钢管混凝土的应用和发展

1、.：.；钢管混凝土的运用和开展摘要 由于钢管混凝土具有承载力高,耐腐蚀,便于施工等一系列优点,它在土木工程中的运用越来越广泛,尤其在桥梁工程中的运用也越来越引起人们的兴趣与注重。本文就钢管混凝土的任务原理、计算实际、钢管混凝土的主要优缺陷以及一些新型钢管混凝土构造做了简要的论述。关键词 钢管混凝土；新型钢管混凝土构造；运用；开展近1 个多世纪以来,钢管混凝土这种组合资料的研讨不断深化,施工工艺大幅度改良,钢管混凝土在全世界范围内在房建、桥梁等工程中得到了大量的运用。据不完全统计,从1990 年到1994 年间已建和再建的钢管混凝土拱桥达20 多座1 ,到1997年已达40 多座2 ,到1998

2、 年那么已达60 多座,到目前为止,跨度不等的钢管混凝土拱桥已有200 多座。1钢管混凝土的任务原理钢管混凝土,英文简称CFST。它是约束混凝土的一种特例，是将高强混凝土灌入薄壁圆钢管内而构成的组合构造资料,利用在普通的任务形状下,2 种不同力学性能的资料产生相互作用,即紧箍力来协调任务。这里以工程中运用最多的也是最最典型的圆形钢管混凝土短柱为例来引见钢管混凝土的任务原理,如图1 (b) 所示。据有关文献引见3 ,钢材在弹性任务阶段,泊松比s 变化很小,在0. 25 0. 3 之间, 可以以为是常数。取s =0. 283 ;而混凝土的泊松比c 在受力过程中是不断变化的。由低应力形状下的0. 1

3、67 左右逐渐增大到0. 5 ,当接近破坏阶段时,由于混凝土内部纵向微裂痕的开展,将超越0. 5。对于钢管混凝土而言,在轴压力的作用下,c 逐渐增大,并且迅速地超越钢材的泊松比s 。当s =c 时,钢管和混凝土的径向变形一致,相互间没有紧箍力存在;当s c 时,此时钢管已进入塑性屈服阶段,相互间作用力只剩下粘结力。由于紧箍力的存在,使得钢管与混凝土处于三向受力形状,见图1(a) 。混凝土在图1 钢管混凝土三向受力形状三向压应力作用下,其任务性能发生了质的变化,不但提高了承载力,而且还增大了其极限压应变;在轴心压力作用下,薄壁钢管的承载力是极不稳定的,实验证明,钢管实践承载力往往是实际计算值的1

4、P31P5。当在钢管内浇筑混凝土并到达一定强度后,混凝土保证了薄壁钢管的部分稳定,反过来,钢管又约束混凝土的径向变形,使它处于三向受压应力形状,延缓了受压时的纵向开裂,从而提高了钢管混凝土构件的承载力。因此,钢管混凝土作为一种组合资料,具有独特的任务特性:弹性任务而塑性破坏,承载力高而极限紧缩变形大。其应力应变关系近似于钢材的性能。2 新型钢管混凝土构造由于钢管混凝土优越的性能，这些年钢管混凝土得到了飞速的法展，钢管混凝土构造得到了不断的丰富和改良，许多新型钢管混凝土构造不断涌现。例如：薄壁钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、FRP-混凝土-钢管组合柱、FRP约束钢管混凝土、钢管混凝土曲杆、钢管再

5、生混凝土、钢管高性能混凝土等。在曲线形空钢管内浇筑混凝土可构成钢管混凝土曲杆。与传统的直线形钢管混凝土类似,其同样可利用钢管和混凝土在受力过程中的相互作用,从而具有较高强度以及抗弯和抗变形才干。由于钢管混凝土曲杆外形美观,性能优越,因此在体育馆、机场航站楼、拱桥等大型构造中有着较为宽广的运用前景。 近年来，由于环保力度的加强，再生混凝土作为一种环保的再生资源再国内外得到了大量的研讨和运用。将再生混凝土灌入钢管构成钢管再生混凝土之后,使再生混凝土处于钢管的约束和维护之下,二者同样也存在相互作用。钢管再生混凝土构造可促进再生混凝土在土木建筑构造中的运用和开展,为废弃混凝土资源化提供一条有效的途径。

6、高性能混凝土(指高流态自密实混凝土)很适宜在钢管混凝土构造中运用,其在自重或少振捣的情况下就能自密实成形,对方便钢管混凝土的施工,保工程质量具有重要意义。钢管混凝土是推行和运用高强超高强混凝土最正确的构造方式之一。研讨结果阐明,钢管高性能混凝土的力学性能与钢管普通混凝土类似钢管普通混凝土构造的设计方法根本适用于钢管性能混凝土构造。此外,在钢管中还可灌注钢纤维混凝土、轻骨料混凝土等,但由于其与普通混凝土学性能的显著差别,导致将其灌入钢管所构成的组合构件的力学性能与钢管普通混凝土也存在较大异。目前对钢管高性能混凝土的研讨曾经比较深化,但对其他中心混凝土的钢管混凝土研讨得还比较少。3 钢管混凝土的主

7、要优点及问题钢管混凝土最初是运用在房建的立柱上。由于其承载才干高特别是抗压强度大的特点可以大大地减少构造的尺寸添加房屋的运用空间以及满足视觉美观的要求。但真正使这一构造方式大放光辉的还是在桥梁上，特别是钢管混凝土拱桥。3.1钢管混凝土的优点(1)中心混凝土处于三轴受压形状大大提高了混凝土的抗压强度。因此其承载才干大。钢管混凝土利用内填混凝土加强管壁的稳定性单一的钢构造方式很容易部分失稳,又利用钢管对中心混凝土的套箍作用,使钢管混凝土的优越性能得到充分发扬,具有很高的抗压强度和抗变形才干,非常适宜以受压为主的立柱和以偏心受压为主的拱桥。2施工快捷。施工时,钢管充任很好的模板,无需额外的脚手架和模

8、板,又起到劲性骨架的作用。另一方面,桥梁基坑开挖、根底与混凝土浇筑、钢管加工、吊杆制造、横梁和桥面板预制可同时进展,模块化程度高,节省了施工工期,与同等跨径的其它体系桥梁相比,可节省工期30 %以上。3经济效益好。有研讨统计数据：钢管混凝土柱比一样混凝土强度的钢筋混凝土柱节约混凝土50%以上,耗钢量略多或相等。与普通钢柱相比,钢管混凝土柱可节约钢材50%以上,造价也可降低。混凝土的强度越高,钢筋混凝土的造价越低,60钢筋混凝土的造价比40钢筋混凝土的造价降低15.2%。钢管超高强混凝土的造价比C60钢筋混凝土的造价降低28.8%；比C40钢筋混凝土的造价降低36.7%。混凝土强度越高,其钢管混

9、凝土的造价越低在钢管壁厚和钢材强度一样的前提下,混凝土强度为116MPa的钢管超高强混凝土的造价比30MPa、54MPa、83MPa的钢管混凝土分别降低了30.3%、18.7%和11.5%,横截面积分别减小了 54.9%、38.8%、21.5%。3.2钢管混凝土目前主要存在的问题虽然钢管混凝土开展很快,但是其设计实际,计算方法,规范制定等方面却比较落后,详细表达在以下几个方面:钢管混凝土的本构关系。由于钢管混凝土力学行为的复杂性,迄今尚未建立起比较完善的本构关系,特别是混凝土的本构关系,现有的本构关系虽然包括混凝土的弹性、弹塑性和屈服阶段,但大都以回归公式为主。钢管与混凝土各自的本构关系如何选

10、取,才干使二者的结合最优,缺乏研讨。(2) 由于中心混凝土的收缩,钢管混凝土拱肋中出现钢管与混凝土不密贴的景象。尤其是在拱顶。工程中常采用压浆或微膨胀混凝土来处理混凝土的收缩。但微膨胀混凝土的效果也缺乏细致的研讨。此外,有人以为在日照下钢管与混凝土会遭到温差的影响而出现空隙,以致使套箍力的发扬在工程界存在质疑。对于这个问标题前还缺乏深化的研讨。(3) 钢管混凝土的有限元计算实际缺乏一致性。基于现有的资料,未呈见过各种计算实际的比较。现有的计算模型有熊峰的钢管混凝土构造的矩阵位移法7 , 严志刚的3 节点钢管混凝土梁单元8 ,Hajjar 建立的三维钢管混凝土单元9 ,王小岗提出的三维退化层合曲

11、梁单元10 等。这些模型各有优缺陷。(4) 钢管混凝土桁架节点与柔性吊杆的疲劳问题,研讨不够深化。(5) 设计规范。随着钢管混凝土拱桥的不断开展,对其专门规范的制定要求更加迫切。当前存在于设计、制造、施工之间的并影响到业主、监理判别和裁定的一些不协调问题,既需求实际上的支持,实际中的检验,更需求规范的量定。4 钢管混凝土的计算实际自从发现套箍混凝土比普通构造的混凝土承载才干有较大提高以来,国内外均开展了对这方面的系统研讨,获得了丰盛的成果,出版、发表了大量的专著、论文,钢管混凝土那么是其中比较突出的一种。虽然如此,目前对钢管混凝土仍存在许多不同的观念,实际研讨仍不完善,如钢管混凝土本构关系,特

12、别是处于三向受压形状的中心混凝土本构关系。即使是最根本的钢管混凝土短柱试件,如钢管混凝土短柱的长细比值,钢管的纵向应变与中心混凝土的纵向应变不协调一致等尚未获得一致看法34 。钢管混凝土构造力学性能的研讨方法很多34 ,主要区别在于如何估算钢管和中心混凝土之间的相互约束而产生的“效应,从而比较真实地反映钢管混凝土构造实践的承载力。根据对钢管混凝土组合构造了解的不同,目前主要有2 种分析方法:一种以为钢管混凝土是由钢管和混凝土2 种不同资料组成的组合构造4 ,思索钢管对混凝土的套箍作用,利用极限平衡原理导出相应的计算公式,该方法的优点在于避开了复杂的弹塑性阶段,无需确定资料的本构关系,直接根据构

13、造处于极限形状时的平衡条件计算出极限形状的荷载数值。由于钢管混凝土构造的受力途径非常复杂,所以导出的公式大多数是半实际半阅历的;另一种以为钢管混凝土是一个构造,经过测定钢管和混凝土准确的本构关系,利用屈服准那么,采用增量法逐渐计算出钢管混凝土构造的荷载- 位移曲线,在此根底上确定各种力学目的,公式以回归居多。由于在本构关系中曾经思索了套箍效应,故其力学目的中也曾经包含了套箍效应的影响。上述实际已分别为国内有些部委所采用,并编制了相应的规范或规程。5 钢管混凝土在我国工程中的运用实例 随着钢管混凝土研讨的不断深化， 钢管混凝土在实践工程中的运用范围也在不断扩展， 涉及了高层建筑，桥梁工程等许多领

14、域。5.1高层建筑 在高层建筑中运用钢管混凝土柱有其特殊的优点。用钢管混凝土柱替代普通钢筋混凝土柱，可使柱截面大大减少，提高抗震性能，方便施工；利用钢管混凝土柱替代钢构造中的钢柱，可以减少用钢量，加强构造刚度。广州的好世界广场大厦 33层，图 2a，新中国大厦54层，图 2b，合银大厦62层，图2c，深圳的赛格广场(72 层，图 2d 等大型高层建筑， 都以不同方式采用钢管混凝土柱，部分还将其构成内框筒或用于逆作法建造多层地下室，在经济及技术上都获得不错的效果。图2 采用钢管混凝土柱的高层建筑5.2 桥梁构造 钢管混凝土技术不仅运用于高层建筑构造，它在桥梁建立发面也发扬出了优势。钢管混凝土是高

15、强轻质且便于施工的高效构造资料，它突出的优点处理了桥梁构造所要求的用料省、安装分量轻、施工简便、承载力大等诸多矛盾。钢管混凝土已被公以为建造大跨度拱桥的一种比较理想的构造资料。最著名的四川万县长江大桥，为劲性骨架钢管混凝土下承式拱桥，设计桥长814米，桥拱净跨420米，桥面距江面高140米，单孔跨江，无水下根底，跨度雄居世界同类桥梁首位。主拱圈采用钢管与劲性骨架组合的钢筋混凝土箱形截面，采用缆索吊装和悬臂扣挂的方法施工。桥宽24m，按正线高速公路四车道设计。还有正在建的重庆巫峡长江大桥(中承式肋拱) ,主跨到达460m ,将再次刷新拱桥跨度的世界纪录。如下表列出了部分钢管混凝土拱桥简表。表格1

16、 部分钢管混凝土拱桥汇总参考文献1 罗世勋,谢邦珠. 当代四川公路桥梁(续集19871995)M . 成都:四川科学技术,199612 陈宝春. 钢管混凝土拱桥开展综述J . 桥梁建立,1997 ,(2) :8 - 1213 钟善桐. 钢管混凝土构造(第3 版) M . 北京:清华大学,200314 蔡绍怀. 现代钢管混凝土构造M . 北京:人民交通出5蔡绍怀 我国钢管混凝土构造技术的最新进展， 土木工程学报，19996肖建庄,孙振平,李佳彬,等.废弃混凝土破碎及再生工艺研讨.建筑技术,2005,36(2):141-1447 熊峰,等.钢管混凝土拱构造计算的矩阵位移法J . 西南交通大学学报,2002 , (5) :480 - 48318 严志刚,王德军,盛洪飞. 钢管混凝土三维非线性梁单元的研讨与运用J . 哈尔滨工业大学学报,2003 , (3) :334 -