度，但是随着社会的发展进步与人类审美需求的各类变化，建筑物结构在尺寸与功能上要满足广大群众的要求就需要建筑材料提供更高的强度与稳定性，所以钢管混凝土构件及结构就应运而生，这种结构可以更好的发挥混凝土的受压性能与钢材的受拉性能，并且两者相互协同可以提高混凝土结构的受荷承载能力，钢管混凝土结构也在了越来越多的应用场景中出现，如大跨度的桥梁，复杂形状的地下建构筑物，高耸的地上楼宇等。由于钢管混凝土的广泛应用，越来越多的学者对于这方面的研究也日益深入，钢管混凝土相比于传统混凝土结构，其主要特征在于钢材裸露在外部环境当中，所以虽然钢管混凝土在受力性能方面具备一定的优势，但在结构的耐久性方面呈现出一定的弊端，钢材在无防护的条件下，会受到外部环境中的水汽，盐类物质，酸碱物质的侵蚀，外部钢材发生破损或者锈蚀，使得钢材的耐久度和结构刚度发生折损，进一步影响钢管混凝土的耐久性。江浙沿海地区经济发达，建筑规模和建筑形式也在日趋多样，而沿海地区的空气环境中湿度大，盐分含量也大，潮湿且盐分大的环境容易让钢材发生锈蚀，所以需要深入研究此类破坏情况[1-5]。

基于现状，主要研究钢管混凝土由于环境条件的影响，外包结构受损情况下的工作性能表现条件，外包钢管结构受腐蚀破坏后，整体钢管混凝土在全生命周期（工作-破坏失效）非轴心压缩的工况下的变形性能与承载能力，得到荷载作用下的混凝土结构位移变形曲线，有利于预测偏载工况下钢管混凝土的工作性能与结构寿命周期。

1 各类钢管混凝土的力学性能

①复合材料钢管混凝土

复合材料钢管混凝土是将新型纤维材料与聚酯纤维或者聚氨酯等树脂材料混合，硬化融合后形成高强度包容材料，将这种材料应用于钢管混凝土中，可以提高钢管混凝土的抗拉和抗压性能，由于聚合物的包裹，可以减少外界环境中水分和盐类物质对于钢材的腐蚀，同时聚合物的材质轻，刚度大[6]，对钢管混凝土起到了很好的保护作用，有效地延长了钢管混凝土的使用周期。

②不规则截面钢管混凝土

不规则截面的钢管混凝土主要是为了增加混凝土与钢材之间的接触面积。从而提高钢材与混凝土之间的粘结力，使得钢材与混凝土结构可以协调变形，这种不规则的钢管混凝土结构在承受偏心荷载情况下，可以通过改变钢材的截面形状[7-9]，钢材的厚度以及混凝土的标号提高整体结构的承载力。

③型钢钢管混凝土

型钢钢管混凝土结构是在混凝土内部插入型钢材料，以增加钢管混凝土抵御侧向荷载或者不均匀偏载的能力，由于内部型钢的加入，钢管混凝土的截面惯性矩增加，提高了钢管混凝土在平面外的刚度，这样的截面特性可以使用在高耸建构筑物中，以抵御高空位置处的较大侧向风荷载，在有限截面条件下，提供足够的构件安全冗余度。

2 偏心荷载作用下的钢管混凝土试验

本部分主要通过室内试验的方式，进行缩尺寸试验研究。

如图1所示，室内试验采用1400mm高的钢筒，上下分别焊接有边长140mm的正方形铁片，铁片的主要作用是为了使千斤顶作用在钢管混凝土上的作用力更加均匀。每一组试压试验采用4个模型铁筒，需要仔细测量每个铁筒的尺寸，尺寸误差不应超过2mm。试验采用的钢材为Q345，因为在试验过程中钢管混凝土主要承受压力，Q345钢材的受压性能明显高于不同钢材，能够有效延长试验周期，提高试验荷载范围。

室内加载试验设备如图2所示，未来模拟偏心长周期荷载的加载形式，采用千斤顶偏心顶压的方式加载，千斤顶定压的位置位于构件一端中心靠右5cm的位置，另一侧设置测力传感器，以确定千斤顶加载的数值大小。为了保证整体加载装置的稳定性，两侧设置立柱，立柱基座加宽，基座底部采用螺栓将立柱固定在地面，横杆节点位置采用锚栓加强，横杆需要提前测试一下抗侧力刚度，当横杆跨中受到荷载作用时，跨中挠度不会产生大于2mm的位移值。整个架体搭建完成后，还需要采用缆风绳固定住装置平面外的自由度，保证架体在平面外不会产生失稳倾倒的风险。试验开始前，需要记录测力装置的初始读数，此时的读数为测试构件以及上部设施设备的自重读数，每级加载完成后，需要及时记录传感器读数[10]，并与施加的千斤顶顶力做比较，避免出现偏心值过大或者失稳时无法读取数值的情况。

试验过程中，每级加载的数值为Q235钢材极限荷载的1/8，取8级加载总次数，每次的加载时间为千斤顶顶力稳定后的30s，最后一级加载时，由于已经逼近钢材的承载极限值，加载时间为千斤顶顶力稳定后的15s，同时需要严密监视钢管混凝土变形及开裂情况，当传感器数值发生锐减或者突变时，立即停止试验，保证其余设施设备的安全和测试人员的安全。更换新的测试构件时，严格按照初始位置标记进行安放固定，确保测试时加载接触面平整[11-12]，无异物或者无构件翘曲，这样才能保证施加荷载的充分性。

3 钢管混凝土结构折损条件下的承载力试验

为了模拟钢管混凝土由于外部环境侵扰产生的结构损失与刚度折损现象，试验采用主动侵蚀的方式，使得钢材形成局部刚度折损或者全部折损的条件，本文采用通电解离的方式，使得钢材表面产生铁离子后，形成铁锈。通过测量钢材的厚度来确定腐蚀的程度，试验采用两种腐蚀程度的钢材进行试验，一种是50%解离程度，第二种是80%解离程度。

4 试验测试结果分析

①无腐蚀情况下的偏压加载试验

可以看出加载初期，变形增长较慢，随着荷载的增加，跨中的挠曲变形增加速率也越来越快，增加的幅值也越来越大，当达到钢材极限荷载的70%时，曲线斜率达到了最大值，随后再进行2级加载后，数值的变形值会逐渐变小，但是变形的总量总体还是呈现了累计增加的趋势。

②腐蚀状态下的偏压加载试验

在进行50%解离程度和80%解离程度的偏压加载试验过程中，由于电离过程是总体比较随机，在外侧钢管表面上的侵蚀程度也是呈现随机的状态，这就导致了在进行偏载试验的过程中，由于侵蚀过程的不均匀，导致加载中，钢管内部的应力分布也呈现不均匀的规律，当逐步进行加载时，变形的发展规律是呈现往侵蚀较大的位置发展。

如图所示，在腐蚀条件下的偏压加载试验，不同的构件出现了不同的加载曲线，主要原因还是由于不均匀的侵蚀造成的结果，但从总体规律看，加载初期，变形增长较慢，随着荷载的增加，跨中的挠曲变形增加速率加快，增加的幅值增大，当达到钢材极限荷载的60～80%时，曲线斜率达到了最大值，随后再进行2级加载后，数值的变形值会逐渐变小，但是变形的总量总体还是呈现了累计增加的趋势。有腐蚀状态的的极限承载力要比无腐蚀状态的极限承载力小10%左右，并且腐蚀程度越高，极限承载力就越小。当腐蚀程度越高时，越早出现承载力极值点，同时继续加载后，下降的速率也越快。

腐蚀状态下的加载曲线与无腐蚀状态下的加载曲线相比，有如下几点区别：①加载初期的图线曲线斜率无腐蚀要大于有腐蚀状态，究其原因主要是由于无腐蚀状态下，钢管内外壁光滑均匀且内部无受损孔隙，这样所受的外力可以进行均匀的传导与扩散，使得钢材受力充分；②钢材在无腐蚀状态下的极限荷载要大于有腐蚀状态，说明腐蚀条件下，削弱了钢材的极限承载力，而且不同程度的腐蚀条件对于钢材的极限承载力的影响也不尽相同。无腐蚀状态下的极限荷载要比有腐蚀状态下的极限承载力要高10%左右。

有腐蚀状态下的钢管混凝土偏载稳定性及耐久性均弱于无腐蚀状态下的钢管混凝土，但是无腐蚀状态下的钢管混凝土在前期受荷加载产生的变形增加速率较快，需要严格控制前期的加载量级与加载速率。

5、结论

本文主要研究钢管混凝土由于环境条件的影响，外包结构受损情况下的工作性能表现条件，外包钢管结构受腐蚀破坏后，整体钢管混凝土在全生命周期（工作-破坏失效）非轴心压缩的工况下的变形性能与承载能力，得到荷载作用下的混凝土结构位移变形曲线，有利于预测偏载工况下钢管混凝土的工作性能与结构寿命周期，主要结论如下：

（1）无腐蚀情况下的偏压加载，加载初期，变形增长较慢，随着荷载的增加，跨中的挠曲变形增加速率也越来越快，增加的幅值也越来越大，当达到钢材极限荷载的70%时，曲线斜率达到了最大值，随后再进行2级加载后，数值的变形值会逐渐变小，但是变形的总量总体还是呈现了累计增加的趋势。

（2）有腐蚀状态的的极限承载力要比无腐蚀状态的极限承载力小10%左右，并且腐蚀程度越高，极限承载力就越小。当腐蚀程度越高时，越早出现承载力极值点，同时继续加载后，下降的速率也越快。

（3）加载初期的图线曲线斜率无腐蚀要大于有腐蚀状态，究其原因主要是由于无腐蚀状态下，钢管内外壁光滑均匀且内部无受损孔隙，这样所受的外力可以进行均匀的传导与扩散，使得钢材受力充分；

参考文献

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