免责申明： 转载自结构拾遗公众号-《钢-混凝土组合柱的进化》作者：胡红松

1 组合柱的初级版及其诞生过程

众所周知，最基本的钢-混凝土组合柱可分成两类：型钢混凝土（又称钢骨混凝土，steel-reinforced concrete，SRC）柱和钢管混凝土（concrete-filled steel tube, CFST）柱。型钢混凝土柱的钢在混凝土里面，俗称混凝土包钢；钢管混凝土柱的钢在混凝土外围，俗称钢包混凝土。

图1 型钢混凝土柱

图2 钢管混凝土柱

据R.P Johnson书[1]中所述，最初用混凝土包裹钢柱是为了给钢柱提供防火保护，并未考虑混凝土的受力。后来，研究人员发现，通过采用高强度（相比只用来起防火保护的混凝土）混凝土并考虑混凝土参与受力，可以节约成本，由此逐步发展形成了型钢混凝土柱这一构件类型。因此可以说，国外的型钢混凝土柱是由钢柱进化而来的。

在我国的工程实践中，型钢混凝土（SRC）往往和钢筋混凝土（RC）走得更近。采用SRC梁和SRC柱往往并不是设计人员的初衷，很多情况下是由于RC构件无法在截面尺寸限制条件下满足承载力要求，设计人员不得不往RC构件里放型钢，这样就变成了SRC构件。我国规范中的SRC构件设计公式也是沿用了RC构件那一套，所以从RC变成SRC也是一件非常顺畅的事情。

在钢管里填充混凝土的初衷应该不是为了提高柱子的抗火性能，虽然抗火性能确实也提高了。蔡绍怀先生在书[2]中提到：在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱是由美国人John Lally于1987年发明的。由此可见，钢管混凝土柱的历史也是非常悠久了。

2 混凝土包钢 V.S. 钢包混凝土

下面我们来比较下型钢混凝土（SRC）和钢管混凝土（CFST）的各自优势，它俩的比较实际上是混凝土包钢和钢包混凝土的比较。

相比钢材，混凝土具有更好的耐火和耐腐蚀性能。因此，从这个角度讲，混凝土包钢更好。值得一提的是，这里的混凝土耐火性能好并不是指高温对混凝土力学性能的影响小（恰恰相反，相比钢材，高温下混凝土的力学性能退化更明显），而是指混凝土的导热能力低，能够很好地保护内部材料升温。

从受力角度讲，钢放外侧对构件抗弯刚度和承载力的贡献更大；因此，在不考虑其他因素影响的情况下， CFST柱的抗弯刚度和承载力高于相同材料用量的SRC柱。另外，用钢来包混凝土，可以给混凝土提供约束，即使混凝土最后碎成渣渣了，只要钢管不开裂，它还是会有一定的承载能力，对结构抗倒塌有利。钢放外侧也有一个缺点，就是钢管更容易发生局部屈曲，虽然混凝土可以防止钢管向内鼓曲，但无法阻止它向外鼓曲。为使钢管能够达到受压屈服强度，大部分规范都规定了钢管的径（宽）厚比限值。对于一些大尺寸钢管混凝土柱，钢管壁厚通常是由径（宽）厚比限值决定的，导致钢管材料性能没有得到充分利用。

钢包混凝土的另一个优点是施工方便，因为钢管可以作为混凝土浇筑的模板，免去了支模和拆模的工序。但实际上钢管里浇筑混凝土并不是一件容易的事情，超高层施工时，钢管的节段长度一般都在10m以上，管内混凝土振捣困难，如何保证混凝土的浇筑质量是对现场施工人员的一项重要考验。

3 型钢混凝土和钢管混凝土的再进化

混凝土包钢和钢包混凝土可继续升级成混凝土包钢再包混凝土和钢包混凝土再包钢，前者是钢管混凝土叠合（steel tube-reinforced concrete，STRC）柱，后者是中空夹层钢管混凝土（concrete-filled double-skin steel tube, CFDST）柱。

图3 钢管混凝土叠合柱

图4 中空夹层钢管混凝土柱

钢管混凝土叠合（STRC）柱也可以看成是由普通SRC柱升级而来；把SRC柱里的普通型钢替换成钢管，是不是就摇身变成STRC柱了呢？所以，STRC柱具有SRC柱的所有优点。除此之外，由于钢管能更有效地约束管内混凝土，因此在高轴压比下，STRC柱具有比SRC柱更好的延性。实际上，SRC柱中的型钢翼缘也能一定程度上约束翼缘内侧的混凝土（即下图中的深色部分），从这个意义上讲，SRC柱也可归类为混凝土包钢再包混凝土。

图5 型钢对混凝土的约束作用

再看中空夹层钢管混凝土（CFDST）柱。相比普通CFST柱，CFDST柱中间多了一根钢管，并且掏掉了内钢管里面的混凝土。因为截面中心的混凝土对构件抗弯能力的贡献很小，因此这样做可以保证在构件抗弯刚度和承载力基本不变的情况下，减轻构件的重量。另外，由于CFDST柱的钢不是全部在外围，它的抗火性能也会比CFST柱好。

但是，柱子截面中心的混凝土也不是一无是处的，当轴力水平比较高时，截面中心的混凝土是抵抗轴力的重要力量。因此，CFDST柱一般不适用于超高层结构中的柱子（因为我们本来就在想方设法提高它的轴压承载力），可能比较适合桥墩这类轴力水平比较低的构件。

如果不把CFDST柱内的核心混凝土掏掉，就是复合（或复式）钢管混凝土柱。它可以看成是在钢管混凝土柱里放置了钢管，道理和钢筋混凝土柱里放置钢管变成钢管混凝土叠合柱是一样的。

图6 复合钢管混凝土柱

如果把复合钢管混凝土柱的内钢管改成型钢，也是一类组合构件，原理同前，不再赘述。

图7 钢管-型钢混凝土组合柱

4 结语

如果没有新材料的出现，结构形式创新一定是往越来越复杂的方向发展的（为了生计，研究人员有时候不得不为了创新而创新）。但越复杂的东西不一定越先进，复杂意味着更多的人力和物力投入，只有复杂产生的效益超过复杂伴随的额外投入时，这种复杂化才有意义。所以，结构形式创新是否有意义还得由工程实践来检验。

当然，研究人员发明的组合柱不止文中提到的这些。上述组合柱的一个共同点是：组成组合柱的部件只有钢管、型钢和（钢筋）混凝土，且钢管都承受纵向应力。

参考文献：

Johnson, R. P. Composite structures of steel and concrete, third edition. Blackwell Publishing, 2004.蔡绍怀. 现代钢管混凝土结构(修订版). 人民交通出版社, 2007.

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