混凝土结构设计课程论文“钢管混凝土概述”.doc

精品钢管混凝土结构的力学性能及工程应用研究摘要：简要介绍了钢管混凝土结构的研究现状及国内外对钢管混凝土结构力学性能的研究现状及研究成果，对比了钢管混凝土结构与普通钢筋混凝土结构的优缺点，并举出典型工程实际应用的个案研究具体的钢管混凝土结构的特点以期促进钢管混凝土结构的应用与推广。关键词：钢管混凝土结构 ，力学性能 ，工程应用1. 引言 钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tube，简称CFT)是把混凝土灌入钢管中捣实以加大钢管的强度和刚度而形成的一种组合材料。它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，同时由于混凝土的存在，可以延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥。钢管混凝土由于其抗压强度高、自重轻、抗震性能突出、施工方便、外型美观和造价经济等优点，广泛应用于单层或多层工业厂房的结构柱、设备构架柱、各种支架和超高层建筑以及桥梁结构中。2. 国内外对钢管混凝土结构力学性能的研究现状及研究成果目前，钢管混凝土结构的应用很广泛，国内外学者对钢管混凝土进行了研究，取得了一些有意义的成果。近几十年来,国内外对钢管混凝土构件在静力作用下的力学性能进行了大量的试验研究和理论分析,取得了丰富的成果,基本都反映在各国的设计规范中。我国的研究者在大量试验研究和参数分析的基础上，建立了基于统一理论的钢管混凝土轴压构件、弯曲构件、偏压(压弯)构件等的设计方法和计算公式，并且在圆钢管、方钢管和矩形钢管混凝土构件方面都取得了相应的成果，已应用在电力规范(DL/T 50851999)、国家军用标准(GJB 41422000)和正在编制的矩形钢管混凝土结构设计规程之中。2.1、研究内容的逐步深入在掌握钢管混凝土基本力学陛能的基础上，近年来一些研究者对钢管混凝土的实用性能进行了更加细致的研究。主要体现在以下几个方面：从实际工况的角度上说，对钢管混凝土局部受压下的受力研究、钢管混凝土在长期荷载下的性能研究、钢管混凝土在抗火性能方面科技创新的研究及火灾后性能等。从材料性能的影响角度上说，对钢管应力及混凝土收缩、徐变等对钢管混凝土性能的影响。从具体应用角度上说，对钢管混凝土结构的制作安装、节点构造、设计方案、应用范围等所做的大量工作。另外，研究者也从工作机理上对钢管混凝土中钢管与混凝土的共同工作性能和界面间的粘结性能进行了研究。以上这些研究为进一步改善钢管混凝土的陛能提供了不同研究的角度，使得这种新型的结构形式在科学研究上和实际应用上会逐步成为一种成熟的结构体系。2、2国外学者对钢管混凝土的研究成果国外学者主要研究了钢管配筋混凝土结构的耐火极限及柱结构不采取防火保护措施的情况。研究者对圆形和方形截面的钢管混凝土结构在火灾下的力学性能进行了大量的理论分析和试验研究，并制定了各自的设计规程。由于钢管混凝土是一种新型结构，目前国内尚未制定该类结构防火方面的规定，不但制约了该结构的推广，而且对于已建成结构的耐火极限也缺乏必要的科学依据.有的按照钢筋混凝土结构的要求外包以混凝土，有的则按钢结构的要求涂以防火涂料。这样做虽然可能保证防火要求和结构的安全性,但大都偏于保守而造成浪费。3. 与普通钢筋混凝土结构相比有哪些优缺点3、1承载力上的区别普通混凝土的承载力要远远低于钢管混凝土。 主要是构件受压时，由于钢管和混凝土的泊松系数不同，随着荷载的增加，钢管由弹性工作状态进入塑性工作状态，其泊松系数由0.283增大到0.5后就保持不变；而混凝土的泊松系数大约由0.2增大到0.5以后仍继续增大。这时钢管始终对填入的混凝土产生紧箍力，这样钢管和混凝土都处在三向应力状态下工作，因而抗压强度和变形能力都得到极大的提高。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1.72.0倍。3、2延性上的对比如果是素混凝土梁，如图所示，只能承担非常弱的承载力，并且破坏形式如图中裂缝，一直从中间弯矩最大处开裂，属于脆性破坏。 而如果是钢管混凝土，将会承担大非常多的承载力，破坏形式属于延性破坏。 钢管混凝土轴向压缩到原长的23，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。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。3、3抗震性能上的区别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，钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。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，无刚度退化，且无下降段，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。3、4施工上的区别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。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“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。 3、5防火抗火性能钢管混凝土的耐火性比钢结构好，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，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，越到中心，温度越滞后，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3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1323甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多。3.5钢管混凝土结构存在的问题3.5.1结构构件的连接构造有不尽如人意之处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。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.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。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,尤其是对于小直径管，特别不便于施工。所以一般仅在大直径钢管混凝土中使用。3.5.2钢管构件的制作、安装要求具有一定难度和繁琐性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，也可以用滚床自行卷制钢管，但卷管的方向应与钢板压延方向垂直且对管的内径有一定的要求，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。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，特别注意焊接的顺序，考虑焊接变形的影响。在现场拼接时，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。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。3.5.3结构构件形式在质检及施工方法上存在弊端从混凝土浇灌方面讲，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。如采用高位抛落法施工，混凝土的配合比要求亦很严格。无论采用哪种方式施工，与普通钢筋混凝土结构施工相比都必须有更严密的施工组织管理，钢管混凝土柱管内混凝土的浇筑属于隐蔽工程，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。所以无论从质量检测还是完善施工质量都是较为费工的。4. 工程实际案例由于钢管混凝土结构具有一系列的优点,因此被广泛采用于多高层建筑、桥梁结构、地铁车站及各种重型、大跨的工业厂房以及高耸塔架等建筑物。钢管混凝土结构在国外应用已有近百年历史,20世纪初,美国就在一些单层和多层房屋中采用钢管混凝土柱。 4、1钢管混凝土结构在多层建筑中的应用 1984年在上海建成的基础公司特种基础研究所科研楼,地下2层,地上5层均为双跨钢管混凝土框架结构。边柱与中柱分别为令299与个35l的钢管混凝土柱,可见柱断面及结构占地面积均比钢筋混凝土框架柱为小。其后又陆续用于高层建筑的全部与部分主体结构中。例如1992年泉州市邮电局大厦,高87.5m,采用框架剪力墙结构,底部三层的框架柱采用的钢管混凝土柱。厦门信源大厦高96m,地下2层，地上28层。地下至20层的全部框架柱及2023层的四角柱采用了钢管混凝土。厦门埠康大厦,高86.5m,地上25层,其中12层采用了钢管混凝土柱。惠州嘉骏大厦28层,全部柱子采用钢管混凝土柱。惠州富绅商住楼28层,地下2层、地上3层全部柱子采用了钢管混凝土柱。这些高层建筑中采用钢管混凝土柱不仅节约材料、减轻自重、缩短工期,并且如果采用钢筋混凝土,柱断面尤其是底下数层柱的断面将会很大,结构占据了很大的使用面积,也给使用带来诸多不便。 4、2钢管混凝土结构在公共建筑中的应用 北京地铁车站站台柱。在北京地铁车站站台中广泛采用了钢管混凝土柱,不仅充分发挥了其优良的受力性能,也获得美好的景观,缩短了工期。首钢陶楼展览馆,全部柱子也采用了钢管混凝土柱。江西省体育馆的屋盖由跨度为88m的拱悬挂。拱采用箱形截面,分别用四根钢管置于箱形截面的四角,用角钢做腹杆组成了箱形截面拱。四角钢管中浇筑混凝土,以此箱形拱为依托,挂上模板,浇灌混凝土以形成钢筋混凝土箱形截面拱。这样解决了如此高大拱体现场浇筑混凝土的困难。充分体现了前述钢管可作为施工时承重骨架的优越性。这一结构,实际上是钢管混凝土与空腹桁架配钢的型钢混凝土结构的巧妙结合与新的发展。 4、3钢管混凝土结构除广泛应用于多高层民用建筑、公共建筑及工业厂房以及桥梁中外,也经常用于各种设备支架、塔架、通廊与仓库支柱等各种构筑物中。 因为这些平台或构筑物支架柱常为轴心受压或接近轴心受压,塔架等构架的杆件常常以轴力为主,因此用钢管混凝土柱受力合理,尤其对于室外的高度较高的塔架或仓库等,用圆形柱减小了受风面积,对承受风力是理想的断面形式。这些构筑物中比较典型的有江西德兴铜矿矿石贮仓柱。圆筒贮仓高达42m,包括矿石在内总重达16000t,采用了16根钢管混凝土柱支承。 华北电管局的微波塔于1988年建成,塔顶标高117m,塔身由20根令273mmX8mm无缝钢管内注C15混凝土的钢管辊凝土柱构成空心圆柱形结构。华东电力设计院1979年设计的500kV门式变电构架采用钢管混凝土A形柱,构架高27.5m,采用令420mmX 6mm的钢管,取得较好的经济效果。其他如吉林松胶终端塔,葛洲坝输电线路的变电构架也都采用了钢管混凝土柱。 5. 结语由于钢管混凝土的合理受力性能,施工简便,可加速工期并取得一定经济效果,因此已广泛用于各种建构筑物及桥梁工程。当然,根据其受力特点,主要用于以轴力为主尤其是以轴压为主的构件更显其优越性。由于工程中各种类型构件均有,受力复杂,因此使用时应根据构件受力特点,可与钢结构、钢筋混凝土结构及其他组合结构结合使用,使各自发挥本身的特长而不可勉强地一定采用某种单一的结构体系。 6. 参考文献1 刘力方 宗景美 谢运龙.钢管混凝土结构研究现状及发展趋势J.科技创新与应用，2012(07Z)：