杨博士专刊 | 赛格广场晃动问题之五（彩蛋：说说钢管混凝土脱粘）

上学时有问题想不清楚，去问老师：

老师，老师，钢的泊松比是0.3、混凝土的泊松比是0.2，那钢管混凝土受压时钢管和混凝土不是要脱开吗？核心混凝土怎么会三向受力呢？

老师看了我一眼，没回答，二十多年过去了，自己试着回答一下这个问题，挺有意思的。

钢管混凝土结构被广泛应用于桥梁和高层建筑中，钢管混凝土构件在实际应用中可能存在脱空、脱粘现象，如下图所示：

对钢管混凝土构件脱空、脱粘现象，有不少学者做了研究，主要成因可以大概总结如下：

1)  混凝土浇筑施工质量问题；

2)  混凝土收缩、徐变或温差；

3）钢管与混凝土泊松比差异。

要正确认识钢管混凝土构件脱空、脱粘现象，需要了解钢管混凝土构件的本构模型。由于钢管混凝土构件的外钢管与混凝土之间受力复杂，所以核心混凝土本构模型研究成果众多，大概可以分为如下三类：

1) 不考虑钢管套箍效应本构（过镇海模型为代表）；

2) 考虑钢管套箍效应本构（韩林海模型为代表）；

3) 钢管与混凝土统一理论本构（钟善桐模型为代表）。

（别总弄个老外的名字命名模型，中国学者在钢管混凝土领域的研究成果是走在世界前列的，其他很多领域也一样，“过镇海模型、韩林海模型、钟善桐模型”听着多好听。）

（钟善桐老师给我印象比较深的有三点：1、给研究生上《钢结构稳定》课时，全程写板书不看讲义；2、80多岁了，还骑个小自行车在校园里溜达；3、据说“统一理论”的一部分是证明了每天喝一两白酒相当于跑步1公里。那跑一次马拉松不是相当于喝了4瓶白酒啦？哈哈！）

外钢管本构模型相对核心混凝土要简单很多，单轴本构一般采用双线性（多线性）模型，复杂应力状态对应的屈服准则可以采用我们所熟悉的Mises或Tresca准则。另外，为应用于抗火分析与设计，核心混凝土和外钢管还应考虑温度效应建立本构模型。

《钢管混凝土混合结构技术标准》 GB/T 51446-2021附录A推荐核心混凝土采用考虑钢管套箍效应（约束效应系数）的本构模型（韩林海模型）；外钢管只给出了单轴双折线（滞回为多折线）本构模型，没有推荐复杂应力状态本构模型和屈服准则（这个应该问题不大，因为外钢管双向受力状态对竖向屈服强度的影响有限，且外钢管多数情况下处于弹性状态，此时弹性模量基本保持不变）。

韩林海、钟善桐1996年给出的圆钢管混凝土核心混凝土泊松比计算公式如下：

据此可以绘制出轴压应力/峰值应力与泊松比的关系曲线如下图所示：

通过上述分析，是不是能体会到钢管混凝土的核心混凝土何时会三向受力了？对圆钢管混凝土轴压构件而言，只有当轴压应力/峰值应力接近0.8倍时，核心混凝土才处于三向受力状态（0.72倍之前核心混凝土和外钢管可能已经脱粘，轴压应力需再增加一些才可能相互作用）。在此之前外钢管和核心混凝土处于基本无相互作用的单独受力状态。正常使用阶段，轴压应力/峰值应力是很难达到0.8倍的，所以钢管混凝土构件的脱粘现象也就变得自然和容易理解了。

1) 正常使用阶段，钢管混凝土构件的核心混凝土并非普遍处于三向受力状态，只有在接近极限承载力时（轴心受压时，轴压应力/峰值应力超过0.8倍），核心混凝土才处于三向受力状态；

2) 初始加载阶段，外钢管泊松比要大于核心混凝土泊松比，这是钢管混凝土构件在正常使用阶段出现脱粘现象的重要原因，不能一并归结为质量问题；

3) 外钢管与核心混凝土之间相互作用复杂，与抗震三水准设防目标对应，若实现更加细致的三阶段设计，应更加清晰与合理。

结束语：

别因为赛格广场晃了晃，就认为钢管混凝土结构出了什么大问题；也别因为钢管混凝土构件出现一些脱粘现象就大惊小怪。钢管混凝土结构好着呢，少为追求高度在超高层结构上面加桅杆就行了。