钢管混凝土结构在建筑工程中的应用

　　摘要：钢管混凝土与传统的钢筋混凝土结构相比，钢管混凝土因具有多方面的优点而广泛的应用在工程建设中。文章对钢管混凝土在建设工程中应用探讨。
　　关键词：钢管混凝土，优点，应用
　　引言
　　钢管混凝土，是将混凝土填入薄壁钢管内而形成的组合结构材料。因其承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能好、经济效果好等优势，被广泛应用于各种建筑物中，取得了良好的经济效益，成为目前结构工程科学的一个重要发展方向，有着广阔的应用前景。
　　1钢管混凝土的发展概况
　　钢管混凝土结构的出现和应用已有上百年的历史最早的钢管混凝土出现在上个世纪八十年代，在英国，钢管混凝土首次被用于桥墩的设计，它是在钢管内灌筑混凝土以防止锈蚀并承受压力。随后又被用作多层、高层建筑物的结构柱。对钢管混凝土力学性能进行较为深入的研究始于20世纪六七十年代，美国等国家开展了大量的钢管混凝土试验研究和理论分析工作，取得了很大进展。并在一些工程中加以应用近些年来．对长期荷载作用下的钢管混凝土力学性能的研究取得新进展。对钢管混凝土动力性能研究的也进一步深入，此外，对采用高强钢材和高强混凝土的钢管混凝土构件力学性能以及对钢管局部屈曲等问题也进行了不少研究工作。我国最早主要集中研究在钢管浇灌素混凝土的内填型钢管混凝结构，60年代中期，钢管混凝土开始在一些厂房柱和地铁工程中采用。进入70年代后，这类结构在冶金、造船、电力等行业的工业厂房得到广泛的推广应用。1978年，钢管混凝土结构被列入国家科学发展规划，使这一结构在我国的发展进入一个新阶段，无论是科学研究还是设计施工都取得较大进展，取得了良好的经济效益和社会效益。
　　2钢管混凝土的特点
　　2．1承载力高
　　钢管和混凝土之间的相互作用使该组合结构的承载力显著提高。经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达到钢管和混凝土单独承载力之和的I．7～2．0倍。
　　2.2塑性和韧性好
　　钢管的套箍作用，使核心混凝土的物理性能发生了质的变化，不但在使用阶段提高了弹性性质，而且破坏时产生很大的塑性变形，由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性明显改善。试验结果表明，钢管混凝土轴心受压短柱破坏时可以压缩到原长的三分之二，完全没有脆性破坏的特征这种新结构在承受冲击和振动荷载时，也具有很大的韧性，因而抗震性能良好。
　　2．3制作和施工方便
　　与现浇钢筋混凝土柱相比，采用钢管混凝土柱时没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简便。此外混凝土的浇灌更为方便，加快施工速度：与预制钢筋混凝土构件相比，钢管混凝土不需要构件预制作场地：与钢结构相比，钢管混凝土的构造通常更为简单，因而焊缝少，更易于制作。
　　2．4耐火性能较好
　　钢管混凝土的核心混凝土能吸收部分热量，减慢钢管的升温速度，并且在钢管部分屈服后还可以继续承受轴向荷载，防止结构倒塌。另外钢管混凝土构件在急骤降温(如消防冲水)时不会发生钢筋混凝土那样爆裂，说明其防火性能比钢结构和钢筋混凝土结构更加优越。
　　2．5经济效果好
　　采用钢管混凝土具有很好的经济效果，大量工程实际经验表明：采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋混凝土约可节约混凝土50％，减轻结构自重50％左右钢材用量略高或约相等；和钢结构相比，呵节约钢材50％左右。此外，由于在钢管内填充了混凝土，钢管混凝土柱的防锈费用会较空钢管柱有所降低。
　　3钢管混凝土在建筑施工中的应用
　　正是由于钢管混凝土结构具有优越的力学性能和省工省料、施工快捷等特点，所以在国内外的高层建筑和大跨度拱桥等结构中得到广泛的应用。例如1997年10月建成的四川万县长江大桥跨度达到420米。据桥梁工程师们预测，采用钢管混凝土拱桥结构，单孔蹁有望达到500至600米高384米，采用钢管混凝土柱建成的高层建筑也起来越多。其中江西华龙国际大厦位于江西南昌市繁华的老福山商贸区，总建筑面积为42000平方米，建筑总高度为120米，为江西省第一座高层钢管混凝土柱钢框架、混凝土核心筒混合结构建筑。
　　3.1施工过程受力分析
　　由于在进行钢管混凝土构件施工时，一般郁是先发装好儿层的。钢管结构，待几层楼面结构施工完后一次浇筑其中的混凝土，同时，在许多高层建筑的地下室施工中常采用逆作法或半逆作法，这样钢管往往又作为施工阶段的支撑从而可能引起钢管局部应力集中或局部屈曲现象，严重时可导致钢管胀裂。国内某拱桥在进行钢管混凝土拱肋的施工时由于上述原因导致了爆管事故。钢管混凝土结构施工阶段的力学分析问题和安全性已经受到工程界的高度重视。目前国内外对组合结构的施工力学问题开展了一些初步研究：如对方钢管混凝土柱的施工力学分析：对异型带肋组合墙结构的施工力学分析；空钢管在竖向施工荷载作用下管壁初应力对钢管混凝土后期承载力的影响等。
　　3.1施工质量要求
　　3．1．1钢管的制作、连接等要求
　　有关钢管的一些要求，均属于构造的基本要求，可以参考《钢结构工程施工及验收规范》(GBJ205-83)的有关内容以及国内已建钢管混凝土结构的施工经验。
　　3．1．2混凝土浇灌及养护
　　由于钢管混凝土具有很好的整体性和密闭性，所以对钢管内混凝土的浇灌质量无法作直观检查，所以必须依靠严密的施工组织来保证其浇灌质量。另外，由于钢管混凝土构件周身都为密闭，造成在养护过程中，构件中间大部分地方均难以获得充足的水分，混凝土硬化难以继续，后期强度得不到保证。
　　4钢管混凝土应用存在问题
　　尽管钢管混凝土结构有诸多优点，但是由于其特性以及发展还不完善，钢管混凝土结构在应用中还存在一些问题。
　　(1) 钢管混凝土结构节点连接问题
　　目前，钢管混凝土节点的试验研究主要是针对具体工程而进行的，试验研究缺乏系统性，节点的计算模型不明确，还没有形成一套完整的计算理论和设计方法，往往只能依靠经验进行截面和配筋设计，这不利于整个结构的可靠度控制，可能造成材料上的浪费和安全隐患。另外节点的设计选型也较困难。由于穿心构件对钢管的削弱很严重，影响钢管的强度，并且不利于核心混凝土的浇筑，不方便施焊，所以在设计上要避免。
　　(2)钢管混凝土核心混凝土质量控制问题
　　钢管混凝土内的核心混凝土被外围钢管所包裹，其浇注属于隐蔽工程浇筑质量很难控制。研究结果表明，混凝土密实度对钢管混凝土构件的力学性能影响很显著。这种影响对轴压短构件相对较小，对轴压长构件相对较大，而对偏压构件影响最为显著。所以在混凝土的施工过程中，既要保证混凝土的强度，还要保证混凝土的密实度，确保其力学性能不受影响。从减小变形和经济角度考虑，核心混凝土宜采用强度等级不低于C30的混凝土。
　　4结语：
　　钢管混凝土能够适应现代结构想大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的要求，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，高层与超高层建筑、拱桥和地下结构中，并已取得良好的经济效益和建筑效果，是结构工程科学中一个重要的发展方向。相信随着对钢管混凝土结构近一步的研究与探索，其优点会充分体现出来，成为一种更加完善的结构形式。
　　参考：
　　[1]钟善桐．高层钢一混凝土组合[M]．华南理工大学出版社，2003．
　　[2]CECS28：90钢管混凝土结构设计与施工规程[s]．
　　[3]CECS159：2004矩形钢管混凝土结构设计技术规程[s]．北京：中国计划出版社．2004．
　　[4]占美森．薄壁钢管混凝土柱轴心受压承载性能研究[D]．南昌大学工学，2007

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