钢管混凝土的应用与发展

钢管混凝土的应用与发展

一、概述

随着我国经济水平的不断提高和城市建设的飞速发展，高层建筑如雨后春笋般不断涌现，超高层建筑也不乏其间。传统的钢筋混凝土结构由于受轴压比及抗震性能等不利条件的限制，难以在大荷载、大跨度等条件下实现高层建筑的功能多样化，更达不到建筑产业发展方向所要求的节地、节能等重要指标，已经不适应高层建筑发展的需要。近年来，国内较多地采用了钢管混凝土结构（Concrete Filled Steel Tubular Structure）作为高层建筑的一种主要结构形式。

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件,按截面形式不同,可分为圆钢管混凝土,方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等,其中矩形钢管混凝土和圆钢管混凝土应用较广。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,即钢管对核心混凝土的约束作用,使混凝土处于三向受压状态,混凝土的强度得以提高,塑性和韧性得到改善,同时克服了钢管容易发生局部屈曲的缺点。此外,在钢管混凝土的施工过程中,钢管还可以作为浇筑核心混凝土的

模板,与钢筋混凝土相比,可节省模板费用,加快施工速度。总之,通过钢管和混凝土组合成为钢管混凝土,不仅可以弥补两种材料各自的缺点,而且能够充分发挥二者的优点。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。

二、钢管混凝土结构的特点

（1）承载力高

钢管混凝土构件受压时,由于产生紧箍效应,核心混凝土三向受压,强度大大提高,钢管延缓和避免了过早发生局部屈曲。两种材料互相弥补了彼此的缺点,充分发挥了彼此的长处,从而使钢管混凝土具

有较高的承载力,一般都高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之和。

（2）塑性和韧性好

混凝土的脆性较大,但核心混凝土在钢管的约束下,不但在使用

阶段改善了其弹性性质,而且在破坏时具有很大的塑性变形。由于钢管混凝土具有良好的塑性和韧性,因而抗震性能好。

（3）施工方便

与钢筋混凝土相比,采用钢管混凝土构件不用绑扎钢筋、支模、拆模等工序,施工简便。与预制钢筋混凝土相比,钢管混凝土不需要构件预制现场。与钢结构相比,钢管混凝土构造简单,焊缝少,易于制作。与普通钢构件相比,钢管混凝土的柱脚零件少,焊缝短,可以直接插入混凝土基础的预留杯口中,使柱脚的构造更简单。

（4）耐火性能好

由于钢管内填有混凝土,能吸收大量的热能,因此遭受火灾时管

柱截面温度场的分布很不均匀,增加了柱子的耐火时间,减慢钢柱的

升温时间,并且一旦钢柱屈服,混凝土可以承受大部分的轴向荷载,防止结构倒塌。

（5）经济效益好

钢管混凝土可以很好地发挥钢材和混凝土两种材料的特性和潜

力,使其优点得到更充分和合理的发挥,因此采用钢管混凝土一般都具有很好的经济效益。工程表明:与钢结构相比,节约钢材50 % ,并能减少焊接费用,降低结构总体造价。与钢筋混凝土相比,无需模板,节约混凝土50 %以上,减轻结构自重50 %以上, 减小钢筋混凝土柱尺寸

60 %～70 % ,增加使用面积3 %～5 %。

三、钢管混凝土的应用

钢管混凝土结构作为一种新兴学科,发展前景广阔。在高层建筑结构中,钢管混凝土柱具有很强的相容性,它既可在混凝土结构体系中因时因地制宜地取代部分钢筋混凝土柱,以解决高层建筑底部的“胖柱”问题和钢筋高强混凝土柱的脆性破坏问题;也可在钢结构体系中取代钢柱,以减少钢材用量和减轻风致振动等。

在大跨桥梁建设中,钢管混凝土这种高强轻质便于施工的高效结构材料,单位重量的承载力与钢材相近,甚至可能比钢材还要强,其钢管兼具安装架设阶段的劲性骨架、灌注混凝土阶段的模板和钢筋、以及运营阶段对核心混凝土的套箍约束等多种功能,较全面地解决了桥梁结构所要求的用料省、安装重量轻、施工方便、承载能力大等诸多矛盾,是建造大跨度拱桥的一种比较理想的结构材料。

钢管混凝土能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的需要,符合现代施工技术的工业化要求,正被越来越广泛地用于工业厂房、高层和超高层建筑、桥梁和地下等结构中,取得了良好的经济效益和建筑效果,已成为结构工程科学的一个重要发展方向。

四、钢管混凝土结构的发展现状

在国外,1907 年美国的Lally 公司首次给出了钢管混凝土的承载力公式, A1A1 Gvozdev 教授阐述了钢管套箍混凝土的工作机理,采用极限平衡法推导了钢管混凝土轴压短柱极限承载力的理论计算公式。20 世纪60 年代前后,钢管混凝土技术在苏联、西欧、北美、日本等国家受到重视,并对其力学性能和设计方法进行大量试验研究和理论分析,取得丰硕成果。对于钢管混凝土构件编制了多种规范,如欧洲规范EC4 (1994) 、英国标准委员会:BS5400(1979) 、德国标准委员会:DIN18800 (1997) 、美国混凝土协会: ACI318 - 99 (1999) 、美国钢结构协会:SSLC(1979) 和LRFD (1997) 、日本标准AIJ (1980 ,1997) 等。

在我国钢管混凝土的研究主要集中在圆钢管中填充素混凝土的内填型圆钢管混凝土结构,最早开展研究工作的是原中国科学院哈尔滨土建研究所。通过许多学者多年的研究积累,已制定了相应的设计规范:中国工程建设标准化协会标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28 :2012) 、中华人民共和国经济贸易委员会《钢-混凝土组合结构设计规程》(DL/T5085 -1999) 等。目前,钢-混凝土组合结构已被列入国家科技成果重点推广项目,为进一步在实际工程中推广应用钢管混凝土结构创造了条件。

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站工程,20 世纪70 年代在单层工业厂房、重型构架中得到了成功的应用。近10 年来,钢管混凝

土结构在我国高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了卓有成效的应用,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领域中。

（1）高层和超高层建筑工程

将钢管混凝土结构应用到高层、超高层建筑中可节约建筑材料,增加使用空间。钢管混凝土结构自20 世纪80 年代末开始被逐渐应用于高层建筑中,仅十年,从局部柱子采用钢管混凝土发展到大部分柱

子采用,又发展到全部柱子采用,由在近百米高度的高层建筑中被采

用发展到被近三百米高度的超高层建筑所采用,发展前途广阔。

（2）大跨度桥梁工程

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,拱肋承受很大的轴向压力,采用钢管混凝土构件非常合理;钢管还可以作为桥梁安装架设阶段的劲性骨架和灌注混凝土的模板。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。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）其他工程

钢管混凝土在其他工程中应用最多的是单层和多层工业厂房柱、高炉构架柱、锅炉构架柱、送变电构架柱、地铁站台柱、桁架压杆等。

五、钢管混凝土结构的研究展望

综上所述,钢管混凝土结构的研究与应用已取得较大的成就,但

在有些方面的研究上还比较薄弱,要在实际工程中广泛应用这种结构,尚有很多工作要做。

（1）动力性能的研究

目前,对钢管混凝土动力性能的研究主要集中在试验研究阶段,

且大都只能从滞回性能定性地得出钢管混凝土抗震性能好的结论,缺乏相应的理论推导,尚未形成可供规范使用的计算理论和设计公式。尤其对结构进入弹塑性后的动力特性(如阻尼比等的变化规律) 、结构的耐疲劳性能、钢管混凝土组合柱的动力特性及基于性能的钢管混凝土抗震设计方法等的研究几乎没有。为了合理且安全地在地震区推广这类结构,必须深入进行其动力特性的研究,尤其对于高层结构。

（2）构造要求

为满足构造的合理性、工程的实践性,避免截面配置不合理,材料强度匹配出现问题,防止局部失稳,设计矩形钢管混凝土构件必须满

足截面尺寸及高宽比、钢管壁宽厚比、管内混凝土受压的工作承担系数等方面的构造要求,以达到优化设计目的。

（3）刚度计算

刚度是钢管混凝土柱和节点力学性能的重要指标,目前由于对钢管混凝土变形测试存在不同理解,对刚度仍然存在不同的认识,缺乏

统一的理论计算公式。确定合理的刚度计算方法是进行钢管混凝土构架、框架等受力分析的重要基础。

另外,有关钢管混凝土构件的设计规程尚不够成熟和完善,应当

在今后的推广和应用中不断补充和完善。