浅谈钢管混凝土结构.doc

浅谈钢管混凝土结构（中国石油大学储建学院结构工程，山东 青岛 266555）摘 要：钢管混凝土结构具有承载力、高塑性和韧性好、施工方便、耐火性能好及经济效益显著等显著的优点。近年来在国内外的研究和应用取得了令人瞩目的成果。本文介绍了钢管混凝土结构的特点，论述了钢管混凝土在国内外的发展现状，探讨了钢管混凝土结构的发展前景。关键词：钢管混凝土结构 承载力 动力特性 刚度中图分类号：TD853.34 文献标识码：A 51、 前言钢管混凝土即在薄壁钢管内填充普通混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构。其利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于三向受压状态，使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能得到改善，同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点。总之，通过钢管和混凝土组合而成为钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的优点。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广泛。2、 钢管混凝土的发展概况 从1897年美国人John Lally 明在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑中的承重柱（称作Lally柱），钢管混凝土在工程应用中已经有上百年的历史。从八十年代末开始，钢管混凝土在我国的土木工程中的应用发展很快。基于国内外多年来的研究取得的丰硕成果，各国编制了相应的设计规程。这些规程中都包括对钢管混凝土构件承载力设计计算方面的条文。3、 钢管混凝土结构的工作机理与特点， 混凝土的抗压强度高，但抗弯、抗拉能力很弱，宜作为受压构件；而钢材，特别是型钢为各向同性材料，其抗弯、抗拉能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力，因而宜作为受拉构件。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可大幅度提高。同时由于混凝土的存在，为钢管结构提供支撑作用，从而提高了钢管的刚度，避免其丧失稳定性。总之，通过钢管和混凝土组合而成为钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的优点。 3.1、钢管混凝土的主要优点有： （1） 承载力高在受压状态下核心混凝土处于三向受压状态大大提高了混凝土的抗压强度。因而可以提高钢管混凝土强度，同事钢管利用其内部混凝土作为支撑增强了其稳定性，有对其内部混凝土起套箍作用，使钢管与混凝土的性能都得到了充分的发挥，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和，并具有很好变形能力，非常适宜做为抗压构件。 （2） 抗震性能优越抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在这方面，相对于脆性材料的混凝土，钢管混凝土构件有着无与伦比的有点。在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明，结构的吸能性能特别好，基本无刚度退化，与不丧失局部稳定性的钢柱相同。但在一些建筑中，钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性，但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。此外，高层建筑中和钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的自重大幅度减小，地震作用引起的地震反应也将减小。这将意味着结构构件截面尺寸的进一步减小。同时基础的负荷也相应减少，由此降低了基础造价。 （3）制作和 施工方便与一般钢结构构件相比，钢管混凝土的构件的制作一般比较简单。目前主要采用的是薄壁钢管，其做进行的现场拼接，焊接相对较为简单，便于操作。并减少运输和吊装的费用。在钢管混凝土结构施工时，钢管可以作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响。和钢筋混凝土柱相比，由于钢管本身就是耐侧压的模板，因此在浇灌混凝土时可以免去支模、拆模等工和料。钢管还是“钢筋”，它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。从施工过程看制作钢管远比制作钢筋骨架省工得多，而且便于浇灌。钢管本身就是劲性结构构件，在施工阶段可以起劲性钢骨架的作用，节省了许多支撑构件和脚手架，简化了施工安装工艺。 （4） 防火耐火性能好钢结构的耐火性能较差时这类结构安全的致命隐患。在火灾等高温影响下，刚构件由于软化承载能力急剧下降。而钢管混凝土由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，混凝土的导热系数低而比热大，使其升温软化过程滞后。即使管壁发生一定程度的软化仍可保持较高的承载力，使结构不至于突然破坏或坍塌。同样在火灾发生时，裸露的混凝土会发生崩裂现象，但在钢管混凝土中的核心混凝土由于钢管的保护作用而不会出现这种情况。正是由于钢管与混凝土的共同协同作用，是得钢管混凝土由于钢结构与混凝土结构，有着较好的耐火性能。 （5） 耐久性得到改善混凝土的耐久性是由于内部不密实而随着外界介质的侵入与混凝土内部组成物质的化学反应破坏了原有的结构，是材料性能下降。而在钢管混凝土结构中，在钢管的封闭状态下核心混凝土与外界侵蚀介质相隔绝，避免了发生不利化学反应从而耐久性得到改善。另一方面由于钢管内部填充了碱性的混凝土，其内壁与混凝土紧密相连，无需采用其他防腐措施，只需对钢管外部进行防腐处理，使得维护较为方便，并提高经济效益。 （6）经济效益好钢管混凝土由于具有较强的承载力，综合了刚才与混凝土的优点，克服了原有的不足，并能产生一些新的优异性能，大大扩展了其应用空间与领域。综合考虑材料、施工成本及维护保养费用，具有较好的经济效益。3.2 钢管混凝土的主要缺点有：尽管钢管混凝土结构的优点很多，其它自身的特性决定了它尚存在的一些弊端。 （1）使用范围有限从现已建成的众多建筑来看，钢管混凝土的使用范围还仅限于柱、桥墩、拱架等。目前还很少有使用钢管混凝土梁的先例。这是因为梁一般都做成矩形。而矩形的钢管混凝土受力比较复杂而且构造要求繁琐，经济效益不佳。 （2）钢管混凝土构件连接构造的缺点1)当钢管混凝土柱与混凝土梁连接时，就必须借助于柱上的牛腿和加强板。如果与柱连接的梁较多且不在同一标高时，就会有许多的牛腿和加强板。如果采用明牛腿可能在美观上会受到影响。如果用暗牛腿，又会给浇灌混凝土带来不便，影响施工进度。2)当钢管混凝土柱与无梁盖连接时，尤其是采用升板法施工时，板与柱的连接构造是相当复杂的，会直接影响到施工的进度。3)为了能够充分发挥钢管混凝土的承载力，钢管混凝土的连接应尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上。常采用柱顶盖板、柱脚底板和层间隔板、穿心板等来实现。当然前提条件必须是应保证管内混凝土的密实，做到这一点也是不易的。横隔板和上、下柱的连接是比较繁琐的，尤其是对于小直径管，特别不便于施工。穿心板的制作也很麻烦，而且还会妨碍管内混凝土的浇注和振捣,一般仅在大直径钢管混凝土中使用。 （3）钢管构件的制作、安装具有一定难度和繁锁性1)钢管混凝土柱用的钢管，焊接、制作要求较高,一般应优先采用螺旋焊管，无螺旋焊接管时。焊接时除一般钢结构的制作要求外要严格保证管的平、直,不得有翘曲，表面锈蚀和冲击痕迹。特别是它对钢管内壁的除锈要求，可能会增加钢管的制作周期。显然在制作难度上也较普通钢结构高。2)在构件制作过程中，钢管的对接是一个难点。结构要求焊后的管肢要平直，这就需要在焊接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响。管肢对接焊接前，对于小直径钢管应采用点焊定位，对于大直径钢管应另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定联焊。在钢管对接焊接过程中，如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝，则该微裂缝部位必须全部铲除重焊。为了确保联接处的焊缝质量，在现场拼按时，在管内接缝处必须设置附加衬管。对于格构式柱要求柱的肢管和各种腹杆的组装连接尺寸和角度必须准确。特别是腹杆与肢管联接处的间隙应采用自动切管机按照相接面管的直径和角度切割成空间相交曲线的管端。在高层建筑中常常采用变径的钢管，变径管的对接就又是一个施工难点，变径处节点构造较为复杂，无疑会影响到施工的进度。（4） 从质量检查及施工方法上看，这种结构构件形式也是存在弊端的1)钢管混凝土柱管内混凝土的浇注属于隐蔽工程，混凝土的浇灌质量是无法直观检查的。当采用人工浇灌并振捣时，只能依靠操作人员的责任心和严密的施工组织管理来保证施工质量。如果超声脉冲检测发现有不密实部位，就得将钢管钻孔压浆补强，然后再将钻孔补焊封固。所以无论从质量检测还是完善施工质量都是较为费工的。2)从混凝土浇灌方面看，如果采用泵送顶升法，施工就必须有与之配套的泵及输送设备，而且对粗骨料的粒径、水灰比、坍落度要求比较严格。采用高位抛落法施工，混凝土的配合比要求亦很严格。必须先进行配合比实验来确定水灰比，然后才可以正式浇注。因此，无论采用哪种方式施工，都必须有严密的施工组织管理。3.3 尽管钢管混凝土发展很快，但是其设计理论，计算方法，规范制定等方面却比较落后，具体体现在以下几个方面：（1）钢管混凝土的本构关系。由于钢管混凝土力学行为的复杂性，迄今尚未建立起比较完善的本构关系，特别是混凝土的本构关系，现有的本构关系虽然包括混凝土的弹性、弹塑性和屈服阶段，但大都以回归公式为主。钢管与混凝土各自的本构关系如何选取，才能使二者的结合最优，缺乏研究。（2）由于核心混凝土的收缩，钢管混凝土拱肋中出现钢管与混凝土不密贴的现象。尤其是在拱顶。工程中常采用压浆或微膨胀混凝土来解决混凝土的收缩。但微膨胀混凝土的效果也缺乏细致的研究。此外，有人认为在日照下钢管与混凝土会受到温差的影响而出现空隙，以致使套箍力的发挥在工程界存在质疑。对于这个问题目前还缺乏深入的研究。（3）钢管混凝土的有限元计算理论缺乏统一性。基于现有的资料，未呈见过各种计算理论的比较。（4）钢管混凝土桁架节点与柔性吊杆的疲劳问题，研究不够深入。（5）设计规范。随着钢管混凝土拱桥的不断发展，对其专门规范的制定要求更加迫切。当前存在于设计、制作、施工之间的并影响到业主、监理判断和裁定的一些不协调问题，既需要理论上的支持，实践中的检验，更需要规范的量定。4、 钢管混凝土结构的应用现状从l9世纪80年代开始，钢管混凝土结构就已经出现。例如，1879年英国赛文铁路桥的建筑中采用了钢管桥墩；前苏联乌拉尔的伊谢特铁路桥采用钢管混凝土构件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子；1961年比利时建造船坞时，采用钢管混凝土构件做桁架的压杆和立柱；法国巴黎居民区的第一座摩天大楼采用了钢管混凝土框架柱；前苏联在一些吊车栈桥(跨度达48m)中采用钢管混凝土结构；日本、瑞士等国在输电跨越塔中采用了钢管混凝土结构，都取得了显著的经济效益。在20世纪60年代后，由于泵送混凝土技术的发展，解决了现场钢管内部浇灌混凝土的技术问题，加上现代高强混凝土需要用钢管约束来克服其脆性，因此，钢管混凝土结构在美国和澳大利亚等国的高层建筑中得到了广泛应用，被认为是高层建造技术的一次重大突破。我国钢管混凝土结构技术的开发和应用已有近40年的历史。1966年钢管混凝土结构应用于北京地铁车站工程，70年代又在单层工业厂房、重型构架中得到了成功的应用。近l0年来，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了卓有成效地应用，推动了建造技术的发展。在我国，钢管混凝土结构主要应用于以下的领域中：（1）大跨度桥梁工程在我国，钢管混凝土已被广泛应用于拱桥结构中，也开始应用于斜拉桥结构中。在拱桥结构中，钢管混凝土主要用来承受轴向压力。拱桥的跨度很大时，拱肋将承受很大的压力，采用钢管混凝土构件是非常合理的。因此，钢管混凝土被认为是建造大跨度桥梁的一种比较理想的复合结构材料。（2）地铁车站工程地铁车站是我国最早采用钢管混凝土结构的工程项目。早期的地铁车站是深埋地下的多跨结构，用明挖法施工；采用钢管混凝土柱主要是利用其承载力高的特点，以减小柱子的截面尺寸，有效地利用空间。（3） 高层建筑工程在高层建筑结构中，钢管混凝土柱具有很大的优势：具有承载力高，抗震性能好的特点，既可以取代钢筋混凝土柱，解决高层建筑结构中普通钢筋混凝土结构底部的“胖柱”问题和高强钢筋混凝土结构中柱的脆性破坏问题，也可以取代钢结构体系中的钢柱，以减少钢材用量，提高结构的抗侧移刚度。钢管混凝土构件的自重较轻，可以减小基础的负担。（4） 单层和多层工业厂房柱单层工业厂房的柱属于偏心受压构件，为了充分发挥钢管混凝土结构的特点，很多工程中的柱子设计成格构式组合柱，如双肢柱、三肢柱和四肢柱，把偏心弯转变为轴心力。与钢筋混凝土柱和普通钢柱相比，钢管混凝土组合柱显得特别轻巧，节约钢材，施工简便，且刚度好。单层工业厂房中采用钢管混凝土柱时，钢管中混凝土的浇注可以在全部主体结构安装完成后进行，所以大大缩短工期。5、 结语综上所述，与钢筋混凝土结构和钢结构相比，钢管混凝土结构是一种相对年轻的结构形式。但它突出优点更适合我国的国情，钢管混凝土能够适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而正被越来越广泛地应用于工业厂房、高层和超高层建筑、拱桥和地下结构中，并已取得良好的经济效益和建筑效果，是结构工程科学的一个重要发展方向。随着其理论研究的深入和完善，施工工艺的提高和高性能材料的应用，钢管混凝土也将继续广泛地用于各种建筑结构中。此外，近年来在多层、高层民用住宅建筑中也已开始采用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒(剪)结构体系，并且经济效益显著。尽管钢管混凝土结构在许多方面还存在着这样那样的弊端和问题，但是它的优点大大多于缺点，确实是其它结构形式所不及的。随着科技水平的不断提高及新材料的出现，我相信钢管