钢管混凝土的优缺点.docx
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钢管混凝土的优缺点
钢管混凝土
学习研究报告
土木建筑工程学院
目录
任务分工3
钢管混凝土的结构性质3
一、钢管混凝土的基本原理：
3
二、钢管混凝土的截面形式：
3
三、根据钢管作用的差异，钢管混凝土柱又可分为两种形式：
4
四、常用的拱桥截面形式：
4
相对于钢筋混凝土钢管混凝土的优缺点5
优点：
5
缺点：
6
国外钢管混凝土的一些研究7
一、钢管混凝土的耐火性能的研究7
二、钢管混凝土火灾后剩余承载力的研究7
三、实心钢管与空心钢管混凝土耐火性研究8
国内钢管混凝土的新技术8
薄壁钢管混凝土核心桩8
钢管混凝土在工程中的应用10
钢管内流态混凝土受力机理10
主拱钢管灌注混凝土顺序对结构受力的影响11
任务分工
钢筋混凝土国内新技术的查询：
王乾
钢筋混凝土国外新技术的查询：
王曾
新技术应用具体实例的查询：
林宇恒
钢管混凝土结构性质以及钢管混凝土与钢筋混凝土优缺点的对比：
黄正源
钢管混凝土的结构性质
一、钢管混凝土的基本原理：
1、利用横向钢管，对受压混凝土施加侧向约束，使管内混凝土处于三向受压的应力状态，延缓其纵向微裂缝的发生和发展，从而提高其抗压强度和压缩变形能力。
2.借助内填混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，改变窑钢管的失稳模态，从而提高其承载能力。
钢管混凝士利用钢管和混凝土中材料在受力过程中的相互作用即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。
同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲。
可以保证其材料性能的充分发挥；另外，在钢管混凝土的施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板。
总之通过钢管和混凝土组合而成为钢管混凝±，不仅可以弥补两种材料各自材料的缺点，而且能够充分发挥二者的优点，这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在。
二、钢管混凝土的截面形式：
主要有圆形，正方形和矩形
三、根据钢管作用的差异，钢管混凝土柱又可分为两种形式：
1、是组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期即共同受力，如圆形截面
2、是外加荷载作用在核心混凝土上，钢管只起对其核心混凝土的约束作用，即所谓的钢管约束混凝土柱，如方形截面。
四、常用的拱桥截面形式：
相对于钢筋混凝土钢管混凝土的优缺点
优点：
1、承载能力大为提高，特别是在高层建筑中，钢管混凝土柱抗压和抗剪承载能力相对普通钢筋混凝土优势较为明显和钢柱相比,抗压承载力虽略低,但却无局部失稳问题。
而且钢管混凝土的塑性性能好,防止了管内砼的脆性破坏。
在高层建筑中可以做到不限制轴压比。
这是钢筋混凝土结构无法做到的。
2、塑性和韧性好，所以抗震性比钢筋混凝土更好。
混凝土脆性较大，对于高强度混凝土更是如此，其工作的可靠性因此大为降低。
如果将混凝土灌入钢管中形成钢管混凝土，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，而且在破坏时具有很大的塑性变形。
同时柱子截面大幅减小，相应的自重大幅减小，地震引起的地震反应也相应减少。
2、扩大了使用空间。
由于钢管混凝土柱的承载力高，不但柱子截面减小，而且可以大柱网、大空间的框架结构体系。
3、具有良好的经济效应
a.相对钢筋混凝土，钢管混凝土可以大量节约混凝土，减少自重，而用钢量却几乎相当或者略多，同时还能减少模板
b.施工简单，可以大大缩短工期
c.柱子截面减小，降低了地基基础的造价。
采用钢筋混凝土的高层建筑,其自重一般为1．5t/m2~2t/m2（不包括基础）而采用钢管混凝土柱钢梁结构时,一般自重都小于1t/m,在国外,有低达0．5t/m2~0.6t/m2的例子。
显然,和采用钢筋混凝土结构相比,采用钢管混凝土柱可以减小地基上单位面积荷载25%以上,自然,基础尺寸也相应减少,降低了基础工程造价。
d.采用高强度混凝土时，可有效防止混凝土的脆性破坏，充分发挥高强度混凝土的承载力
缺点：
1、使用范围有限
从现已建成的众多建筑来看,钢管混凝土的使用范围还仅限于柱、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较复杂而且构造要求繁琐,经济效益不佳。
2、从钢管构件的制作、安装要求讲也是具有一定难度和繁锁性
a.钢管混凝土柱用的钢管,焊接、制作要求较高
b.在构件制作过程中,钢管的对接是一个难点。
结构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
3.从质量检查及施工方法上讲,这种结构构件形式也是存在弊端的
a.钢管混凝土柱管内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。
b.从混凝土浇灌方面讲。
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、坍落度要求比较严格。
采用高位抛法施工,混凝土的配合比要求亦很严格。
必须先进行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。
这或许会比普通钢筋砼结构施工更需要管理。
3、相对于钢筋混凝土，钢馆混凝土的耐火性稍差。
国外钢管混凝土的一些研究
一、钢管混凝土的耐火性能的研究
国外学者主要研究了钢管配筋混凝土结构的耐火极限且柱结构不采取防火保护措施的情况，研究者对圆形和方形截面的钢管混凝土结构在火灾下的力学性能进行了大量的理论分,析和试验研究，并制定了各自的设计规程，由于钢管混凝土是一种新型结构，目前国内尚未制定该类结构防火方面的规定，不但制约了该结构的推广，而且对于已建成结构的耐火极限也缺乏必要的科学依据。
有的按照钢筋混凝土结构的要求外包以混凝土，有的则按钢结构的要求涂以防火涂料。
这样做虽然可能保证防火要求和结构的安全性，但大都偏于保守而造成浪费。
近年来，国内学者进行了圆形截面钢管混凝土结构耐火性能的研究工作，已取得可喜的成果，在方形截面和矩形截面钢管混凝土柱及钢管高强混凝土柱耐火性能的研究方面也有了不少成果，结果表明，钢管混凝土具有比钢结构更好的耐火性能，并形成了一套实用的抗火设计方法，成功地应用在国内钢管混凝土超高层建筑中规模最大的深圳赛格广场中，节省了大量投资。
二、钢管混凝土火灾后剩余承载力的研究
由于钢管混凝土结构具有良好的耐火性能，通过采取合理的计算方法和防火构造可以满足结构所需要的耐火极限。
国内外学者对在高温、恒高温、标准升温曲线等不同情况下钢管混凝土结构的耐火性能和耐火极限做了大量的研究，我国的相关抗火设计规程也在编制之中。
由于钢管混凝土耐火性能好，建筑物在遭受火灾后往往还具有一定的承载能力，如何评估和维修加固火灾后的结构是工程中面临的新问题，因此很有必要研究火灾后钢管混凝土结构的承载力，建立其剩余承载力的计算理论和方法，为合理制定火灾后该类结构的修复加固提供决策的依据。
以往国内外尚缺乏这方面的资料，福州大学进行了一系列火灾后钢管混凝土柱的剩余承载力的试验研究，包括圆形截面、方形截面和矩形截面，并取得了相关成果
三、实心钢管与空心钢管混凝土耐火性研究
关于实心钢管混凝土的耐火性能已有大量的实验研究,而空心钢管混凝土的耐火实验目前还非常少见.针对这一不足,对空心钢管混凝土进行了耐火实验研究,其中考虑了不同的空心率,并对中空注水对构件耐火性能的影响也进行了实验研究.实验结果表明:
在相同的荷载比下,构件的耐火时间随空心率先增大后减小.当空心率较小时,中空注水对构件耐火时间的提高作用不明显；当空心率较大时,注水对耐火时间的提高才体现出来.
国内钢管混凝土的新技术
薄壁钢管混凝土核心桩
钢管混凝土在工程中的应用
深圳彩虹（北站）太桥位于广东省深圳市区，是连接八卦二路与田贝四路的一座城市跨线桥。
该跨桥线桥全长1.2km，跨越深圳火车北站29条股道，是目前世界上跨越铁路股道最多的桥梁之一。
主桥采用门构式（下承）钢管混凝土柔性系杆拱，拱脚无推力，桥面宽23.8m，拱脚处桥面宽28m。
设计荷载：
汽—超20，挂—120，人群荷载：
4.5kN／m2，桥下按电气化列车运营要求预留净空，不小于7.2m。
桥面纵坡2.5‰，横坡为双向1.5％，地震按7度设防。
主桥计算跨径150m，矢跨比1／4.5，拱轴为悬链线，拱轴系数1.167，采用双拱肋，每片拱肋由4-Ф750×12mm钢管混凝上组成桁式断面，桁高3.0m，桁宽2.0m，钢管内灌注C50微膨胀混凝土。
两片拱肋之间采用6道风撑连接，拱顶没2片K撑，拱脚侧各设2片一字形风撑。
桥面采用预应力钢高托座—混凝土空心板叠合梁，设汁成纵向漂浮体系。
下部结构基础为独柱独桩式，桥墩采用Ф2.8m～Ф3.4m变截面钢管混凝土组合柱，主拱与桥墩采用拱墩固结形式，采用纵向系杆平衡主拱的水平推力。
钢管内流态混凝土受力机理
钢管内的混凝土，在灌注过程中处于流态，类似于液体，一般在设计时仅将其作为荷载；由于液态混凝土向拱脚钢垫板传递液压力，从而减轻钢拱肋负荷，改变结构受力状况；因此，本桥设计时不仅将其作为荷载；同时考虑液态混凝土向拱脚钢垫板传递液压力的减载作用。
钢管内的流态混凝土承受一部分内力。
因此钢管内的混凝土凝固时有初应力。
流态混凝土不能传递剪力、弯矩，也不能传递集中力产生的点压力，但它能传递液压力，其大小为P=γ×h。
在拱顶处h=0，但在拱脚处h就等于矢高f。
拱脚截面承受着整个主拱及桥面的全部荷载，从而控制设计。
因此。
研究流态混凝土对拱脚的受力影响有意义。
本桥考虑流态混凝土受力机理后钢管承受混凝土重量引起的拱脚应力由46.52MPa减小到33.28MPa，降低37.1％。
同时，设计中在拱脚采用了实腹段。
先浇实腹段混凝土，再灌钢管内的混凝土，对于改善拱脚的受力有利，对设计夫跨度的钢管混凝土拱桥更具指导意义。
先安装的构件将参与后期受力。
钢管参加各阶段受力，而钢管内混凝土仅参与除钢管与管内混凝土重量以外的后期受力。
显然，在同·截面上，钢管所受的力比混凝土要大。
从材料性质上看，钢材的抗拉压性能均比混凝土好，钢管混凝上的施工顺序也正是设计所期望的。
主拱钢管灌注混凝土顺序对结构受力的影响
经分析确定，先灌上管混凝土，后灌下管混凝土，理由如下：
（1）桥面恒活载作用下，拱脚产生负弯矩，使拱脚上缘受拉，下缘受压，与前阶段的初应力叠加起来，对安装桥面及运营阶段均有利。
（2）先灌上管混凝十使墩顶产生的水平变位较小。
（3）从构造上看。
上管受力稍大一些更合理，因为下管拱脚的锚固不及上管强。
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