钢管混凝土结构.docx

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钢管混凝土结构

钢管混凝土构造

1、前言

钢管混凝土即在薄壁钢管填充普通混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的复合构造，它是将钢管构造和钢筋混凝土构造的优点结合在一起而开展起来的新型构造。

由于钢管混凝土构造能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，同时克制了钢管构造容易发生局部屈曲的缺点。

钢管混凝土作为一种构造构件形式最早在十九世纪八十年代被设计应用做桥墩，然后随着科学技术的提高使它的应用围得到了很大的扩展。

从八十年代末开场，钢管混凝土在我国的土建工程中的应用开展很快。

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。

钢管混凝土构造按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土构造、圆钢管混凝土构造和多边形钢管混凝土构造等，其中矩形钢管混凝土构造和圆钢管混凝土构造应用较广泛。

2、钢管混凝土构造的特点

，混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。

而钢管混凝土在构造上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高。

同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大提高了承载能力。

钢管混凝土柱在荷载作用下的应力状态和应力路径是十分复杂的，仅以常用的一种加载方式为例，对其受力、变形特点进展简单剖析。

据有关大量实验说明，如图l的一根钢管混凝土短试件在轴向力N作用下钢管和核心混凝土随着纵向压力的增加两者均产生较大的纵向应力和纵向应变，同时将产生横向变形。

横向应变与纵向应变的关系为

，

〔式中的

分别为纵向、环向应变，μ为材料的泊松比，下标s，c分别代表钢管和核心混凝土）。

在轴向力N作用下钢管和核心砼的变形是协调的，即

。

钢材的泊松

在弹性阶段为一常数（O.283），进入塑性阶段（应力达屈服点

时）增大至0.5而保持不变。

而混凝土的横向变形系数

则为变数，可以从低应力时的0．17增加到0．5至1．0甚至大于1.0。

由上式可见，钢管混凝土在轴心压力N作用下，开场时

，

N

钢管

P

混凝土

N

图1试件轴压时的力状态

故

但

在很快赶上

则

=

而

随后

>

，

。

这说明钢管混凝土在压力N作用下混凝土向外的横向变形大于钢管向外的横向变形。

钢管约束了砼，在钢管与混凝土之间产生了相互作用力P，称为紧箍力。

从而使钢管纵向和径向受压而环向受拉，混凝土则处于三向受压状态。

这样一来就大大提高了混凝土的抗压强度，同时塑性性能得到了很大的改善。

在工作性质上起了质的变化。

由原来的脆性材料转变为塑性材料，这一转变决定了钢管混凝土这种构造形式的根本性质和特点。

2、1优点

承载力高

钢管混凝土强度提高的原因，主要是构件受压时，由于钢管和混凝土的泊松系数不同，随着荷载的增加，钢管由弹性工作状态进入塑性工作状态，其泊松系数由0.283增大到0.5后就保持不变；而混凝土的泊松系数大约由0.2增大到0.5以后仍继续增大。

这时钢管始终对填入的混凝土产生紧箍力，这样钢管和混凝土都处在三向应力状态下工作，因而抗压强度和变形能力都得到极大的提高。

钢管部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。

研究说明，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。

经有关专家实验和理论分析证明钢管混凝土受压构件强度承载力可以到达钢管和混凝土单独承载力之和1.7～2.0倍。

延性好

据有关实验数据说明：

钢管混凝土轴向压缩到原长的2／3，构件外表已褶曲，但仍有一定的承载能力，可见塑性之好。

在压弯剪循环荷载作用下，水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满，吸能能力很好，根本无刚度退化。

钢管和混凝土之间的相互作用使钢管部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善。

抗震性能优越

抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。

在这方面，钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。

在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线说明，构造的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，不丧失局部稳定性的钢柱一样。

但在一些建筑中，钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性，但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。

因此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。

此外，高层建筑中和钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的自重大幅度减小，地震作用引起的地震反响也将减小。

据有关资料分析，高层建筑中采用钢管混凝土柱和钢梁等构造体系比采用钢筋混凝土构造自重可以减少1／3～1／2。

地震作用可以减小一半，相当于设防烈度下降一度。

这将意味着构造构件截面尺寸的进一步减小。

同时根底的负荷也相应减少，由此降低了根底造价。

施工方便

钢管混凝土构造施工时，钢管可以作为劲性骨架承当施工阶段的施工荷载和构造重量，施工不受混凝土养护时间的影响。

该种构造形式和钢构造相比零件少，焊缝短，可以采用构造简单的插入式柱脚，免去了复杂的柱脚构造。

和钢筋混凝土柱相比，由于钢管本身就是耐侧压的模板，因此在浇灌混凝土时可以免去支模、拆模等工和料。

钢管还是“钢筋〞，它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。

从施工过程看制作钢管远比制作钢筋骨架省工得多，而且便于浇灌。

钢管本身就是劲性构造构件，在施工阶段可以起劲性钢骨架的作用，节省了许多支撑构件和脚手架，简化了施工安装工艺。

防火耐火性能好

钢管混凝土的耐火性比钢构造好，由于钢管填有混凝土，能吸收大量的热能，混凝土的导热系数低而比热大，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，越到中心，温度越滞后，增加了柱子的耐火时间。

经实验统计数据说明：

到达一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1／3～2／3甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多。

耐腐蚀性强

钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢构造少得多，抗腐和防腐所需费用比钢构造节省。

2、2缺点

尽管钢管混凝土构造的优点很多，但是由于它自身的特性决定了它尚存在的一些弊端。

使用围有限

从现已建成的众多建筑来看，钢管混凝土的使用围还仅限于柱、桥墩、拱架等。

目前还很少有使用钢管混凝土梁的先例。

这是因为梁一般都做成矩形。

而矩形的钢管混凝土受力比拟复杂而且构造要求繁琐，经济效益不佳。

2.2.2钢管混凝土构件连接构造的缺点

（1）当钢管混凝土柱与混凝土梁连接时，就必须借助于柱上的牛腿和加强板。

如果与柱连接的梁较多且不在同一标高时，就会有许多的牛腿和加强板。

如果采用明牛腿可能在美观上会受到影响。

如果用暗牛腿，又会给浇灌混凝土带来不便，影响施工进度。

（2）当钢管混凝土柱与无梁盖连接时，尤其是采用升板法施工时，板与柱的连接构造是相当复杂的，会直接影响到施工的进度。

（3）为了能够充分发挥钢管混凝土的承载力，钢管混凝土的连接应尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上。

常采用柱顶盖板、柱脚底板和层间隔板、穿心板等来实现。

当然前提条件必须是应保证管混凝土的密实，做到这一点也是不易的。

横隔板和上、下柱的连接是比拟繁琐的，尤其是对于小直径管，特别不便于施工。

穿心板的制作也很麻烦，而且还会阻碍管混凝土的浇注和振捣,一般仅在大直径钢管混凝土中使用。

2.2.3钢管构件的制作、安装具有一定难度和繁锁性

（1）钢管混凝土柱用的钢管，焊接、制作要求较高,一般应优先采用螺旋焊管，无螺旋焊接收时。

焊接时除一般钢构造的制作要求外要严格保证管的平、直,不得有翘曲，外表锈蚀和冲击痕迹。

特别是它对钢管壁的除锈要求，可能会增加钢管的制作周期。

显然在制作难度上也较普通钢构造高。

（2）在构件制作过程中，钢管的对接是一个难点。

构造要求焊后的管肢要平直，这就需要在焊接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响。

管肢对接焊接前，对于小直径钢管应采用点焊定位，对于大直径钢管应另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定联焊。

在钢管对接焊接过程中，如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝，则该微裂缝部位必须全部铲除重焊。

为了确保联接处的焊缝质量，在现场拼按时，在管接缝处必须设置附加衬管。

对于格构式柱要求柱的肢管和各种腹杆的组装连接尺寸和角度必须准确。

特别是腹杆与肢管联接处的间隙应采用自动切管机按照相接面管的直径和角度切割成空间相交曲线的管端。

在高层建筑中常常采用变径的钢管，变径管的对接就又是一个施工难点，变径处节点构造较为复杂，无疑会影响到施工的进度。

从质量检查及施工方法上看，这种构造构件形式也是存在弊端的

（1）钢管混凝土柱管混凝土的浇注属于隐蔽工程，混凝土的浇灌质量是无法直观检查的。

当采用人工浇灌并振捣时，只能依靠操作人员的责任心和严密的施工组织管理来保证施工质量。

如果超声脉冲检测发现有不密实部位，就得将钢管钻孔压浆补强，然后再将钻孔补焊封固。

所以无论从质量检测还是完善施工质量都是较为费工的。

（2）从混凝土浇灌方面看，如果采用泵送顶升法，施工就必须有与之配套的泵及输送设备，而且对粗骨料的粒径、水灰比、坍落度要求比拟严格。

采用高位抛落法施工，混凝土的配合比要求亦很严格。

必须先进展配合比实验来确定水灰比，然后才可以正式浇注。

因此，无论采用哪种方式施工，都必须有严密的施工组织管理。

3、钢管混凝土构造的技术经济评价

钢管混凝土构造由于自身的特点，使其在技术经济上优于其他构造。

赛格广场大厦，柱子最大轴压达90000kN，截面为Φ1600×28，采用Q345钢材和C60混凝土。

假设要设计成钢筋混凝土柱时，则为2200×2400，C60混凝土。

由此可见，用钢管混凝土柱代替钢筋混凝土柱时，柱子截面减少一半以上。

事实上，该工程由于采用了钢管混凝土柱，和采用钢筋混凝土柱时相比，节约了3000m

的使用面积。

此外，在此工程中，与钢筋混凝土柱相比，省去了大量混凝土并减轻自重60％以上，这除了增加有效使用面积，还对减轻根底负担十分有利。

和钢柱相比，虽然增加了一些自重，但柱子所占空间一般相差不大，而且耗钢量却可节约50％以上。

又如市人民广场大型地下停车场（二层）的400根柱子，用钢管混凝土柱比用钢筋混凝土柱每层节省有效面积160m

，两层共节省320m

。

随着高强混凝土的开展，C60在国城市中以被较普遍使用，有些甚至已采用C70或C80，从而提高了钢管混凝土柱的承载力，节约混凝土。

但是高强混凝土的强度虽得到提高，却增加了脆性，降低了构造的平安可靠性。

钢管混凝土中的核心混凝土处于三向压应力状态下，极改善了性能，防止发生脆性破坏，即高强混凝土只有用于钢管混凝土柱，才能发挥高强混凝土的强度。

钢管混凝土构造与传统构造进展经济比照分析，在造价、耗材、施工等各方面的综合经济效益显著。

特别是钢管高强和超高强混凝土构造：

同等承载力条件下，钢管混凝土柱比普通混凝土柱节约混凝土在50％以上；几乎省去全部的模板，耗钢量略多或约略相等。

与普通钢柱相比可节约钢材约在50％以上，造价也可降低。

4、钢管混凝土构造的工作原理

钢材和混凝土在三向应力作用下的应力强度σ与应变强度ε问的关系，如下列图所示：

σi—εi为钢材，σc—εc为混凝土。

钢材曲线图中最上一条为单向受压时的关系曲线，下边的是三向应力状态异号应力场时应力强度与应变强度的关系，可见在三向应力状态下，钢材的屈服强度f

降低，而极限应变却增大，即强度下降，塑性变形能力增大。

混凝土关系曲线中，最下一根是单向受压时的应力应变关系，上部是有紧箍力时的应力应变关系，可以看出，随着紧箍力的增大，混凝土的抗压强度提高，弹性模量也随之提高，而且塑性变形能力也大大加强，当紧箍力大到一定程度，混凝土的应力应变曲线甚至可能出现无下降段的现象，塑性变形能力将到达相当大的程度。

综上所述，用作受压构件的钢管混凝土由于钢管对混凝土的紧固作用使砼的抗压强度大大提高，而且还使混凝土的脆性向塑性转化，根本性能起了较大的变化；同时薄壁钢管的承载力取决于薄壁的局部稳定，屈服强度常得不到充分的利用，用作钢管混凝土时，部存在混凝土，提高了薄壁钢管的局部稳定性，其屈服强度可得到充分的利用。

在钢管砼杆件中，两种材料能相互弥补对方的弱点，又能各自发挥长处，因而是钢材与混凝土组合使用的理想方式。

5、钢管混凝土构造的抗震性能

5.1钢管混凝土梁柱节点抗震性能研究

“节点〞是钢管混凝土构造体系的核心部位，国外专家学者提出了一些有代表性的节点型式，并从构造型式、力学性能、工作机理方面进展了试验研究。

但真正对节点进展抗震性能方面的研究从2O世纪90年代才开场。

主要通过节点核心区的工作性能、节点梁端的P—Δ滞回曲线、节点区的剪力--剪切角智慧曲线来分析节点的抗震性能。

国外专家Yoshimura等1991年进展了方钢管套箍钢筋混凝土短柱与钢梁组成的梁柱节点的拟静力试验，钢管只起约束作用不直接承受纵向荷载，由于钢管的存在，钢管混凝土短柱未发生剪切破坏，但由于纵筋的存在，钢管与混凝土之间的约束效应变小，导致滞回曲线出现捏缩；1991年Yokoyama等进展了加强环式方钢管混凝土柱和钢梁节点的拟静力试验，节点在转角很大时的承载力降低不大，滞回曲线呈纺锤形，延性和耗能能力很好；1998年OhY．S．等对带有穿过钢管的T形加劲构件的方钢管混凝土梁柱节点进展了拟静力试验，试验结果说明：

由于T形加劲构件的存在，此种节点的延性很好，水平力与平水平位移的滞回曲线饱满、稳定，具有良好的吸能能力。

国专家至钧等1994年对5个钢管混凝土框架梁柱刚性抗震节点进展试验研究，试验结果说明此种节点抗震性能较好；2001年向黎明等对钢管混凝土--钢筋混凝土梁节点的抗震性能进展试验研究，试验结果说明：

该节点有较好的抗震性能，轴力使节点的抗震性能降低。

5.2钢管混凝土框架构造体系抗震性能研究

钢管混凝土构造具有良好的承载力和抗震性能，推广使用围越来越大。

但对于钢管混凝土框架构造体系的研究，尤其是对其抗震性能的研究还处于初始阶段。

主要研究了框架体系的侧向力--位移滞回性能和框架恢复力特性。

国外专家Matsui等1985年对钢管混凝土单层框架进展了拟静力试验，试验结果说明框架的滞回曲线饱满，没有明显的刚度退化现象，是非常好的抗震构造形式；1993年Kawaguchi等对方钢管混凝土单层门式框架进展了拟静力试验，根据试验曲线计算得到构造特征系数D

值只是钢构造的一半左右，说明其抗震性能优于钢框架。

我国学者马万福、文福等1998年对钢管混凝土单层单跨框架动力性能进展了研究，试验设计了8榀框架，试验以柱长细比和轴压比为主要参数，试验说明钢管混凝土单层框架破坏时梁端和柱脚均出现塑性铰，柱子属于压弯型破坏，试件的侧向力和位移的滞回环很饱满，刚度退化缓慢，其耗能比随柱轴压比、长细比的增大而增大，轴压比拟大时，对耗能比的影响更显著；2000年房贞政对一双层、单跨的钢管混凝土框架模型进展了拟动力抗震试验研究，试验说明构造在不同地震波作用下反响差异较大，钢--混凝土组合楼盖的钢管混凝土框架刚度大、耗能大，整体抗震性能好；2001年黄襄云等对两层单跨钢管混凝土组合框架构造抗震性能进展了一维拟动力、拟静力试验和静载全过程试验，试验研究说明框架模型经历了不同地震波、不同加速度峰值的反复试验，发生一定程度的损伤，就同一种鼓励波形而言,随着输入波加速度的提高，顶层位移反响、加速度反响均不断加大，但是加速度反响、位移反响并非同时到达最大值，拟静力试验剪力--水平位移滞回曲线说明，随着钢管进入屈服阶段，构造的正向刚度有所降低，而反向刚度变化不大，滞回环面积不断增大，卸载至零时逐渐有剩余变形出现，且变形值增加,静载破坏试验时，水平荷载--位移曲线进入屈服后，比拟平坦，位移曲线没有下降段，有效位移延性系数大于4，说明这种构造具有良好的变形延性和承载力。

2002年斌等对2榀具有同一外形尺寸和用料的钢管混凝土单层单跨框架进展了试验测试，研究了该类型构造的破坏形态、变形特点、荷载--位移滞回模型和构造耗能比，分析了钢管混凝上框架的受力性能及抗震性能，试验结果说明2榀框架均为弯曲型破坏，表达了强柱弱梁的设计思想，其荷载--位移曲线呈纺锤形，没有捏缩现象，耗能比明显高丁RC框架，增加20％～30％，构造体系的骨架曲线无下降段，呈现出较好的变形和耗能能力。

6、钢管混凝土构造的应用现状

从l9世纪80年代开场，钢管混凝土构造就已经出现。

例如，1879年英国赛文铁路桥的建筑中采用了钢管桥墩；前联乌拉尔的伊特铁路桥采用钢管混凝土构件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子；1961年比利时建造船坞时，采用钢管混凝土构件做桁架的压杆和立柱；法国巴黎居民区的第一座摩天大楼采用了钢管混凝土框架柱；前联在一些吊车栈桥（跨度达48m）中采用钢管混凝土构造；日

本、瑞士等国在输电跨越塔中采用了钢管混凝土构造，都取得了显著的经济效益。

在20世纪60年代后，由于泵送混凝土技术的开展，解决了现场钢管部浇灌混凝土的技术问题，加上现代高强混凝土需要用钢管约束来克制其脆性，因此，钢管混凝土构造在美国和澳大利亚等国的高层建筑中得到了广泛应用，被认为是高层建造技术的一次重大突破。

我国钢管混凝土构造技术的开发和应用已有近40年的历史。

1966年钢管混凝土构造应用于地铁车站工程，70年代又在单层工业厂房、重型构架中得到了成功的应用。

近l0年来，随着国家经济的迅猛开展，钢管混凝土构造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，推动了建造技术的开展。

在我国，钢管混凝土构造主要应用于以下的领域中：

6.1大跨度桥梁工程

在我国，钢管混凝土已被广泛应用于拱桥构造中，也开场应用于斜拉桥构造中。

在拱桥构造中，钢管混凝土主要用来承受轴向压力。

拱桥的跨度很大时，拱肋将承受很大的压力，采用钢管混凝土构件是非常合理的。

因此，钢管混凝土被认为是建造大跨度桥梁的一种比拟理想的复合构造材料。

6.2地铁车站工程

地铁车站是我国最早采用钢管混凝土构造的工程工程。

早期的地铁车站是深埋地下的多跨构造，用明挖法施工；采用钢管混凝土柱主要是利用其承载力高的特点，以减小柱子的截面尺寸，有效地利用空间。

6.3高层建筑工程

在高层建筑构造中，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，解决高层建筑构造中普通钢筋混凝土构造底部的“胖柱〞问题和高强钢筋混凝土构造中柱的脆性破坏问题，也可以取代钢构造体系中的钢柱，以减少钢材用量，提高构造的抗侧移刚度。

钢管混凝土构件的自重较轻，可以减小根底的负担。

6.4单层和多层工业厂房柱

单层工业厂房的柱属于偏心受压构件，为了充分发挥钢管混凝土构造的特点，很多工程中的柱子设计成格构式组合柱，如双肢柱、三肢柱和四肢柱，把偏心弯转变为轴心力。

与钢筋混凝土柱和普通钢柱相比，钢管混凝土组合柱显得特别轻巧，节约钢材，施工简便，且刚度好。

单层工业厂房中采用钢管混凝土柱时，钢管中混凝土的浇注可以在全部主体构造安装完成后进展，所以大大缩短工期。

7、结语

综上所述，与钢筋混凝土构造和钢构造相比，钢管混凝土构造是一种相对年轻的构造形式。

但它突出优点更适合我国的国情，钢管混凝土能够适应现代工程构造向大跨、高耸、重载开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，因而正被越来越广泛地应用于工业厂房、高层和超高层建筑、拱桥和地下构造中，并已取得良好的经济效益和建筑效果，是构造工程科学的一个重要开展方向。

随着其理论研究的深入和完善，施工工艺的提高和高性能材料的应用，钢管混凝土也将继续广泛地用于各种建筑构造中。

此外，近年来在多层、高层民用住宅建筑中也已开场采用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒（剪）构造体系，并且经济效益显著。

尽管钢管混凝土构造在许多方面还存在着这样那样的弊端和问题，但是它的优点大大多于缺点，确实是其它构造形式所不及的。

随着科技水平的不断提高及新材料的出现，我相信钢管混凝土的弊端会被进一步改善，优点充分表达出来，成为一种更完善的构造形式。