钢管混凝土适用范围与存在问题

1、钢管混凝土结构的适用范围与存在问题讨论摘要：钢管混凝土构件是指在钢管中填充混凝土而形成的组合构件。它是在型钢混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上发展起来的。由于它具备两种结构各自的材料特性和受力特性，所以具备很多优良特性，如承载力高、延性好，抗震性能优越；施工方便，工期大大缩短；有 利于钢管的抗火和防火； 耐腐蚀性能优于钢结构等。 钢管混凝土正广泛应用于高层建筑及大 跨度结构等。但是由于钢管混凝土是近几十年来才开始研究和发展起来，对于它的很多方面的理论和实践应用尚不清楚，所以存在诸多的问题。本文是主要针对他的特点论述钢管混凝 土的应用和使用范围，同时指出钢管混凝土目前存在及需要研究的一些问题。关键词

2、：钢管混凝土 结构特点性能应用研究Abstract: Concrete-filled steel tubular member is composite member which formed form con crete filled in the tube. It was developed on the basis of steel rein forced con crete and spiral rein forced con crete. For it has each kind of the struture 'sown material property and mech

3、a ni cal behavior, it has many advaneed characteristics, such as the high bearing capacity, good ductility, convenient con struct ion, good an tiseismicity, great shorte n con struct ion period. It is also highly favorable for fire resista nee and fireproofi ng. So the con crete-filled steel tube is

4、 applied extensively in high rise building and Iong-span structure. However, the concrete-filled steel tube was developed in recent years, it is not clear in many theories and practical applications of concrete-filled steel tube and it remains many problems to be solved. The thesis mainly states the

5、 applicable scope and applicati on of con crete-filled steel tube, mean while pointing out the exist ing problems and the problems required to be researched on it no wadays.Key words: c on crete-filled steel tube , structure, characteristic,property, applicatio n, research1弓I言 “钢管混凝土”是“钢管套箍混凝土”的简称。它

6、是由混凝土填人薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍混凝土的一种特殊形式。其基本原理是借助钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，能够充分发挥两种材料的优点， 使混凝土的强度、塑性和韧性大为改善，可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而使钢管混凝土具有强度高、重量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能和省工省料、架设轻 便、施工快速等优点。按截面形式的不同可以分为矩形截面、圆形截面和多边形截面钢管混凝土结构，其中圆形截面和矩形截面钢管混凝土结构应用较为广泛。正是由于钢管混凝土上述众多优点，目前广泛应用于高层建筑及大跨度结构等。2钢管与混凝土相互约束效应理论研究钢管混凝

7、土结构中钢管和混凝土在受力过程中的相互作用的关键问题在于估算钢管 和混凝土之间相互约束而产生的“效应”。这种效应的存在，形成了钢管混凝土构件的固有特性，从而导致了以“约束效应系数”为基本参数来描述钢管对其核心混凝土的约束的理论较为被大家接受，其表达式如下:AsfyAcfck式中：As , Ac分别代表钢材和混凝土的截面积；：为为钢管混凝土截面含钢率；fy为钢材屈服强度； fck 为混凝土抗压强度。对于某一特定的钢管混凝土截面，约束效应系数可 以反映出组成钢管混凝土截面的钢材和核心混凝土的几何特性和物理特性参数的影响。 约束 效应系数对钢管混凝土性能的影响主要表现在：约束效应系数与构件承载力近似

8、成线性关 系，极限应变、 弹性模量和变形模量、泊松比均随约束效应系数增加而增大，约束效应系数 越大，组合构件在受力过程中进入塑性变形阶段越晚。也就是说，以“约束效应系数”为基 本参数可较准确地描述钢管混凝土截面的 “组合作用效应” ，使进行钢管混凝土结构的设计 得到简化 2 。3 钢管混凝土结构的特点3.l 承载力高、延性好，抗震性能优越 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 管混凝土柱的抗压承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和，同时抗剪承载力也比钢筋混凝

9、土土柱高许多。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。据有关实验数据表明： 钢管混凝土轴向压缩到原长的 2 3，构件表面已摺曲， 但仍有定的承载能力。 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 3 ，抗震性能优于钢筋混凝土结构。3.2 施工方便，工期大大缩短 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。 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

10、土结构施工时， 不需要摸板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时 间。3.3 有利于钢管的抗火和防火 由于钢管内填有混凝土，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，减慢钢柱的升温速度， 并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承 受大部分的轴向荷载， 防止结构倒塌。 组合梁的耐火能力也会提高， 因为钢梁的温度会从顶 部翼缘把热量传递给混凝土而降低。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 l 323甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多 4 。3.4 耐腐蚀性能优于钢结构钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少， 受外界

11、气体腐蚀面积比钢结构少得多， 抗腐 和防腐所需费用也比钢结构节省。3.5 高强度混凝土得到应用近几年来，C60昆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C60以上的混凝土）的脆性破坏，箍筋率高达20以上，构造十分复杂，增加了施工的难度4 。用钢管混凝土，不但构造简捷，施工方便目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。4 钢管混凝土结构的应用由于钢管混凝土的以上特性，使得钢管混凝土的应用如雨后春笋。钢管混凝土主要应用 于轴心受压，作用力偏心较小的受压构件。就钢管混凝土的使用范

12、围而言，还仅限于柱、桥墩、拱架等。目前还很少有使用钢筋混凝土梁，这是因为梁一般做成矩形。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。4.1 钢管混凝土在高层建筑中的应用钢管混凝土在高层建筑工程中，主要是作为受压管柱的建筑构件使用，与钢梁和梁柱节 点等共同构成建筑物的框架结构体系。在高层建筑结构中，钢管混凝土柱具有很大的优势： 钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高， 相当于钢管和混凝土二者之和的 2 倍以上； 钢管混凝 土柱截面比钢筋混凝土柱可减少 60 以上，轮廓尺寸也比钢柱小，扩大了建筑物的使用空 间和面积；柱子截面减小，自重减小，有利于结构抗震，相当于设防烈度下降一级 , 可

13、以解 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；钢管混凝土构件的自重较轻，可以减小基础的负担， 降低基础的造价；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， 全部采用钢管混凝土 柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”进行施工，从而加快施工进度；钢管混凝土 柱的钢材厚度较小， 取材容易、 价格低； 其耐腐蚀和防火性能也优干钢柱； 钢管混凝土柱不 易倒塌，即使损坏，修复和加固也比较容易。4.2 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

14、式组合柱，如双肢柱、三肢柱和四肢柱，把偏心弯矩转变为轴心力。4.3 大跨度拱桥在拱桥结构中，钢管混凝土构件主要用来承受轴向压力。拱桥的跨度很大时，拱肋将承 受很大的轴向压力， 采用钢管混凝土构件是非常合理的。 另外， 钢管可以做为桥梁安装架设 阶段的劲性骨架和灌注混凝土的模板。 因此， 钢管混凝土被认为是建造大跨度拱桥的一种比 较理想的复合结构材料将钢管混凝土用于拱桥，符合拱桥建设中要求材料高强和拱圈无支架施工及轻型化的发 展方向。 钢管混凝土拱桥一般可分为两种： 一种是将钢管混凝土直接用作拱桥结构主要受力 部分， 同时也作为结构施工时的劲性架， 截面设计由前者控制； 另一种是先将钢管用于施工

15、 时的劲性骨架， 然后再内灌混凝土并与外包混凝土共同形成断面， 钢管混凝土参与拱桥成型 后的受力，截面设计以施工阶段控制。4.4 桥墩钢管混凝土运用于桥墩， 具有一般套箍混凝土的强度高， 延性好， 截面尺寸小，重量轻、 塑性好、施工简便、技术经济效益好、耐疲劳、耐冲击等许多独特的优点。另外对于高速、 重载是铁路运输发展的必然趋势， 列车高速、 平稳和安全行驶要求铁路桥梁具有足够大的刚 度（ 主要是横向刚度 ） ，而钢管混凝土结构刚度相对较大，可以减小桥梁的横向和纵向振动， 从而也为铁路桥梁墩柱的设计增添了一种选择。4.5 地铁车站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

16、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。近年来， 在城市中心地区修建的地铁车站多为浅埋式的、具有综 合功能的多层地下建筑， 采用盖挖逆作法施工。盖挖逆作法， 是先施工地下结构的顶盖，在 顶盖的保护下进行开挖， 按照从顶到底的顺序进行施工。 为此， 必须在土方开挖前设置好顶 盖的中间支撑柱， 钢管混凝土柱将施工阶段的临时柱和结构的永久柱合二为一， 因此是最好 的选择。另外也可用于隧道的初支， 浅埋暗挖法施工的地铁区间隧道初期支护体系常使用格栅拱 架承担围岩荷载， 然而这类钢拱架钢材用量大， 制作工艺复杂。 用钢

17、管混凝土拱架替代格栅 拱架不仅可以降低工程成本还能加快施工速度。以荷载一结构模型分析计算钢管混凝土拱 架，采用弹性中心法计算其截面内力。 对钢管混凝土拱架的设计计算以大偏心受压为主， 计 算结果表明： 钢管混凝土拱架在技术上是可行的， 在工程实例中钢管混凝土拱架的支护成本 仅为格栅拱架的一般多 5 。5 目前存在的问题以及研究发展的方向钢管混凝土固然有很多的优良特性，但是也存在一些缺点和问题。而且由于钢管混凝土 是近几十年来才发展起来的， 有很多理论还不完善， 在实践应用上也存在一些问题， 需要加 以探索和研究。5.1 高强钢管混凝土的力学性能近年来，国内外对高强钢管混凝土构件的研究表明：高强

18、钢管混凝土的力学性能与普通 钢管混凝土有所不同， 其设计不能套用普通钢管混凝土构件的设计公式。 而我国现行的钢管 混凝土设计施工规范和规程只适用于普通钢管混凝土结构， 因此必须加大高强钢管混凝土的 研究力度，尽快制定出相应的设计施工规范和观察。5.2 耐火性能的研究虽然钢管混凝土得的耐火性优于钢结构，但我国还没有制定针对钢管混凝土结构的防火 规定。在已建成的建筑结构中，有的按照钢筋混凝土结构的规范要求外包混凝土进行防火， 有的按照钢结构的规范要求表面刷防火涂料可粘防火材料进行防火， 这些方法虽然也可能保 证结构的防火要求， 但都相当保守， 因而造成不必要的浪费， 并且缺乏科学性和统一性，无 法

19、大范围推广 4 。因此钢管混凝土结构在火灾中及火灾后后的性能和强度的研究、钢管混 凝土防火设计规程的制定及防火设计方法的推广应加快步伐， 以利于统一设计思想， 明确设 计思路。5.3 抗震性能的研究有关文献对采用钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱的框架结构进行了抗震性能的对比试验研 究；并从理论上分析比较了两种结构的动力性能， 得出了钢管混凝土框架结构的抗震性能明 显优于钢筋混凝土框架结构的结论。 但目前对钢管混凝土结构抗震性能的研究， 主要还是集 中在基本构件方面， 而对于钢管混凝土整体结构的抗震性能的研究还不多。 应开展这方面充 分的研究，以提供合理的抗震设计参数，便于工程应用。5.4 初始应力对

20、承载能力的影响在高层建筑和超高层建筑中，常常需在安装了若干层的楼盖结构后，才向柱内灌注混凝 土， 因此，在形成钢管混凝土结构前，空钢管不可避免地承受施工阶段的荷载，从而在钢 管中产生了初始应力。 在钢管混凝土拱桥中， 采用无支架吊装、 转体施工法或少支架法架设 空钢管拱桥， 合拢后再逐根浇筑管内混凝土， 在形成钢管混凝土结构前， 在空钢管中也产生 了初始应力，而且这种初应力常常比较大。钢管初应力的存在缩短了钢管混凝土轴压构件的弹性阶段， 使构件提前进入弹塑性阶段， 并延长了构件弹塑性阶段。钢管混凝土柱的承载力分强度承载力和稳定承载力2个方面。钟善桐、 查晓雄等从理论和试验证明， 钢管初应力不影

21、响钢管混凝土的组合屈服点， 具有初应 力的轴心对受压构件的强度承载力影响不大。 对轴压构件的稳定承载力， 因组合切线模量的 改变而受到影响， 其影响最大的是刚刚进入弹塑性阶段的附近， 影响程度与含钢率、 初应力系数、构件长细比有关，最大影响可使承载力降低10以上 6钢管混凝土拱桥大都采用格构式截面， 钢管直径大， 且混凝土灌注因受到混凝土强度限 制，使最后一根灌注混凝土的钢管初应力很大， 该初应力必然降低了钢管混凝土构件的刚度， 对大跨度拱桥变形有多大影响，尚未见研究报道。目前研究的钢管初应力中均没有考虑混凝土收缩徐变引起的钢管应力增量。 此外，拱桥 因设置预拱度、 施工偏差等原因， 拱轴线与

22、压力线不可能重合， 在拱肋 （ 圈） 中必然产生附加 内力， 这种附加内力与钢管初应力耦合， 对钢管混凝土拱桥的极限承载力有多大影响， 值得 深入研究。5.5 拱桥中钢管混凝土存在的问题5.5.1 钢管混凝土拱桥构件脱空问题 与工民建厂房内的钢管混凝土柱不同，钢管混凝土拱桥构件处在大气中，直接承受阳光作用。在夏天钢管表面温度高达80 C，内部核心混凝土 50 C。钢管混凝土拱经过 510年，核心混凝土收缩、 徐变完成（相当于温降20 C ）。这2种情况共同作用，相当发生约70 C 温差，在大直径钢管中导致钢管和核心混凝土脱空（即钢管与核心混凝土分离 ），特别是在拱顶部位。 这种情况将使整个钢管

23、混凝土拱受力模式产生重大变化。钢管混凝土受轴压、 核心混凝土温度下降、外钢管温度上升等 3种因素都将引起脱空 7 。5.5.2 套箍力作用问题钢管混凝土的 “套箍作用” ，目前己有相当的理论和计算方法， 但这些方法多是针对建筑 结构提出的。对于拱桥结构的钢管混凝土，因为钢管混凝土“套箍作用”发生的条件是核心 混凝土的泊松比大于钢管的泊松比， 要达到这个条件， 核心混凝土必须有相当高的应力， 而 这在桥梁设计中是要极力避免的。 桥梁营运当中也是不能利用的， 因此此种效应只能作为一 种潜在的强度储备。5.5.3 侧向稳定问题 大跨度钢管混凝士拱桥在施工中，侧向稳定问题突出。很多桥例分析表明，在安装

24、吊杆及其横梁、 安装中部定位梁及行车道板预制件时， 中部行车道形成连续体系， 此时稳定安全 系数不到 3 ，而按一般的设计、施工经验，安全系数应大于4，因此，研究钢管混凝土拱桥施工期侧向稳定可靠度非常有必要。5.5.4 温度问题钢管混凝土拱桥一般为露天， 大气温度对钢管影响较快， 对核心混凝土影响较慢， 因此， 在太阳照射下或骤然降温时都会造成内外较大的温差。 从而产生较大的自应力。 另外， 钢管 混凝土拱桥不存在合拢温度，这是因为空钢管合拢时性能混凝土中掺人10 15 的硅粉可以有效地抑制碱一集料反应。 硅粉对碱一集料反应的抑制作用可能是降低渗透性和改变 孔结构， 特别是水泥石与骨料界面的结

25、构。 低渗透性是各种类型的碱一集料反应因水分不足 而无法进行。硅粉的有益作用还在于它能降低全部的CaO: SiO2。从水泥石中挤出的溶液分析表明，硅粉能迅速降低孔隙溶液中碱离子浓度，这样就使得碱活性集料无法与碱反应8 。5.6 节点力学性能及连接问题5.6.1 结构构件的连接构造的缺点a 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 接的梁较多目不在同标高时， 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。b 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

26、是相当复杂的 ,会直接影响到施工进度。c 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 传递到核心混凝士上。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 是必须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也是 比较繁琐的，尤其对于小直径管，特别不便于施工。5.6.2 节点性能问题9。由于目前节点的研究理论还不成熟，试验研究缺乏系统性，节点的计算模型不明确，还 没有形成一套完整的计算理论和设计方法， 只能靠设计人员的经验进行设计， 不利于整个结 构的可靠度， 可能造成浪费或安全隐患。 另外节点的设计选型较难， 有些节

27、点研究较为成熟， 节点刚度大，力学性能好，但材料用量大、施工复杂，如加强环式节点；也有些节点构 造简单、施工方便，但节点刚度小、力学性能稍差，如锚板式节点。当前推广钢管混凝土结 构的关键就是要研究出一种力学性能好、 传力又合理、 施工也方便而且节省材料的节点形式。这里建议设计人员在设计过程中要注重整体刚度，减少穿心构件5.7 结构动力性能研究 钢管混凝土结构动力性能研究中对双向压弯构件的研究较少，对整体结构的动力性能试 验更是鲜有涉及。 且动力性能研究主要以实验为主， 这不利于深入系统地了解动力荷载作用 下的结构性能。5.8 钢管混凝土中核心混凝土质量问题的控制和检测 目前还没有明确和可行的理论和方法，不过对于混