鋼管混凝土的簡介

　　摘要：介紹了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀及其工程應(yīng)用，探討了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究方向。

　　關(guān)鍵詞：鋼管混凝土

　　近20年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)逐漸被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)尤其是在高層建筑結(jié)構(gòu)中，隨著建筑物高度的增加，鋼管高強(qiáng)混凝土和鋼管超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也將會得到快速的發(fā)展。一般的，我們把混凝土強(qiáng)度等級在c50以下的鋼管混凝土稱為普通鋼管混凝土；混凝土強(qiáng)度等級在c50以上的鋼管混凝土稱為鋼管高強(qiáng)混凝土；混凝土強(qiáng)度等級在c100以上的鋼管混凝土稱為鋼管超高強(qiáng)混凝土。

　　鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠更有效地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點(diǎn)。近年來，隨著理論研究的深入和新施工工藝的產(chǎn)生，工程應(yīng)用日益廣泛。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)按照截面形式的不同可以分為矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和多邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等，其中矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣。

　　1．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

　　眾所周知，混凝土的抗壓強(qiáng)度高。但抗彎能力很弱，而鋼材，特別是型鋼的抗彎能力強(qiáng)，具有良好的彈塑性，但在受壓時容易失穩(wěn)而喪失軸向抗壓能力。而鋼管混凝土在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度可成倍提高.同時由于混凝土的存在，提高了鋼管的剛度，兩者共同發(fā)揮作用，從而大大地提高了承載能力。鋼管混凝土作為一種新興的組合結(jié)構(gòu)，主要以軸心受壓和作用力偏心較小的受壓構(gòu)件為主，被廣泛使用于框架結(jié)構(gòu)中(如廠房和高層)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

　　1.1 承載力高、延性好，抗震性能優(yōu)越

　　鋼管混凝土柱中，鋼管對其內(nèi)部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度；鋼管內(nèi)部的混凝土又可以有效地防止鋼管發(fā)生局部屈曲。研究表明，鋼管混凝土柱的承載力高于相應(yīng)的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，?gòu)件的延性性能明顯改善，耗能能力大大提高，具有優(yōu)越的抗震性能。

　　塑性是指在靜載作用下的塑性變形能力。鋼管混凝土短柱軸心受壓試臉表明，試件壓縮到原長的2/3,縱向應(yīng)變達(dá)30%以上時，試件仍有承載力。剝?nèi)ヤ摴芎?，?nèi)部混凝土雖已有很大的鼓凸褶皺，但仍保持完整，并未松散，且仍有約5%的承載力，用錘敲擊后才粉碎脫落?？拐鹦阅苁侵冈趧雍奢d或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在這方面，鋼管混凝土構(gòu)件要比鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)得多。在壓彎反復(fù)荷載作用下，彎矩曲率滯回曲線表明，結(jié)構(gòu)的吸能性能特別好，無剛度退化，且無下降段，和不喪失局部穩(wěn)定性的鋼柱相同，但在一些建筑中，鋼柱常常要采用很厚的鋼板以確保局部穩(wěn)定性。但還常發(fā)生塑性彎曲后喪失局部穩(wěn)定。因此，鋼管混凝土柱的抗震性能也優(yōu)于鋼柱。

　　1.2 施工方便，工期大大縮短

　　鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時，鋼管可以做為勁性骨架承擔(dān)施工階段的施工荷載和結(jié)構(gòu)重量，施工不受混凝土養(yǎng)護(hù)時間的影響；由于鋼管混凝土內(nèi)部沒有鋼筋，便于混凝土的澆注和搗實(shí)；鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時，不需要模板，既節(jié)省了支模、拆模的材料和人工費(fèi)用，也節(jié)省了時間。

　　1.3 有利于鋼管的抗火和防火

　　由于鋼管內(nèi)填有混凝土，能吸收大量的熱能，因此遭受火災(zāi)時管柱截面溫度場的分布很不均勻，增加了柱子的耐火時間，減慢鋼柱的升溫速度，并且一旦鋼柱屈服，混凝土可以承受大部分的軸向荷載，防止結(jié)構(gòu)倒塌。組合梁的耐火能力也會提高，因?yàn)殇摿旱臏囟葧捻敳恳砭壈褵崃總鬟f給混凝土而降低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:達(dá)到一級耐火3小時要求和鋼柱相比可節(jié)約防火涂料1/3一2/3甚至更多，隨著鋼管直徑增大，節(jié)約涂料也越多。

　　1.4 耐腐蝕性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)

　　鋼管中澆注混凝土使鋼管的外露面積減少，受外界氣體腐蝕面積比鋼結(jié)構(gòu)少得多，抗腐和防腐所需費(fèi)用也比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省。鋼管混凝土構(gòu)件的截面形式對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能、施工難易程度、施工工期和工程造價(jià)都有很大的影響。圓鋼管混凝土受壓構(gòu)件借助于圓鋼管對其內(nèi)部混凝土有效的約束作用，使鋼管內(nèi)部的混凝土處于三向受壓狀態(tài)，使混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度。但是圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工難度大，施工成本較高。相比之下，方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工較為方便，但鋼管混凝土受到的約束作用較小，結(jié)構(gòu)的承載力較低。

　　1.5 施工方面

　　鋼管混凝土柱的零件較少，焊縫少，構(gòu)造簡單，柱腳常采用在棍凝土基礎(chǔ)上預(yù)留杯口的插人式柱腳，因而工廠制造比較簡單，同時構(gòu)件自重較小，運(yùn)輸和吊裝也較易，施工很簡便，而且鋼管餛凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在40m以內(nèi)，無論工廠焊接和現(xiàn)場進(jìn)行對接，都沒有什么困難。同時，與鑰筋混凝土柱相比，鋼管混凝土柱的外皮鋼管具有鋼筋的功能，兼有縱向鋼筋和橫向箍筋的作用，所以管內(nèi)沒鋼筋，省了鋼筋下料和綁扎鋼筋等一系列工藝，又由于柱外皮鋼管本身就是耐側(cè)壓的模板，同時也省了支模和拆模等工序。近年來，泵送磚相當(dāng)普遍，現(xiàn)場澆灌并無困難，我國創(chuàng)造并廣泛使用的高位拋落不振搗混凝土的施工方法，更簡化了現(xiàn)場灌混凝土的工序，簡便了施工。也有在管柱下部開臨時澆灌孔，用混凝土泵自下而上灌注混凝土的方法，既快，又保證澆灌質(zhì)量。而且，在澆筑后，鋼管內(nèi)處于相當(dāng)穩(wěn)定的濕度條件，水分不易蒸發(fā)，省去澆水養(yǎng)護(hù)工序，簡化了混凝土的養(yǎng)護(hù)工藝。

　　在鋼管構(gòu)件的制作、安裝要求方面:①鋼管混凝土柱用的鋼管，焊接、制作要求較高。一般應(yīng)優(yōu)先采用螺旋焊管，無螺旋焊接管時，也可以用滾床自行卷制鋼管，但卷管的方向應(yīng)與鋼板壓延方向垂直且對管的內(nèi)徑有一定的要求。焊接時除一般鋼結(jié)構(gòu)的制作要求外要嚴(yán)格保證管的平、直，不得有翹曲、表面銹蝕和沖擊痕跡。特別是它對鋼管內(nèi)壁的除銹要求?？赡軙黾愉摴艿闹谱髦芷冖谠跇?gòu)件制作過程中，鋼管的對接是一個難點(diǎn)。結(jié)構(gòu)要求焊后的管肢要平直，這就需要在焊接時采取相應(yīng)的措施和特別注意焊接的順序以及考慮到焊接變形的影響。管肢對接焊接前，對于小直徑鋼管應(yīng)采用點(diǎn)焊定位.對于大直徑鋼管應(yīng)另用附加鋼筋焊于鋼管外壁作臨時固定聯(lián)焊。在鋼管對接焊過程中，如發(fā)現(xiàn)點(diǎn)焊定位處的焊縫出現(xiàn)微裂縫，則該微裂縫部位必須全部鏟除重焊。為了確保聯(lián)接處的焊縫質(zhì)量，在現(xiàn)場拼接時，在管內(nèi)接縫處必須設(shè)置附加襯管。對于格構(gòu)式柱要求往的肢管和各種腹桿的組裝連接尺寸和角度必須準(zhǔn)確。特別是腹桿與肢管聯(lián)接處的間隙，應(yīng)采用自動切管機(jī)按照相接面管的直徑和角度切割成空間相交曲線的管端。如無自動切割機(jī)時應(yīng)按板金展開圖進(jìn)行放樣切割。在高層建筑中常常采用變徑的鋼管，變徑管的對接就又是一個施工難點(diǎn)，變徑處節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較為復(fù)雜，無疑會影響到施工的進(jìn)度。

　　2．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

　　20世紀(jì)60年代之前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究對象主要是圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。從60年代后半期以后，開始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。目前，圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，很多國家制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范或規(guī)程，如歐洲標(biāo)準(zhǔn)ec4（1996）、德國標(biāo)準(zhǔn)din18800（1997）、美國標(biāo)準(zhǔn)aci319－89、sslc（1979）和lrfd（1997）、日本標(biāo)準(zhǔn)aij（1980，1997）。在我國，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要集中在圓鋼管中填充素混凝土的內(nèi)填型圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，最早開展研究工作的是原中國科學(xué)院哈爾濱土建研究所。1968年以后，中國建筑科學(xué)研究院、冶金部冶金建筑科學(xué)研究院等單位也先后對鋼管混凝土基本構(gòu)件的工作性能、設(shè)計(jì)方法、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和施工技術(shù)等方面展開了系統(tǒng)的研究。進(jìn)入80年代后，研究工作進(jìn)一步深入，通過大量的試驗(yàn)研究和理論分析，對構(gòu)件的承載力和變形性能及其影響因素進(jìn)行了全面的研究，得到了實(shí)用的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。與此同時，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)也在迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出很多新的施工工藝和施工方法，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢得到了更加充分的發(fā)揮。近十幾年來，我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用都取得了令人矚目的成就。目前已經(jīng)先后有國家建材局、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會、國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會和解放軍總后勤部頒布發(fā)行了有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)程。為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種大型建筑工程和交通運(yùn)輸工程中。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在近十年的時間里得到了飛速的發(fā)展。

　　我國對于矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究工作開展得較晚，1985年鄭州工學(xué)院開始進(jìn)行方鋼管混凝土軸壓短柱的研究，其后同濟(jì)大學(xué)等單位也進(jìn)行了方鋼管混凝土構(gòu)件的研究，取得了一定的成果，而我國的矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工規(guī)程尚在制定中。

　　3．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

　　早在19世紀(jì)80年代，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就已經(jīng)出現(xiàn)。例如，1879年英國賽文（severn）鐵路橋的建造中采用了鋼管橋墩，在鋼管中灌了混凝土以防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。前蘇聯(lián)烏拉爾的伊謝特鐵路橋采用鋼管混凝土構(gòu)件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子，省鋼25％。1961年比利時建造船塢時，采用鋼管混凝土構(gòu)件做桁架的壓桿和立柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%。法國巴黎居民區(qū)的第一座摩天大樓采用了鋼管混凝土框架柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%。前蘇聯(lián)在一些吊車棧橋（跨度達(dá)48m）中采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，比全鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材12％－28％，降低造價(jià)28%，比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)省鋼9%，降低造價(jià)56%。日本、瑞士等國在輸電跨越塔中采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，也都取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

　　在20世紀(jì)60年代以前，由于鋼管內(nèi)澆注混凝土的施工工藝尚未得到很好的解決，現(xiàn)場的施工操作顯得繁瑣，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工性能方面的優(yōu)勢沒有得到應(yīng)有的發(fā)揮。到80年代后期，由于泵送混凝土工藝的發(fā)展，解決了現(xiàn)場鋼管內(nèi)部澆灌混凝土的工藝問題，加上現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土需要用鋼管約束來克服其脆性。因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在美國和澳大利亞等國的高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是高層建造技術(shù)的一次重大突破。

　　我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用已有近40年的歷史。1966年鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于北京地鐵車站工程，70年代又在單層工業(yè)廠房、重型構(gòu)架中得到了成功的應(yīng)用。近10年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成效地應(yīng)用，推動了建造技術(shù)的發(fā)展。在我國，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于以下的領(lǐng)域中。

　　3.1 高層建筑工程

　　在高層建筑結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土柱具有很大的優(yōu)勢：具有承載力高，抗震性能好的特點(diǎn)，既可以取代鋼筋混凝土柱，解決高層建筑結(jié)構(gòu)中普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部的“胖柱”問題和高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中柱的脆性破壞問題；也可以取代鋼結(jié)構(gòu)體系中的鋼柱，以減少鋼材用量，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。鋼管混凝土構(gòu)件的自重較輕，可以減小基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)，降低基礎(chǔ)的造價(jià)。全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”進(jìn)行施工，從而加快施工進(jìn)度；鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小，取材容易、價(jià)格低。其耐腐蝕和防火性能也優(yōu)于鋼柱。鋼管混凝土柱不易倒塌，即使損壞，修復(fù)和加固也比較容易。

　　3.2 大跨度橋梁工程

　　隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，需要建造能夠跨越江河、海灣和山谷的，安全、經(jīng)濟(jì)且輕盈美觀的大跨度橋梁。在我國，鋼管混凝土已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu)中，也開始應(yīng)用于斜拉橋結(jié)構(gòu)中。

　　在拱橋結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土構(gòu)件主要用來承受軸向壓力。拱橋的跨度很大時，拱肋將承受很大的軸向壓力，采用鋼管混凝土構(gòu)件是非常合理的。另外，鋼管可以做為橋梁安裝架設(shè)階段的勁性骨架和灌注混凝土的模板。因此，鋼管混凝土被認(rèn)為是建造大跨度拱橋的一種比較理想的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。自1990年在四川省旺蒼縣建成跨度為115米的我國第一座鋼管混凝土拱橋以來，在10來年的時間里，我國已經(jīng)建成了100多座鋼管混凝土拱橋，其中跨度在100米以上的就有30多座，尤其是重慶市萬縣長江公路大橋，跨度達(dá)到420米，一跨過江。經(jīng)過多年的實(shí)踐，我國在鋼管混凝土拱橋建設(shè)上已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術(shù)。

　　近年來，在斜拉橋和梁式橋中也開始采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，同樣取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。例如，廣東南海市紫洞大橋、湖北秭歸縣向家壩大橋和四川萬縣萬洲大橋都采用了鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)，減輕了結(jié)構(gòu)恒載，提了結(jié)構(gòu)承載力利用系數(shù)，同時采用與之相適應(yīng)的、合理的施工工藝，簡化了施工程序，減少了施工設(shè)備，加快了施工進(jìn)度，降低了工程造價(jià)。在對廣東南海市紫洞大橋主橋進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，主橋采用鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)與采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)方案相比較，可以節(jié)省混凝土44%，節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材62％，增加普通鋼材23％。加上施工設(shè)備、臨時設(shè)施和施工工期等方面的因素，主橋的經(jīng)濟(jì)效益就更為可觀。鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)適用于多種橋型，如系桿拱橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)等，推廣其應(yīng)用必將帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

　　3.3 地鐵車站工程

　　地鐵車站是我國最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程項(xiàng)目。早期的地鐵車站是深埋地下的多跨結(jié)構(gòu)，用明挖法施工；采用鋼管混凝土柱主要是利用其承載力高的特點(diǎn)，以減小柱子的截面尺寸，有效地利用空間。近年來，在城市中心地區(qū)修建的地鐵車站多為淺埋式的、具有綜合功能的多層地下建筑。采用蓋挖逆作法施工，以盡量減少對城市正常生活的干擾以及對地面交通和鄰近建筑的影響。蓋挖逆作法，是先施工地下結(jié)構(gòu)的頂蓋，在頂蓋的保護(hù)下進(jìn)行開挖，按照從頂?shù)降椎捻樞蜻M(jìn)行施工。為此，必須在土方開挖前設(shè)置好頂蓋的中間支撐柱，鋼管混凝土柱將施工階段的臨時柱和結(jié)構(gòu)的永久柱合二為一，因此是最好的選擇。90年代以來，北京地鐵的復(fù)八線工程中，采用蓋挖逆作法建成了“天安門東站”、“大北窯站”和“永安里站”；在建中的南京地鐵的“三山街站”也是采用的蓋挖逆作法進(jìn)行施工。

　　3.4 單層和多層工業(yè)廠房柱

　　單層工業(yè)廠房的柱屬于偏心受壓構(gòu)件，為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，很多工程中的柱子設(shè)計(jì)?