建筑工程钢管混凝土结构

钢管混凝土结构

1、/.、.

、刖a

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，它是将钢管结构和钢筋混凝土结构的优点结合在一起而发展起

来的新型结构。由于钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各

自的优点，同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点。钢管混凝土作为一种

结构构件形式最早在十九世纪八十年代被设计应用做桥墩，然后随着科学技术的

提高使它的应用范围得到了很大的扩展。从八十年代末开始，钢管混凝土在我国

的土建工程中的应用发展很快。近年来，随着理论研究的深入和新施工工艺的产

生，工程应用日益广泛。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、钢管混凝土结构的特点

,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。

钢管混凝土柱在荷载作用下的应力状态和应力路径是十分复杂的，仅以常用

的一种加载方式为例，对其受力、变形特点进行简单剖析。据有关大量实验表明，

如图I的一根钢管混凝土短试件在轴向力N作用下钢管和核心混凝土随着纵向压

精选文档

力的增加两者均产生较大的纵向应力和纵向应变，同时将产生横向变形。横向应

变与纵向应变的关系为ISs3S>1CC3C（式中的311分别为纵向、环

向应变，u为材料的泊松比，下标s,c分别代表钢管和核心混凝土）。在轴向力N

作用下钢管和核心性的变形是协调的，即3S3C。钢材的泊松S在弹性阶段

为一常数（0.283）,进入塑性阶段（应力达屈服点fy时）增大至0.5而保持不变。而混

凝土的横向变形系数c则为变数，可以从低应力时的0.17增加到0.5至1.0

甚

图1试件轴压时的内力状态

故1S1C,但C在很快赶上S,则S=C,而1S1C,随后C>S>1C1S。

这说明钢管混凝土在压力N作用下混凝土向外的横向变形大于钢管向外的横向

变形。钢管约束了碎，在钢管与混凝土之间产生了相互作用力P,称为紧箍力。

从而使钢管纵向和径向受压而环向受拉，混凝土则处于三向受压状态。这样一来

就大大提高了混凝土的抗压强度，同时塑性性能得到了很大的改善。在工作性质

精选文档

上起了质的变化。由原来的脆性材料转变为塑性材料，这一转变决定了钢管混凝

土这种结构形式的基本性质和特点。

2、1优点

2.1.1承载力高

钢管混凝土强度提高的原因，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

1.7〜2.0倍。

2.1.2延性好

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。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。

2.1.3抗震性能优越

精选文档

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。

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。据有关资料分析，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。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。

2.1.4施工方便

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。

2.1.5防火耐火性能好

精选文档

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1/3〜2/3甚至更多，随着

钢管直径增大，节约涂料也越多。

2.1.6耐腐蚀性强

钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少

得多，抗腐和防腐所需费用比钢结构节省。

2、2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。

2.2.1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。

2.2.2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,

精选文档

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。

2.2.3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

精选文档

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。

2.2.4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、钢管混凝土结构的技术经济评价

钢管混凝土结构由于自身的特点，使其在技术经济上优于其他结构。深圳赛

格广场大厦，柱子最大轴压达90000kN,截面为①1600X28,采用Q345钢材和C60

混凝土。若要设计成钢筋混凝土柱时，则为2200X2400,C60混凝土。由此可见，

用钢管混凝土柱代替钢筋混凝土柱时，柱子截面减少一半以上。事实上，该工程

由于采用了钢管混凝土柱，和采用钢筋混凝土柱时相比，节约了3000m2的使用

面积。此外，在此工程中，与钢筋混凝土柱相比，省去了大量混凝土并减轻自重

精选文档

60%以上，这除了增加有效使用面积，还对减轻基础负担十分有利。和钢柱相比，

虽然增加了一些自重，但柱子所占空间一般相差不大，而且耗钢量却可节约50%

以上。又如上海市人民广场大型地下停车场（二层）的400根柱子，用钢管混凝土

柱

比用钢筋混凝土柱每层节省有效面积160m2,两层共节省320m2。

随着高强混凝土的发展，C60在国内城市中以被较普遍使用，有些甚至已采

用C70或C80,从而提高了钢管混凝土柱的承载力，节约混凝土。但是高强混凝

土的强度虽得到提高，却增加了脆性，降低了结构的安全可靠性。钢管混凝土中

的核心混凝土处于三向压应力状态下，极大地改善了性能，防止发生脆性破坏，

即高强混凝土只有用于钢管混凝土柱，才能发挥高强混凝土的强度。钢管混凝土

结构与传统结构进行经济对比分析，在造价、耗材、施工等各方面的综合经济效

益显著。特别是钢管高强和超高强混凝土结构：同等承载力条件下，钢管混凝土

柱比普通混凝土柱节约混凝土在50%以上；几乎省去全部的模板，耗钢量略多或

约略相等。与普通钢柱相比可节约钢材约在50%以上，造价也可降低。

4、钢管混凝土结构的工作原理

钢材和混凝土在三向应力作用下的应力强度。与应变强度e问的关系，如

下图

所示：

oi—ei为钢材，0C—eC为混凝土。

精选文档

辆材的oiY关系1线il*土的acre关基*线

钢材曲线图中最上一条为单向受压时的关系曲线，下边的是三向应力状态异

号应力场时应力强度与应变强度的关系，可见在三向应力状态下，钢材的屈服强

度fy降低，而极限应变却增大，即强度下降，塑性变形能力增大。混凝土关系曲

线中，最下一根是单向受压时的应力应变关系，上部是有紧箍力时的应力应变关

系，可以看出，随着紧箍力的增大，混凝土的抗压强度提高，弹性模量也随之提

高，而且塑性变形能力也大大加强，当紧箍力大到一定程度，混凝土的应力应变

曲线甚至可能出现无下降段的现象，塑性变形能力将达到相当大的程度。综上所

述，用作受压构件的钢管混凝土由于钢管对混凝土的紧固作用使位的抗压强度大

大提高，而且还使混凝土的脆性向塑性转化，基本性能起了较大的变化；同时薄

壁钢管的承载力取决于薄壁的局部稳定，屈服强度常得不到充分的利用，用作钢

管混凝土时，内部存在混凝土，提高了薄壁钢管的局部稳定性，其屈服强度可得

到充分的利用。在钢管碎杆件中，两种材料能相互弥补对方的弱点，又能各自发

挥长处，因而是钢材与混凝土组合使用的理想方式。

5、钢管混凝土结构的抗震性能

精选文档

5.1钢管混凝土梁柱节点抗震性能研究

“节点”是钢管混凝土结构体系的核心部位，国内外专家学者提出了一些有

代表性的节点型式，并从构造型式、力学性能、工作机理方面进行了试验研究。

但真正对节点进行抗震性能方面的研究从20世纪90年代才开始。主要通过节点

核心区的工作性能、节点梁端的P-滞回曲线、节点区的剪力-剪切角智慧曲线

来分析节点的抗震性能。

国外专家Yoshimura等1991年进行了方钢管套箍钢筋混凝土短柱与钢梁组成

的梁柱节点的拟静力试验，钢管只起约束作用不直接承受纵向荷载，由于钢管的

存在，钢管混凝土短柱未发生剪切破坏，但由于纵筋的存在，钢管与混凝土之间

的约束效应变小，导致滞回曲线出现捏缩；1991年Yokoyama等进行了内加强环

式

方钢管混凝土柱和钢梁节点的拟静力试验，节点在转角很大时的承载力降低不

大,滞回曲线呈纺锤形，延性和耗能能力很好；1998年OhY.S.等对带有穿

过

钢管的T形加劲构件的方钢管混凝土梁柱节点进行了拟静力试验，试验结果表

明：由于T形加劲构件的存在，此种节点的延性很好，水平力与平水平位移的滞

回曲线饱满、稳定，具有良好的吸能能力。国内专家李至钧等1994年对5个钢

管

混凝土框架梁柱刚性抗震节点进行试验研究，试验结果表明此种节点抗震性能较

好；2001年向黎明等对钢管混凝土-钢筋混凝土梁节点的抗震性能进行试验研究，

试验结果表明：该节点有较好的抗震性能，轴力使节点的抗震性能降低。

5.2钢管混凝土框架结构体系抗震性能研究

钢管混凝土结构具有良好的承载力和抗震性能，推广使用范围越来越大。但

对于钢管混凝土框架结构体系的研究，尤其是对其抗震性能的研究还处于初始阶

精选文档

段。主要研究了框架体系的侧向力-位移滞回性能和框架恢复力特性。

国外专家Matsui等1985年对钢管混凝土单层框架进行了拟静力试验，试验结

果表明框架的滞回曲线饱满，没有明显的刚度退化现象，是非常好的抗震结构形

式；1993年Kawaguchi等对方钢管混凝土单层门式框架进行了拟静力试验，根据

试验曲线计算得到结构特征系数Ds值只是钢结构的一半左右，表明其抗震性能

优于钢框架。

我国学者马万福、张文福等1998年对钢管混凝土单层单跨框架动力性能进行

了研究，试验设计了8幅框架，试验以柱长细比和轴压比为主要参数，试验表明

钢管混凝土单层框架破坏时梁端和柱脚均出现塑性银，柱子属于压弯型破坏，试

件的侧向力和位移的滞回环很饱满，刚度退化缓慢，其耗能比随柱轴压比、长细

比的增大而增大，轴压比较大时，对耗能比的影响更显著；2000年房贞政对一双

层、单跨的钢管混凝土框架模型进行了拟动力抗震试验研究，试验表明结构在不

同地震波作用下反应差异较大，钢-混凝土组合楼盖的钢管混凝土框架刚度大、

耗能大，整体抗震性能好；2001年黄襄云等对两层单跨钢管混凝土组合框架结构

抗震性能进行了一维拟动力、拟静力试验和静载全过程试验，试验研究表明框架

模型经历了不同地震波、不同加速度峰值的反复试验，发生一定程度的损伤，就

同一种激励波形而言，随着输入波加速度的提高，顶层位移反应、加速度反应均

不断加大，但是加速度反应、位移反应并非同时达到最大值，拟静力试验剪力

水平位移滞回曲线表明，随着钢管进入屈服阶段，结构的正向刚度有所降低，而

反向刚度变化不大，滞回环面积不断增大，卸载至零时逐渐有残余变形出现，且

变形值增加，静载破坏试验时，水平荷载一位移曲线进入屈服后，比较平坦，位移

曲线没有下降段，有效位移延性系数大于4,表明这种结构具有良好的变形延性

精选文档

和承载力。2002年李斌等对2根具有同一外形尺寸和用料的钢管混凝土单层单跨

框架进行了试验测试，研究了该类型结构的破坏形态、变形特点、荷载--位移滞

回模型和结构耗能比，分析了钢管混凝上框架的受力性能及抗震性能，试验结果

表明2根框架均为弯曲型破坏，体现了强柱弱梁的设计思想，其荷载一位移曲线呈

纺锤形，没有捏缩现象，耗能比明显高丁RC框架，增加20%〜30%,结构体系

的骨架曲线无下降段，呈现出较好的变形和耗能能力。

6、钢管混凝土结构的应用现状

从19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I0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

精选文档

于以下的领域中:

6.1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。

6.2地铁车站工程

地铁车站是我国最早采用钢管混凝