方钢管混凝土综述

1、方钢管混凝土综述【摘 要】 ：介绍了方钢管混凝土的定义和结构特点，以及其理论在国内外的发展。并举出实际工程例子来阐明其在建筑中广阔的应用前景， 同时也提出了方钢管混凝土结构存在的问 题。【关键词】 ：方钢管混凝土；承载力；稳定性；应用【 Abstract】 It Introducesthe definition and the featuresofsquare steel tubeconcrete structure,and its theory in the development of both at home and abroad.And givessome practicalengin

2、eeringexamplesto clarifyitsbroad applicationprospects in building,and has also put forward the existing problems in square steel tube concrete structure.0 引言伴随着人类的进步，科技的进步。人类建筑史上出现了一种新型的结构形式：钢管混凝土结构。 钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土基础上演变发展起来的 指在钢 管中填充混凝土而成的一种新型组合结构。钢管混凝土按截面形式分为圆钢管混凝土、矩形钢管混凝土、方钢管混凝土、多边形钢管混凝土等；

3、按材料组成分为普通钢管混凝土（核心混凝土强度等级为 C50 以下的素混凝土，外包普通钢管，简称钢管混凝土）、薄壁钢管混凝土（普通素混凝土外包薄壁钢管）、高强钢管混凝土（高性能混凝土外包钢管） 、钢管膨胀混凝土（钢管内填膨胀混凝土）、 钢管自应力混凝土、 增强钢管混凝土（钢管内填配筋混凝土或含有型钢的混凝土卜离心钢管混凝土（钢管内用离心法填充一层厚度为20 mm50 mm的C40 等级以上的混凝土而成型的空心钢管混凝土）等 12 。1 方钢管混凝土结构的特点所谓方钢管混凝土，是指用钢板或角钢拼焊而成的方形空钢管，其内充填混凝土而形成的一类组台构件。 它一方面通过钢管内混凝土的支撑作用防止钢管壁发

4、生向内屈曲， 提高了钢管壁的屈曲承载力； 另一方面通过四壁的钢板对内填混凝土提供侧向约束， 能提高混凝土的抗压强度。 因此两者的组合承载力大于两者独立承载力之和。 方钢管混凝土具有其独特的优势。 31.1 和传统的钢筋混凝土相比承载力高， 在保持截面形式相同的情况下， 方钢管混凝土柱的承载力明显高于普通钢筋混凝土柱。 质量轻， 在保持钢材用量相近和承载力相同的情况下， 构件的截面面积可以减小约一半，从而使得建筑物的使用面积得以增大，混凝土构件的自重相应减小约 50 。抗震性能 好， 方钢管混凝土在反复荷载作用下， 吸能性强， 刚度基本不退化， 延性性能好。 施工方便， 可以简化施工工艺，节省脚

5、手架用量、缩短工期，减少施工用地。1.2 和刚结构相比经济效益好，在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节约钢材50 ，焊接工作量可以大幅减少。 耐火性能好， 方钢管混凝柱由于管内有混凝土存在，可以吸收热量因而耐火时间比钢柱长。 动力性能优越， 在高层建筑中， 方钢管混凝土结构具有比钢结构优越的动力性能，能减轻风致摆动，增加居住人员的舒适感。1.3 和圆形钢管混凝土结构相比节点形式简单， 方形截面钢管混凝土结构构件之间的交贯线在一个平面内， 节点形式简单便于加工，可节约人工费用降低工程造价。截面惯性矩大，稳定性能好，建筑布局灵活，方钢管混凝土柱承载力高， 可以采用大柱网， 提供较大的建筑空间，

6、 且自由分隔满足各种功能要求； 另外，采用方钢管混凝土结构更符合人们传统的审美观。施工更方便，方形钢管混凝土结构由于外形规则， 有利于梁柱连接， 克服了圆钢管混凝土结构由于截面形式特殊所带来的施工上的不便。2 方钢管混凝土理论在国内外的发展2.1 方钢管混凝土理论在国外的发展1907 年美国的 Lally 公司首次给出了钢管混凝土的承载力公式，前苏联在 20 世纪 30 年代开展了对钢管混凝土基本力学性能的试验研究。A A Gvozdev教授深刻阐述了钢管套箍混凝土的工作机理， 采用极限平衡法推导了钢管混凝土轴压短柱极限承受能力的理论计 算公式。 60 年代前后，钢管混凝土结构技术在苏联、西欧

7、、北美和日本等工业发达国家受到重视，并在多层建筑立交桥和特种结构工程中得以推广。60 年代以来， 国外学者对钢管混凝土的力学性能和设计方法进行了大量试验研究和理论分析，取得了丰硕成果，并在实际工程中得到广泛应用。在对钢管混凝土力学性能研究时，他们大多集中于承载力，并且大多集中于普通混凝土的研究，对应力一应变关系研究不多。80 年代后期由于先进的泵灌混凝土工艺的发展，解决了现场混凝土浇灌工艺问题，加之现代高强混凝土迅速发展， 因此被认为是高层建筑营造技术的一次突破。 国外对于钢管混凝土构件承载力计算编制了多种规范，如美国的混凝土协会编制的 ACI（1999 年），美国颁布的钢与混凝土组合柱设计规

8、范 AIJ（1997 年）45 ， JCI 319 89 ， LRFD（1994 年） ，英国的标准规范BS 5400 ，欧洲钢结构协会 （ECCS） 出版了组合结构规程及其说明 ，欧洲出版的 EC4（1996 年 ），德国指定的桥梁标准，日本建筑学会颁发的型钢混凝土结构计算标准 ，还有德国的 NI 88009（1997年）等。81 2 方钢管混凝土理论在国内的发展钢管混凝土结构技术在我国开发利用已有40 多年历史。我国最早开展对钢管混凝土基本理论研究的是中国科学院哈尔滨土木建筑研究所。 此后， 国内的哈尔滨建筑大学、 中国科学研究院、 苏州混凝土与水泥制品研究院、 北京地下铁道工程局及电力工

9、业部电力研究所等单位都先后对其应力一应变的设计方法、 节点构造和施工技术等开展了比较系统的研究， 并取得了可喜的成果。 1959 年原中国科学院土木建筑研究所最先开展了钢管混凝土基本性能的试验研究。 1970 年清华大学抗震抗爆工程研究室与北京地下铁道工程局合作，又对钢管混凝土短柱抗压性能进行了试验研究。 1980 年根据国家建设部科技发展计划，中国建筑科学研究院结构所、 哈尔滨建筑工程学院等单位为建立一套能满足设计要求的钢管混凝土结构计算理论和设计方法，开展了较为系统的试验研究。 1986 年中国钢结构协会组建了钢一混凝土组合结构协会， 并且每两年组织一次年会，年会学术交流活跃，研究内容深入

10、。目前国内关于钢管混凝土结构设计还没有国家标准， 但一些行业制定了相关设计规程， 主要有以下四种：国家建材总局编制的 JCJ 01 89（1989年）钢管混凝土设计与施工规程6 ，中国工程建设标准化协会编制的CECS28： 90（1992年）钢管混凝土设计及施工规程7 ，电力行业编制 DJ/T5085（1999 年）钢混凝土组合结构设计规程8 和国家军用标准GJB（2001 年）战时军港抢修早强型组合结构技术设计规范（以下简称GJB ）。目前钢一混凝土组合结构已被列入国家科技成果重点推广项目， 为进一步在实际工程中推广应用钢管混凝土创造了条件。特别在最近10 年在国家自然科学基金会和建设部、铁

11、道部、国家建材局等联合资助的钢管高强混凝土的项目都有很大成果。3 方钢管混凝土的应用20世纪6080年代钢管混凝土开始应用于工业与民用建筑。随着理论研究的深入、设计规程的颁布和其自身具有的优点， 钢管混凝土被越来越广泛地应用于单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种构架、支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、空间结构，近10年又被应用于桥梁结构、高层和超高层建筑中。特别是近23年，它被越来越多地应用于住宅建筑中，并取得了良好的经济效益和建筑效果。3.1 钢管混凝土在非住宅建筑中的应用特点20 世纪 60 年代，钢管混凝土开始应用于工业厂房 据统计， 到 l994 年我国就有上百个单

12、层、 多层厂房或构架柱工程采用钢管混凝土柱， 每根构件的造价与钢筋混凝土柱相当或有所降低， 但截面明显减少，施工周期缩短。 钢管混凝土厂房遍布全国各地，如上海三十一棉纺厂， 大连造船厂船体装配车间， 武昌造船厂和中华造船厂船体结构车间。 太原钢铁公司三炼钢连铸车间等。钢管混凝土在厂房中的应用迈出了其在实际工程中应用的第一步。近十几年， 钢管混凝土被广泛地应用于拱桥和空间桁架梁式桥梁结构中。 据不完全统计， 截止 l999 年，我国共建造钢管混凝土拱桥一百多座，钢管混凝土劲性骨架拱桥 l0 余座。与此同时，钢管混凝土在我国高层和超高层建筑中的应用发展很快，经历了由局部柱子采用，到大部分柱子采用，

13、 最后发展到全部柱子采用的过程。 其中深圳赛格广场大厦获得2000 年国家科技进步二等奖， 这是我国自行设计、 自己加工制造自己施工并全部采用国产钢材、 自行投资的第一个组合结构高层建筑。 钢管混凝土在桥梁及高层建筑中的应用迈出了其在实际工程中应用的第二步。近 l0 年，钢管混凝土被应用于叠合柱随着对钢管混凝土理论研究的深入和工程应用的日益广泛， 提高钢管混凝土的抗火性能和核心高强混凝土的脆性等问题成为迫切需要解决的问题。 目前， 解决这一问题主要有两种方法： 其一是通过在钢管内填充配筋混凝土或钢纤维混凝土来解决钢管混凝土的脆性问题， 通过在钢管外表面喷涂防火涂料来解决钢管混凝土的抗火问题；

14、其二是采用叠合柱。 叠合柱是将钢管混凝土布置在柱的核心 外面再包围灌浇一圈钢筋混凝土所形成的钢管、 管内素混凝土和管外钢筋混凝土三种材料组成的组合柱 叠合柱由于外包混凝土，所以其防火、 耐腐性较好， 同时， 因总轴力的大部分由核心内钢管混凝土承担，外围混凝土分担（按竖向刚度比分配）的轴压力小，因此轴压比也比较小，具有良好的延性。钢管混凝土在叠合柱中的应用迈出了其在实际工程中应用的第三步近年来， 采用方形钢管混凝土结构的高层建筑在国内外都得到了较快的发展。 在外国， 虽然方钢管混凝土结构在高层建筑中的应用起步较晚， 但发展势头迅猛。 例如位于我国深圳地王大厦，高度384m ，其四周框架柱为方钢管

15、混凝土构件；位于香港的香港中心大厦，地上70 层，地上建筑高度292m ，采用周边方钢管混凝土柱组成巨型结构体系；位于广州的新中国大厦，地上高度201.8m ，上部结构部分柱为带约束拉杆的方形钢管混凝土组合构件，核心筒地下室部分采用带约束拉杆异形（ T 形、 L 形）钢管混凝土组合构件；广州市的名汇商城和康王路的地下人防工程等均采用了方钢管混凝土柱作为其竖向受力构件。 在国外， 如日本东京新宿广场塔楼， 地上 31 层， 柱子全部采用方钢管混凝土构件； 位于东京的 shimizu超高层建筑，总计121 层，总高度550m ，采用了方形和矩形截面钢管混凝土柱、压型钢板轻型混凝土组合楼盖体系；此外

16、还有新大阪菲尼克斯威尔大厦和淀川六番馆等等。3.2 钢管混凝土在住宅中的应用特点及其应用一方面是因为钢结构自身具有科技含量较高， 利于环境保护， 且可再生利用等优点。 另一方面是由于我国钢产量大幅度增加， 世界钢产量日趋饱和， 钢材价格随之下降， 所以近年来我国开始大力推广钢结构， 鼓励采用钢结构。 建设部等部门也为此制定了加速推广建筑钢结构发展和应用的目标，确定“十五”期间以推广住宅钢结构为重点，力争在“十五”期间使我国建筑钢结构用钢量达到全国钢材总产量的 3 ，到 2015 年达到 6 住宅建筑历来居建筑业首位，所以在住宅建筑中推广钢结构势在必行。住宅钢结构，有低层、多层和高层之分 3 层

17、以下为低层， 9 层以下为多层， 9 层以上为高层，1012层又称小高层。住宅钢结构，考虑抗震要求，一般不宜超过 12层，同时又由于我国人口众多 土地资源相对不足， 城市住宅需求量迅速增长， 所以宜发展多层和小高层钢结构住宅，但在人口密度大的城市，仍然是以高层为主住宅钢结构，具有柱子用量少，室内有效使用空间大， 房屋空间布置灵活， 结构性能好等优点。 它所选择的结构体系一般是：56层以下，框架体系或中g架一支撑体系；6层以上，框架一支撑体系或框架一混凝土剪力墙（核心筒）体系；多层，大多采用双重体系。钢结构住宅采用的框架柱有H 型钢柱，钢管砼柱和钢骨砼柱，后两种为组合柱。在小高层建筑中，组合柱比

18、 H 型钢柱省钢，进而也就可以降低工程造价， 但是，钢骨砼柱的施工较钢管混凝土柱施工复杂， 因此，在住宅钢结构中推广钢管混凝土势在必行。4 钢管混凝土存在的问题 3（ 1 ）具有优越的抗震性能是钢管混凝土的重要特点，但目前国内外对钢管混凝土的动力性能研究基本上只限于试验研究， 尚没有提供可供规范使用的计算理论和设计公式； 而且对钢管混凝土徐变和疲劳性能的研究相对较少， 主要以试验研究为主， 由于尚缺乏合理的设计方法，在一定程度上制约了钢管混凝土在高层建筑和铁路桥梁等工程中的应用。 2） 2） 钢管混凝土作为一种新型结构 ，我国尚未制定有关钢管混凝土结构防火设计方面的规定，所以制约了该类结构的推

19、广应用 。对已建成的结构，无论是采用外包以混凝土还是涂以防火涂料保证防火要求和结构的安全性都是偏于保守且造成浪费的，缺乏科学性和统一性。 3） 钢管混凝土结构的梁柱节点一直是工程应用和研究的关注点。虽然目前的设计规程和不少研究者提出了一些节点形式， 但应尽快纳入设计规程， 为钢管混凝土的推广应用提供一定基础。 此外， 节点的动力性能作为结构设计中的关键， 施工的难点相对静力性能的研究较少。（ 4 ）由于普通钢管混凝土结构最主要的特点是高抗压承载力和良好的塑性、韧性，只能用作柱子，不宜用做受弯构件，故用途有限。（5） 钢管混凝土构件进行施工时，一般都是先安装空钢管结构，这时空钢管单独承受施工荷载

20、， 浇灌混凝土时又会在空钢管内产生动压力， 可能导致在钢管局部产生应力集中现象， 严重时可使钢管胀裂所以应对钢管混凝土施工力学问题进行深入系统的研究。以提供合理的施工工艺和预防措施。（ 6 ）随着建筑物的增高，建筑物的自重越来越大，为减轻柱子的截面尺寸以增加建筑物的使用面积， 高强混凝土在高层建筑中的应用势必不可避免。 钢管高强混凝土具有较好的延性，从而克服了高强混凝土延性和耗能能力差的缺点， 并能满足高层建筑的抗震设计要求。 因此，钢管高强混凝土力学性能的研究成为近年来钢管混凝土研究方面的热点 3 。 而我国现行的钢管混凝土设计规程， 只适用于普通钢管混凝土结构， 所以应加大对钢管高强混凝土

21、的研究力度，尽快制定出相应的设计规程。（ 7） 钢管混凝土在浇灌混凝土时，由于管径大，水泥、混凝土难以扩散水化热，使钢管中心的局部温度较大， 可引起温度应力， 温度应力对大管径钢管混凝土结构承载力的影响有待研究。5 总结和展望方钢管混凝土是一种更年轻的结构。但它却以其特殊优点越来越受到工程师的重视和青睐。随着研究的深入和相关规程的制定， 方钢管混凝土结构的应用范围必将进一步扩大， 为国家的建设发挥积极作用。 所以， 有必要对钢管混凝土做进一步的研究。 今后应该做好以下几个方面的工作：（1） 在防火设计方面， 要简化钢管混凝土防火极限的设计方法， 制定钢结构（钢管混凝土结构）住宅建筑的防火设计规范。只有这样，才能有助于推广钢管混凝土在住宅建筑中的应用。（2） 加强钢结构（钢管混凝土）住宅建筑在火灾后的残余力学性能评估与灾后的维修、 加固措施的研究。（3） 钢结构住宅的关键在于外墙板的价格、质量、防水、耐久性及接缝的处理等。目前虽然有的墙板各个方面性能比较好， 但价格较高， 开发商和住户无法接受， 所以暂时还无法大力推广。