钢管混凝土结构施工

钢管混凝土结构设计与施工近20年来来，钢管混凝凝土结构逐渐渐被应用于建建筑结构尤其其是在高层建建筑结构中，随随着建筑物高高度的增加，钢钢管高强混凝凝土和钢管超超高强混凝土土结构的应用用也将会得到到快速的发展展。一般的，我我们把混凝土土强度等级在在C50以下的钢管管混凝土称为为普通钢管混混凝土；混凝凝土强度等级级在C50以上的钢管管混凝土称为为钢管高强混混凝土；混凝凝土强度等级级在C100以上的钢管管混凝土称为为钢管超高强强混凝土。钢管混凝土结结构是由混凝凝土填入钢管管内而形成的的一种新型组组合结构。由由于钢管混凝凝土结构能够够更有效地发发挥钢材和混混凝土两种材材料各自的优优点，同时克克服了钢管结结构容易发生生局部屈曲的的缺点。近年年来，随着理理论研究的深深入和新施工工工艺的产生生，工程应用用日益广泛。钢钢管混凝土结结构按照截面面形式的不同同可以分为矩矩形钢管混凝凝土结构、圆圆钢管混凝土土结构和多边边形钢管混凝凝土结构等，其其中矩形钢管管混凝土结构构和圆钢管混混凝土结构应应用较广。1．钢管混凝土土结构的特点点众所周知，混凝凝土的抗压强强度高。但抗抗弯能力很弱弱，而钢材，特特别是型钢的的抗弯能力强强，具有良好好的弹塑性，但但在受压时容容易失稳而丧丧失轴向抗压压能力。而钢钢管混凝土在在结构上能够够将二者的优优点结合在一一起，可使混混凝土处于侧侧向受压状态态，其抗压强强度可成倍提提高.同时由于混混凝土的存在在，提高了钢钢管的刚度，两两者共同发挥挥作用，从而而大大地提高高了承载能力力。钢管混凝凝土作为一种种新兴的组合合结构，主要要以轴心受压压和作用力偏偏心较小的受受压构件为主主，被广泛使使用于框架结结构中(如厂房和高高层)。钢管混凝凝土结构的迅迅速发展是由由于它具有良良好的受力性性能和施工性性能，具体表表现为以下几几个方面：1.1承载力高高、延性好，抗抗震性能优越越钢管混凝土柱中中，钢管对其其内部混凝土土的约束作用用使混凝土处处于三向受压压状态，提高高了混凝土的的抗压强度；；钢管内部的的混凝土又可可以有效地防防止钢管发生生局部屈曲。研研究表明，钢钢管混凝土柱柱的承载力高高于相应的钢钢管柱承载力力和混凝土柱柱承载力之和和。钢管和混混凝土之间的的相互作用使使钢管内部混混凝土的破坏坏由脆性破坏坏转变为塑性性破坏，构件件的延性性能能明显改善，耗耗能能力大大大提高，具有有优越的抗震震性能。塑性是指在静载载作用下的塑塑性变形能力力。钢管混凝凝土短柱轴心心受压试脸表表明，试件压压缩到原长的的2/3,纵向应变达30%以上时，试试件仍有承载载力。剥去钢钢管后，内部部混凝土虽已已有很大的鼓鼓凸褶皱，但但仍保持完整整，并未松散散，且仍有约约5%的承载力，用用锤敲击后才才粉碎脱落。抗抗震性能是指指在动荷载或或地震作用下下，具有良好好的延性和吸吸能性。在这这方面，钢管管混凝土构件件要比钢筋混混凝土构件强强得多。在压压弯反复荷载载作用下，弯弯矩曲率滞回回曲线表明，结结构的吸能性性能特别好，无无刚度退化，且且无下降段，和和不丧失局部部稳定性的钢钢柱相同，但但在一些建筑筑中，钢柱常常常要采用很很厚的钢板以以确保局部稳稳定性。但还还常发生塑性性弯曲后丧失失局部稳定。因因此，钢管混混凝土柱的抗抗震性能也优优于钢柱。1.2施工方便便，工期大大大缩短钢管混凝土结构构施工时，钢钢管可以做为为劲性骨架承承担施工阶段段的施工荷载载和结构重量量，施工不受受混凝土养护护时间的影响响；由于钢管管混凝土内部部没有钢筋，便便于混凝土的的浇注和捣实实；钢管混凝凝土结构施工工时，不需要要模板，既节节省了支模、拆拆模的材料和和人工费用，也也节省了时间间。1.3有利于钢钢管的抗火和和防火由于钢管内填有有混凝土，能能吸收大量的的热能，因此此遭受火灾时时管柱截面温温度场的分布布很不均匀，增增加了柱子的的耐火时间，减减慢钢柱的升升温速度，并并且一旦钢柱柱屈服，混凝凝土可以承受受大部分的轴轴向荷载，防防止结构倒塌塌。组合梁的的耐火能力也也会提高，因因为钢梁的温温度会从顶部部翼缘把热量量传递给混凝凝土而降低。经经实验统计数数据表明:达到一级耐耐火3小时要求和和钢柱相比可可节约防火涂涂料1/3一2/3甚至更多，随随着钢管直径径增大，节约约涂料也越多多。1.4耐腐蚀性性能优于钢结结构钢管中浇注混凝凝土使钢管的的外露面积减减少，受外界界气体腐蚀面面积比钢结构构少得多，抗抗腐和防腐所所需费用也比比钢结构节省省。钢管混凝凝土构件的截截面形式对钢钢管混凝土结结构的受力性性能、施工难难易程度、施施工工期和工工程造价都有有很大的影响响。圆钢管混混凝土受压构构件借助于圆圆钢管对其内内部混凝土有有效的约束作作用，使钢管管内部的混凝凝土处于三向向受压状态，使使混凝土具有有更高的抗压压强度。但是是圆钢管混凝凝土结构的施施工难度大，施施工成本较高高。相比之下下，方钢管混混凝土结构的的施工较为方方便，但钢管管混凝土受到到的约束作用用较小，结构构的承载力较较低。1.5施工方面面钢管混凝土柱的的零件较少，焊焊缝少，构造造简单，柱脚脚常采用在棍棍凝土基础上上预留杯口的的插人式柱脚脚，因而工厂厂制造比较简简单，同时构构件自重较小小，运输和吊吊装也较易，施施工很简便，而而且钢管馄凝凝土柱采用板板材卷制，板板材厚度都不不大，一般在在40m以内，无论论工厂焊接和和现场进行对对接，都没有有什么困难。同同时，与钥筋筋混凝土柱相相比，钢管混混凝土柱的外外皮钢管具有有钢筋的功能能，兼有纵向向钢筋和横向向箍筋的作用用，所以管内内没钢筋，省省了钢筋下料料和绑扎钢筋筋等一系列工工艺，又由于于柱外皮钢管管本身就是耐耐侧压的模板板，同时也省省了支模和拆拆模等工序。近近年来，泵送送砖相当普遍遍，现场浇灌灌并无困难，我我国创造并广广泛使用的高高位抛落不振振捣混凝土的的施工方法，更更简化了现场场灌混凝土的的工序，简便便了施工。也也有在管柱下下部开临时浇浇灌孔，用混混凝土泵自下下而上灌注混混凝土的方法法，既快，又又保证浇灌质质量。而且，在在浇筑后，钢钢管内处于相相当稳定的湿湿度条件，水水分不易蒸发发，省去浇水水养护工序，简简化了混凝土土的养护工艺艺。在钢管构件的制制作、安装要要求方面:①钢管混凝土土柱用的钢管管，焊接、制制作要求较高高。一般应优优先采用螺旋旋焊管，无螺螺旋焊接管时时，也可以用用滚床自行卷卷制钢管，但但卷管的方向向应与钢板压压延方向垂直直且对管的内内径有一定的的要求。焊接接时除一般钢钢结构的制作作要求外要严严格保证管的的平、直，不不得有翘曲、表表面锈蚀和冲冲击痕迹。特特别是它对钢钢管内壁的除除锈要求。可可能会增加钢钢管的制作周周期;②在构件制作作过程中，钢钢管的对接是是一个难点。结结构要求焊后后的管肢要平平直，这就需需要在焊接时时采取相应的的措施和特别别注意焊接的的顺序以及考考虑到焊接变变形的影响。管管肢对接焊接接前，对于小小直径钢管应应采用点焊定定位.对于大直径径钢管应另用用附加钢筋焊焊于钢管外壁壁作临时固定定联焊。在钢钢管对接焊过过程中，如发发现点焊定位位处的焊缝出出现微裂缝，则则该微裂缝部部位必须全部部铲除重焊。为为了确保联接接处的焊缝质质量，在现场场拼接时，在在管内接缝处处必须设置附附加衬管。对对于格构式柱柱要求往的肢肢管和各种腹腹杆的组装连连接尺寸和角角度必须准确确。特别是腹腹杆与肢管联联接处的间隙隙，应采用自自动切管机按按照相接面管管的直径和角角度切割成空空间相交曲线线的管端。如如无自动切割割机时应按板板金展开图进进行放样切割割。在高层建建筑中常常采采用变径的钢钢管，变径管管的对接就又又是一个施工工难点，变径径处节点构造造较为复杂，无无疑会影响到到施工的进度度。2．钢管混凝土土结构的研究究现状20世纪60年年代之前，钢钢管混凝土结结构的研究对对象主要是圆圆钢管混凝土土结构。从60年代后半期期以后，开始始比较系统地地研究矩形钢钢管混凝土结结构。目前，圆圆钢管混凝土土结构的研究究已经取得了了丰硕的成果果，很多国家家制定了相应应的设计和施施工规范或规规程，如欧洲洲标准EC4（1996）、德国标标准DIN188800（1997）、美国标标准ACI3119－89、SSLC（1979）和LRFD（1997）、日本标标准AIJ（1980，1997）。在我国国，钢管混凝凝土结构的研研究主要集中中在圆钢管中中填充素混凝凝土的内填型型圆钢管混凝凝土结构，最最早开展研究究工作的是原原中国科学院院哈尔滨土建建研究所。1968年以后，中中国建筑科学学研究院、冶冶金部冶金建建筑科学研究究院等单位也也先后对钢管管混凝土基本本构件的工作作性能、设计计方法、节点点构造和施工工技术等方面面展开了系统统的研究。进进入80年代后，研研究工作进一一步深入，通通过大量的试试验研究和理理论分析，对对构件的承载载力和变形性性能及其影响响因素进行了了全面的研究究，得到了实实用的设计计计算公式。与与此同时，钢钢管混凝土结结构的施工技技术也在迅猛猛发展，涌现现出很多新的的施工工艺和和施工方法，钢钢管混凝土结结构的优势得得到了更加充充分的发挥。近近十几年来，我我国钢管混凝凝土结构的科科学研究和工工程应用都取取得了令人瞩瞩目的成就。目目前已经先后后有国家建材材局、中国工工程建设标准准化委员会、国国家经济贸易易委员会和解解放军总后勤勤部颁布发行行了有关钢管管混凝土结构构的设计规程程。为钢管混混凝土结构在在我国的推广广奠定了坚实实的基础，使使钢管混凝土土结构广泛应应用于各种大大型建筑工程程和交通运输输工程中。钢钢管混凝土结结构的应用在在近十年的时时间里得到了了飞速的发展展。我国对于矩形钢钢管混凝土结结构的研究工工作开展得较较晚，1985年郑州工学学院开始进行行方钢管混凝凝土轴压短柱柱的研究，其其后同济大学学等单位也进进行了方钢管管混凝土构件件的研究，取取得了一定的的成果，而我我国的矩形钢钢管混凝土结结构的设计施施工规程尚在在制定中。3．钢管混凝土土结构的工程程应用早在19世纪880年代，钢管管混凝土结构构就已经出现现。例如，1879年英国赛文文（severrn）铁路桥的的建造中采用用了钢管桥墩墩，在钢管中中灌了混凝土土以防止内部部锈蚀并承受受压力。前苏苏联乌拉尔的的伊谢特铁路路桥采用钢管管混凝土构件件做拱形桁架架的上弦和上上部建筑的柱柱子，省钢25％。1961年比利时建建造船坞时，采采用钢管混凝凝土构件做桁桁架的压杆和和立柱，比钢钢结构节省钢钢材40%。法国巴黎黎居民区的第第一座摩天大大楼采用了钢钢管混凝土框框架柱，比钢钢结构节省钢钢材40%。前苏联在在一些吊车栈栈桥（跨度达达48m）中采用钢钢管混凝土结结构，比全钢钢结构节省钢钢材12％－28％，降低造造价28%，比钢筋混混凝土结构省省钢9%，降低造价56%。日本、瑞瑞士等国在输输电跨越塔中中采用了钢管管混凝土结构构，也都取得得了显著的经经济效益。在20世纪600年代以前，由由于钢管内浇浇注混凝土的的施工工艺尚尚未得到很好好的解决，现现场的施工操操作显得繁琐琐，钢管混凝凝土结构在施施工性能方面面的优势没有有得到应有的的发挥。到80年代后期，由由于泵送混凝凝土工艺的发发展，解决了了现场钢管内内部浇灌混凝凝土的工艺问问题，加上现现代高强混凝凝土需要用钢钢管约束来克克服其脆性。因因此，钢管混混凝土结构在在美国和澳大大利亚等国的的高层建筑中中得到了广泛泛应用，被认认为是高层建建造技术的一一次重大突破破。我国钢管混凝土土结构技术的的开发和应用用已有近40年的历史。1966年钢管混凝凝土结构应用用于北京地铁铁车站工程，70年代又在单单层工业厂房房、重型构架架中得到了成成功的应用。近10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于以下的领域中。3.1高层建筑筑工程在高层建筑结构构中，钢管混混凝土柱具有有很大的优势势：具有承载载力高，抗震震性能好的特特点，既可以以取代钢筋混混凝土柱，解解决高层建筑筑结构中普通通钢筋混凝土土结构底部的的“胖柱”问题和高强强钢筋混凝土土结构中柱的的脆性破坏问问题；也可以以取代钢结构构体系中的钢钢柱，以减少少钢材用量，提提高结构的抗抗侧移刚度。钢钢管混凝土构构件的自重较较轻，可以减减小基础的负负担，降低基基础的造价。全全部采用钢管管混凝土柱的的工程可以采采用“全逆作法”或“半逆作法”进行施工，从从而加快施工工进度；钢管管混凝土柱的的钢材厚度较较小，取材容容易、价格低低。其耐腐蚀蚀和防火性能能也优于钢柱柱。钢管混凝凝土柱不易倒倒塌，即使损损坏，修复和和加固也比较较容易。3.2大跨度桥桥梁工程随着经济的迅速速发展，需要要建造能够跨跨越江河、海海湾和山谷的的，安全、经经济且轻盈美美观的大跨度度桥梁。在我我国，钢管混混凝土已经被被广泛地应用用于拱桥结构构中，也开始始应用于斜拉拉桥结构中。在拱桥结构中，钢钢管混凝土构构件主要用来来承受轴向压压力。拱桥的的跨度很大时时，拱肋将承承受很大的轴轴向压力，采采用钢管混凝凝土构件是非非常合理的。另另外，钢管可可以做为桥梁梁安装架设阶阶段的劲性骨骨架和灌注混混凝土的模板板。因此，钢钢管混凝土被被认为是建造造大跨度拱桥桥的一种比较较理想的复合合结构材料。自1990年在四川省旺苍县建成跨度为115米的我国第一座钢管混凝土拱桥以来，在10来年的时间里，我国已经建成了100多座钢管混凝土拱桥，其中跨度在100米以上的就有30多座，尤其是重庆市万县长江公路大桥，跨度达到420米，一跨过江。经过多年的实践，我国在钢管混凝土拱桥建设上已经积累了丰富的经验，形成了一套较为完整的钢管混凝土拱桥建造技术。近年来，在斜拉拉桥和梁式桥桥中也开始采采用钢管混凝凝土结构，同同样取得了良良好的经济效效益。例如，广广东南海市紫紫洞大桥、湖湖北秭归县向向家坝大桥和和四川万县万万洲大桥都采采用了钢管混混凝土空间桁桁架组合梁式式结构，减轻轻了结构恒载载，提了结构构承载力利用用系数，同时时采用与之相相适应的、合合理的施工工工艺，简化了了施工程序，减减少了施工设设备，加快了了施工进度，降降低了工程造造价。在对广广东南海市紫紫洞大桥主桥桥进行了技术术经济分析，主主桥采用钢管管混凝土空间间桁架组合梁梁式结构与采采用预应力混混凝土连续钢钢结构方案相相比较，可以以节省混凝土土44%，节省预应应力钢材62％，增加普普通钢材23％。加上施施工设备、临临时设施和施施工工期等方方面的因素，主主桥的经济效效益就更为可可观。钢管混混凝土空间桁桁架组合梁式式结构适用于于多种桥型，如如系杆拱桥结结构、特大跨跨径斜拉桥结结构、特大跨跨径悬索桥结结构等，推广广其应用必将将带来显著的的经济效益和和社会效益。3.3地铁车站站工程地铁车站是我国国最早采用钢钢管混凝土结结构的工程项项目。早期的的地铁车站是是深埋地下的的多跨结构，用用明挖法施工工；采用钢管管混凝土柱主主要是利用其其承载力高的的特点，以减减小柱子的截截面尺寸，有有效地利用空空间。近年来来，在城市中中心地区修建建的地铁车站站多为浅埋式式的、具有综综合功能的多多层地下建筑筑。采用盖挖挖逆作法施工工，以尽量减减少对城市正正常生活的干干扰以及对地地面交通和邻邻近建筑的影影响。盖挖逆逆作法，是先先施工地下结结构的顶盖，在在顶盖的保护护下进行开挖挖，按照从顶顶到底的顺序序进行施工。为为此，必须在在土方开挖前前设置好顶盖盖的中间支撑撑柱，钢管混混凝土柱将施施工阶段的临临时柱和结构构的永久柱合合二为一，因因此是最好的的选择。90年代以来，北北京地铁的复复八线工程中中，采用盖挖挖逆作法建成成了“天安门东站”、“大北窑站”和“永安里站”；在建中的的南京地铁的的“三山街站”也是采用的的盖挖逆作法法进行施工。3.4单层和多多层工业厂房房柱单层工业厂房的的柱属于偏心心受压构件，为为了充分发挥挥钢管混凝土土结构的特点点，很多工程程中的柱子设设计成格构式式组合柱，如如双肢柱、三三肢柱和四肢肢柱，把偏心心弯矩转变为为轴心力。如如1972年建成的本本溪钢铁公司司二炼钢轧辊辊钢锭模车间间采用了四肢肢柱；1980年建成的太太原钢铁公司司第一轧钢厂厂第二小型厂厂的下柱采用用双肢柱；1982年建成的吉吉林种籽处理理车间采用了了三肢柱；1980年建成的武武昌造船厂船船体结构车间间采用了四肢肢柱。与钢筋筋混凝土柱和和普通钢柱相相比，钢管混混凝土组合柱柱显得特别轻轻巧，节约钢钢材，施工简简便，同时刚刚度好。单层层工业厂房中中采用钢管混混凝土柱时，钢钢管中混凝土土的浇注可以以在全部主体体结构安装完完成后进行，所所以大大缩短短了工期。如如1992年建成的哈哈尔滨建成机机械厂大容器器车间，从破破土动工到竣竣工只用了15.5个月；同年年该厂又建成成了容罐式汽汽车车间，主主体结构的施施工仅用了半半年时间。80年代初，我我国开始在多多层工业厂房房中采用钢管管混凝土柱。多多层工业厂房房柱基本为偏偏心受压单管管柱；如1984年建成的上上海特种基础础科研所的科科研楼，1985年建成的柳柳州水泥厂窑窑尾加热车间间。4．钢管混凝土土结构研究的的发展方向4.1高强度材材料的应用采用高强混凝土土可以减轻结结构自重、降降低工程造价价。随着混凝凝土强度的提提高，其延性性下降，这阻阻碍了它在实实际工程中的的应用。将高高强混凝土灌灌入钢管中形形成高强钢管管混凝土，由由于受到钢管管的约束作用用，混凝土处处于三向受压压状态，其延延性将大为提提高，而其构构件的承载力力也得到了相相应的提高。因因此，高强钢钢管混凝土具具有很大的发发展潜力。近年来，国内外外对高强钢管管混凝土构件件的研究表明明；高强钢管管混凝土的力力学性能与普普通钢管混凝凝土有所不同同，其设计不不能套用普通通钢管混凝土土构件的设计计公式。而我我国现行的钢钢管混凝土设设计施工规范范和规程只适适用于普通钢钢管混凝土结结构，因此必必须加大高强强钢管混凝土土的研究力度度，尽快制定定出相应的设设计施工规范范和观察。4.2节点动力力性能的研究究节点是结构设计计中的关键部部位，也是施施工的难点。对对于钢管混凝凝土节点，其其合理与否直直接关系到结结构的安全性性和整个工程程的造价。钢钢管混凝土节节点可以分为为两种；钢管管混凝土柱与与钢筋混凝土土梁的连接节节点和钢管混混凝土柱与钢钢梁的连接节节点。目前，国国内对于钢管管混凝土节点点静力性能的的研究较多，而而对于节点动动力性能的研研究报导还较较少。4.3耐火性能能的研究我国还没有制定定针对钢管混混凝土结构的的防火规定。对对于已经建成成的钢管混凝凝土结构，有有的采用钢筋筋混凝土结构构的要求外包包混凝土，有有的按照钢结结构的要求涂涂防火材料，都都没有统一规规定和科学的的依据。近年年来，国内学学者就钢管混混凝土的耐火火性能问题进进行了研究，已已经取得了可可喜的成绩；；应尽快编制制出适合我国国国情的钢管管混凝土结构构防火规范。4.4钢管混凝凝土结构体系系抗震性能的的研究在对采用钢管混混凝土柱及钢钢筋混凝土柱柱的框架结构构进行了抗震震性能的对比比试验研究；；并从理论上上分析比较了了两种结构的的动力性能，得得出了钢管混混凝土框架结结构的抗震性性能明显优于于钢筋混凝土土框架结构的的结论。但目目前对钢管混混凝土结构抗抗震性能的研研究，主要还还是集中在基基本构件方面面，而对于钢钢管混凝土整整体结构的抗抗震性能的研研究还不多。应应开展这方面面充分的研究究，以提供合合理的抗震设设计参数，便便于工程应用用。4.5矩形钢管管混凝土结构构的研究矩形钢管混凝土土结构中，钢钢管对于其内内部混凝土的的约束作用相相对较弱，但但是它具有节节点形式简单单，便于施工工等优点。国国外学者对矩矩形钢管混凝凝土结构已进进行了大量的的研究，制定定了相应的设设计规程，在在工程应用上上也取得了很很大的进展。我我国的矩形钢钢管混凝土结结构的设计施施工规程尚在在制定中。与钢筋混凝土结结构和钢结构构相比，钢管管混凝土结构构是一种相对对年轻的结构构形式。随着着其理论研究究的深入和完完善，新型施施工工艺的产产生和高性能能材料的应用用，钢管混凝凝土结构的应应用范围将不不断扩大。4.6钢管混凝凝土施工方面面的研究钢管混凝土结构构在施工中也也有一些问题题不容忽视。在在结构构件的的连接构造方方面:①当钢管混凝凝土柱与混凝凝土梁连接时时，就必须借借助于柱上的的牛腿和加强强板。如果用用暗牛腿、会会给浇注混凝凝土带来不便便，影响施工工进度;②当钢管混凝凝土柱与无梁梁盖连接时，尤尤其是采用升升板法施工时时，板与柱的的连接构造是是相当复杂的的，会直接影影响到施工的的进度;③为了能够充充分发挥钢管管混凝土的承承载力，钢管管混凝土的连连接应尽可能能地将连接力力可靠地传递递到核心混凝凝土上。常采采用柱顶盖板板、柱脚底板板和层间隔板板、穿心板等等来实现。当当然前提条件件必须是应保保证管内混凝凝土的密实，做做到这一点也也是不易的。横横隔板