钢管混凝土论文 浅谈钢管混凝土结构.doc

浅谈钢管混凝土结构钢管混凝土的发展与应用钢管混凝土做为一种结构构件形式早在十九世纪八十年代就已经被人类设计应用。起初仅仅是用做桥墩, 然后随着科学技术水平的提高使它的应用范围得到了很大的扩展。在国内, 二十世纪六十年代开始了这种结构的研究并首先用于首都地铁工程中。七十年代以后, 在许多工业厂房, 高炉和锅炉构架以及输、变电塔架中均得到了广泛应用。特别是工业厂房, 钢铁企业的许多重工业厂房都采用了钢管混凝土结构。在一些厂房跨度很大, 柱子很高, 吊车起重量较大的结构中, 钢管砼的优越性就表现的更为明显。随着时代的发展, 科技的进步, 钢管混凝土结构在公路、城市拱桥以及高层建筑中都得到了广泛应用。1997 年10 月建成的四川万县长江大桥跨度达到了420m , 这在桥梁史上也是少见的。采用钢管混凝土柱建成的高层建筑也近二十座之多, 其中最高的深圳赛格广场大厦地下四层, 地上七十层, 高度为278.8m, 建筑面积达到了160000m2。是迄今为止全部采用钢管混凝土柱世界最高建筑。众所周知，混凝土的抗压强度高。但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，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。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，其抗压强度可成倍提高.同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中(如厂房和高层)。钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面：钢管混凝土在普通结构中应用的优点：（1）承载力大大提高钢管混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度；钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明，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。经有关专家实验和理论分析证明钢管混凝土受压构件强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和的1.7 2.0 倍。（2） 具有良好的塑性和抗震性能钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。 塑性是指在静载作用下的塑性变形能力。钢管混凝土短柱轴心受压试脸表明，试件压缩到原长的2/3,纵向应变达30%以上时，试件仍有承载力。据有关实验数据表明: 钢管混凝土轴向压缩到原长的2/ 3, 构件表面已褶曲, 但仍有一定的承载能力。可见塑性之好。在压弯剪循环荷载作用下, 水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满, 吸能能力很好, 基本无刚度退化, 抗震性能大大优越于钢筋混凝土结构。（3） 经济效果显著据有关数据表明, 和钢柱相比可节约钢材50%左右, 造价大幅度降低。和钢筋砼柱相比可节约混凝土70% 左右, 减轻自重70%, 节省模板100% , 而用钢量相等或略多。这一点在已建成的诸多建筑中得到了充分证明, 前苏联的河铁路桥与钢拱桥相比节约钢材52%, 降低造价20% 。大连造船厂船体装配车间采用钢管混凝柱与常规设计钢柱相比, 节省钢材56%。美国双联广场大厦比通常的钢框架结构节省钢材50% , 总造价降低30%。（4） 施工简单, 可以大大缩短工期钢管混凝土结构施工时，钢管可以做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；由于钢管混凝土内部没有钢筋，便于混凝土的浇注和捣实；钢管混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时间。 美国太平洋第一中心大厦建设速度达到了每周四层, 速度之快是其它结构无法相比的。该种结构形式和钢结构相比零件少, 焊缝短, 可以采用构造简单的插入式柱脚, 免去了复杂的柱脚构造。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。钢管还是螺旋钢筋, 它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。从施工过程讲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。在北方严寒地区, 还可以冬季安装空钢管组成的框架或构架。开春后再浇灌混凝土, 从而争取了时间, 加快了建设速度。钢管混凝土在高层建筑中应用的优点在高层建筑中, 与钢筋混凝土和钢结构相比钢管砼的优越性显得更为突出。（1） 钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高经实验证明, 抗压承载力为混凝土柱的一倍以上,同时抗剪承载力也比钢筋砼柱高许多。和钢柱相比,抗压承载力虽略低, 但却无局部失稳问题。而且钢管混凝土的塑性性能好, 防止了管内砼的脆性破坏。在高层建筑中可以做到不限制轴压比。（2） 扩大了使用空间由于钢管混凝土柱的承载力高, 不但柱子截面小, 而且还可以采用大柱网, 大空间的框架结构体系。经有关专家测算在高层建筑中采用钢管混凝土柱比采用钢筋混凝土结构增加使用面积3% 6% ,以深圳赛格广场大厦为例, 总建筑面积16 万平方米, 按5%计算就可以增加使用面积8000 平方米, 相当于多建出一个中型写字楼。（3） 柱子截面减小对结构抗震有利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。具有关资料分析, 高层建筑中采用钢管混凝土柱和钢梁等结构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少1/ 3 1/ 2, 地震作用可以减小一半, 相当于设防烈度下降一度。做为搞结构的人都明白这将意味着结构构件截面的再进一步减小。（4） 柱子截面减小, 降低了地基基础的造价采用钢筋混凝土的高层建筑, 其自重一般为1.5t/ m2 2t/ m2( 不包括基础) 而采用钢管混凝土柱钢梁结构时, 一般自重都小于1t/ m2, 在国外, 有低达0.5t/ m2 0.6t/ m2 的例子。显然, 和采用钢筋混凝土结构相比, 采用钢管混凝土柱可以减小地基上单位面积荷载25% 以上, 自然, 基础尺寸也相应减少,降低了基础工程造价。（5） 钢管混凝土柱的钢管较薄, 简化了施工在高层建筑和超高层建筑中采用钢管混凝土柱时, 钢管厚度一般不超过40mm, 而采用钢结构时, 需要的钢板厚度可达80 100mm 甚至更大。这样的厚板, 目前国内的产品质量保证率很低, 大部分需要国外进口。同时对厚板制作和对接焊接质量要求也很高, 特别是现场进行柱段对接焊接相当困难, 有时可能成为阻碍现场施工进度的一个复杂工序。（6） 钢管砼柱的耐火性能好由于钢管内灌有混凝土, 能吸收大量的热能, 因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀, 增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明: 达到一级耐火三小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/ 2 2/ 3 甚至更多, 随着钢管直径增大, 节约涂料也越多。（7） 可安全可靠地采用高强度混凝土近几看来, C60 混凝土的应用已较为普遍, C70和C80 甚至更高标号的混凝土也已能生产投入使用。据有关专家介绍为了防止高强混凝土构件( 指C60 以上的混凝土) 的脆性破坏, 箍筋率高达20%以上, 这样大的箍筋率将造成截面箍筋密布, 构造十分复杂, 增加了施工的难度。用钢管混凝土, 不但构造简捷, 施工方便且能达到防止高强混凝土脆性破坏的目的; 能够真正发挥高强混凝土的作用, 同时并不多费钢材。钢管混凝土结构的缺点尽管钢管混凝土结构的优点很多, 但是由于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） 从结构构件的连接构造上讲, 钢管混凝土结构也有许多缺点：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, 又会或多或少地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