钢管混凝土结构的工程应用

浅析钢管混凝土结构在工程中的应用近20年来，钢钢管混凝土结结构逐渐被应应用于建筑结结构尤其是在在高层建筑结结构中，随着着建筑物高度度的增加，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。钢管混凝凝土结构是由由混凝土填入入钢管内而形形成的一种新新型组合结构构。由于钢管管混凝土结构构能够更有效效地发挥钢材材和混凝土两两种材料各自自的优点，同同时克服了钢钢管结构容易易发生局部屈屈曲的缺点。近近年来，随着着理论研究的的深入和新施施工工艺的产产生，工程应应用日益广泛泛。钢管混凝凝土结构按照照截面形式的的不同可以分分为矩形钢管管混凝土结构构、圆钢管混混凝土结构和和多边形钢管管混凝土结构构等，其中矩矩形钢管混凝凝土结构和圆圆钢管混凝土土结构应用较较广。1．钢管混凝凝土结构的特特点众所周知，混混凝土的抗压压强度高。但但抗弯能力很很弱，而钢材材，特别是型型钢的抗弯能能力强，具有有良好的弹塑塑性，但在受受压时容易失失稳而丧失轴轴向抗压能力力。而钢管混混凝土在结构构上能够将二二者的优点结结合在一起，可可使混凝土处处于侧向受压压状态，其抗抗压强度可成成倍提高.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、延延性好，抗震震性能优越钢管混凝土土柱中，钢管管对其内部混混凝土的约束束作用使混凝凝土处于三向向受压状态，提提高了混凝土土的抗压强度度；钢管内部部的混凝土又又可以有效地地防止钢管发发生局部屈曲曲。研究表明明，钢管混凝凝土柱的承载载力高于相应应的钢管柱承承载力和混凝凝土柱承载力力之和。钢管管和混凝土之之间的相互作作用使钢管内内部混凝土的的破坏由脆性性破坏转变为为塑性破坏，构构件的延性性性能明显改善善，耗能能力力大大提高，具具有优越的抗抗震性能。塑性是指在在静载作用下下的塑性变形形能力。钢管管混凝土短柱柱轴心受压试试脸表明，试试件压缩到原原长的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，工工期大大缩短短钢管混凝土土结构施工时时，钢管可以以做为劲性骨骨架承担施工工阶段的施工工荷载和结构构重量，施工工不受混凝土土养护时间的的影响；由于于钢管混凝土土内部没有钢钢筋，便于混混凝土的浇注注和捣实；钢钢管混凝土结结构施工时，不不需要模板，既既节省了支模模、拆模的材材料和人工费费用，也节省省了时间。1.3有利于钢管管的抗火和防防火由于钢管内内填有混凝土土，能吸收大大量的热能，因因此遭受火灾灾时管柱截面面温度场的分分布很不均匀匀，增加了柱柱子的耐火时时间，减慢钢钢柱的升温速速度，并且一一旦钢柱屈服服，混凝土可可以承受大部部分的轴向荷荷载，防止结结构倒塌。组组合梁的耐火火能力也会提提高，因为钢钢梁的温度会会从顶部翼缘缘把热量传递递给混凝土而而降低。经实实验统计数据据表明: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耐腐蚀性能能优于钢结构构钢管中浇注注混凝土使钢钢管的外露面面积减少，受受外界气体腐腐蚀面积比钢钢结构少得多多，抗腐和防防腐所需费用用也比钢结构构节省。钢管管混凝土构件件的截面形式式对钢管混凝凝土结构的受受力性能、施施工难易程度度、施工工期期和工程造价价都有很大的的影响。圆钢钢管混凝土受受压构件借助助于圆钢管对对其内部混凝凝土有效的约约束作用，使使钢管内部的的混凝土处于于三向受压状状态，使混凝凝土具有更高高的抗压强度度。但是圆钢钢管混凝土结结构的施工难难度大，施工工成本较高。相相比之下，方方钢管混凝土土结构的施工工较为方便，但但钢管混凝土土受到的约束束作用较小，结结构的承载力力较低。1.5施工方面钢管混凝土土柱的零件较较少，焊缝少少，构造简单单，柱脚常采采用在棍凝土土基础上预留留杯口的插人人式柱脚，因因而工厂制造造比较简单，同同时构件自重重较小，运输输和吊装也较较易，施工很很简便，而且且钢管馄凝土土柱采用板材材卷制，板材材厚度都不大大，一般在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。在钢管构件件的制作、安安装要求方面面: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．钢管混凝凝土结构的研研究现状20世纪60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。我国对于矩矩形钢管混凝凝土结构的研研究工作开展展得较晚，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80年代，钢管管混凝土结构构就已经出现现。例如，1879年英国**********铁路桥的建建造中采用了了钢管桥墩，在在钢管中灌了了混凝土以防防止内部锈蚀蚀并承受压力力。前苏联乌乌拉尔的****铁路桥采采用钢管混凝凝土构件做拱拱形桁架的上上弦和上部建建筑的柱子，省省钢25％。1961年****建造造船坞时，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**居民区的的第一座摩天天大楼采用了了钢管混凝土土框架柱，比比钢结构节省省钢材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60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。我国钢管混混凝土结构技技术的开发和和应用已有近近40年的历史。1966年钢管混凝凝土结构应用用于北京***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高层建筑工程在高层建筑结构中，钢管混凝土柱具有很大的优势：具有承载力高，抗震性能好的特点，既可以取代钢筋混凝土柱，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；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。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。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于钢柱。钢管混凝土柱不易倒塌，即使损坏，修复和加固也比较容易。3.2大跨度桥梁工程随着经济的迅速发展，需要建造能够跨越江河、海湾和山谷的，安全、经济且轻盈美观的大跨度桥梁。在我国，钢管混凝土已经被广泛地应用于拱桥结构中，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。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，在斜拉桥和梁式桥中也开始采用钢管混凝土结构，同样取得了良好的经济效益。例如，广东南海市紫洞大桥、湖北秭归县向家坝大桥和四川万县万洲大桥都采用了钢管混凝土空间桁架组合梁式结构，减轻了结构恒载，提了结构承载力利用系数，同时采用与之相适应的、合理的施工工艺，简化了施工程序，减少了施工设备，加快了施工进度，降低了工程造价。在对广东南海市紫洞大桥主桥进行了技术经济分析，主桥采用钢管混凝土空间桁架组合梁式结构与采用预应力混凝土连续钢结构方案相比较，可以节省混凝土44%，节省预应力钢材62％，增加普通钢材23％。加上施工设备、临时设施和施工工期等方面的因素，主桥的经济效益就更为可观。钢管混凝土空间桁架组合梁式结构适用于多种桥型，如系杆拱桥结构、特大跨径斜拉桥结构、特大跨径悬索桥结构等，推广其应用必将带来显著的经济效益和社会效益。3.3地铁车车站工程地铁车站是是我国最早采采用钢管混凝凝土结构的工工程项目。早早期的地铁车车站是深埋地地下的多跨结结构，用明挖挖法施工；采采用钢管混凝凝土柱主要是是利用其承载载力高的特点点，以减小柱柱子的截面尺尺寸，有效地地利用空间。近近年来，在城城市中心地区区修建的地铁铁车站多为浅浅埋式的、具具有综合功能能的多层地下下建筑。采用用盖挖逆作法法施工，以尽尽量减少对城城市正常生活活的干扰以及及对地面交通通和邻近建筑筑的影响。盖盖挖逆作法，是是先施工地下下结构的顶盖盖，在顶盖的的保护下进行行开挖，按照照从顶到底的的顺序进行施施工。为此，必必须在土方开开挖前设置好好顶盖的中间间支撑柱，钢钢管混凝土柱柱将施工阶段段的临时柱和和结构的永久久柱合二为一一，因此是最最好的选择。90年代以来，北北京地铁的****工程中中，采用盖挖挖逆作法建成成了“****东站”、“***站”和“***站”；在**的南京地地铁的****站”也是采用的的盖挖逆作法法进行施工。3.4单层和多层层工业厂房柱柱单层工业厂厂房的柱属于于偏心受压构构件，为了充充分发挥钢管管混凝土结构构的特点，很很多工程中的的柱子设计成成格构式组合合柱，如双肢肢柱、三肢柱柱和四肢柱，把把偏心弯矩转转变为轴心力力。如1972年建成的***钢铁公司二二炼钢轧辊钢钢锭模车间采采用了四肢柱柱；1980年建成的***钢铁公司第第一轧钢厂第第二小型厂的的下柱采用双双肢柱；1982年建成的吉吉林******车间采用用了三肢柱；；1980年建成的武武昌**厂*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*****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*****窑尾加热车车间。4．钢管混凝凝土结构研究究的发展方向向4.1高强度材料料的应用采用高强混混凝土可以减减轻结构自重重、降低工程程造价。随着着混凝土强度度的提高，其其延性下降，这这阻碍了它在在实际工程中中的应用。将将高强混凝土土灌入钢管中中形成高强钢钢管混凝土，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，国国内外对高强强钢管混凝土土构件的研究究表明；高强强钢管混凝土土的力学性能能与普通钢管管混凝土有所所不同，其设设计不能套用用普通钢管混混凝土构件的的设计公式。而而我国现行的的钢管混凝土土设计施工规规范和规程只只适用于普通通钢管混凝土土结构，因此此必须加大高高强钢管混凝凝土的研究力力度，尽快制制定出相应的的设计施工规规范和观察。4.2节点动力性性能的研究节点是结构构设计中的关关键部位，也也是施工的难难点。对于钢钢管混凝土节节点，其合理理与否直接关关系到结构的的安全性和整整个工程的造造价。钢管混混凝土节点可可以分为两种种；钢管混凝凝土柱与钢筋筋混凝土梁的的连接节点和和钢管混凝土土柱与钢梁的的连接节点。目目前，国内对对于钢管混凝凝土节点静力力性能的研究究较多，而对对于节点动力力性能的研究究报导还较少少。4.3耐火性能的的研究我国还没有有制定针对钢钢管混凝土结结构的防火规规定。对于已已经建成的钢钢管混凝土结结构，有的采采用钢筋混凝凝土结构的要要求外包混凝凝土，有的按按照钢结构的的要求涂防火火材料，都没没有统一规定定和科学的依依据。近年来来，国内学者者就钢管混凝凝土的耐火性性能问题进行行了研究，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钢管混凝土土结构体系抗抗震性能的研研究在对采用钢钢管混凝土柱柱及钢筋混凝凝土柱的框架架结构进行了了抗震性能的的对比试验研研究；并从理理论上分析比比较了两种结结构的动力性性能，得出了了钢管混凝土土框架结构的的抗震性能明明显优于钢筋筋混凝土框架架结构的结论论。但目前对对钢管混凝土土结构抗震性性能的研究，主主要还是集中中在基本构件件方面，而对对于钢管混凝凝土整体结构构的抗震性能能的研究还不不多。应开展展这方面充分分的研究，以以提供合理的的抗震设计参参数，便于工工程应用。4.5矩形钢管混混凝土结构的的研究矩形钢管混混凝土结构中中，钢管对于于其内部混凝凝土的约束作作用相对较弱弱，但是它具具有节点形式式简单，便于于施工等优点点。国外学者者对矩形钢管管混凝土结构构已进行了大大量的研究，制制定了相应的的设计规程，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。与钢筋混凝凝土结构和钢钢结构相比，钢钢管混凝土结结构是一种相相对年轻的结结构形式。随随着其理论研研究的深入和和完善，新型型施工工艺的的产生和高性性能材料的应应用，钢管混混凝土结构的的应用范围将将不断扩大。4.6钢管混凝土土施工方面的的研究钢管混凝土土结构在施工工中也有一些些问题不容忽忽视。在结构构构件的连接接构造方面: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。横横隔板和上、下下柱的连接是是比较萦