组合结构课程作业-钢管混凝土发展概况

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1、1 大学土木建筑工程学院 硕士研究生课程作业（论文） 课 程 组合结构 任课教师 专业年级 结构工程 研 究 生 成 绩 2 目录目录 钢管混凝土结构发展概况3 1.钢管混凝土介绍.3 1.1 钢管混凝土的概念3 1.2 钢管混凝土的特点4 2.钢管混凝土的发展历史.5 2.1 钢管混凝土在国外的发展5 2.2 钢管混凝土在国内的发展6 3.钢管混凝土组织协会和相关规范的发展.11 4.钢管混凝土研究的发展.12 4.1 钢管高强混凝土结构的研究12 4.2 钢管混凝土结构耐火性能的研究.13 4.3 钢管混凝土结构动力性能的研究14 5.钢管混凝土的发展方向.14 5.1 薄壁钢管混凝土结构

2、.14 5.2 钢管混凝土的防火性能.14 6.钢管混凝土结构存在的问题和缺点.15 7. 总结.15 参考文献15 3 钢管混凝土结构发展概况钢管混凝土结构发展概况 1. 钢管混凝土介绍钢管混凝土介绍 1.1 钢管混凝土的概念钢管混凝土的概念 钢管混凝土（concrete filled steel tubular，简称 CFST） ，是指在钢管内填充 混凝土而形成钢管与核心混凝土共同承受外荷载作用的结构构件。按截面形式 不同，分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土和多边形钢管混凝土等1。工程中常 见的几种截面形式如图 1 所示。 混凝土 圆形钢管 (a) 圆形 混凝土 方形钢管 (b) 方形 混凝土

3、 矩形钢管 (c) 矩形 混凝土 内钢管 外钢管 (d) 圆套圆 混凝土 内钢管 外钢管 (e) 圆套方 混凝土 内钢管 外钢管 (f) 方套方 4 图 1 钢管混凝土截面形式 实际工程中，圆钢管混凝土结构应用较多，但也有采用方钢管混凝土或多 边形钢管混凝土，因为这种截面形式易于和梁连接。圆钢管能更有效的约束核 心混凝土，从而混凝土的抗压强度和变形能力得到显著提高。方钢管则因不能 对核心混凝土提高有效的紧箍力，混凝土的强度和变形能力远低于圆钢管混凝 土。 1.2 钢管混凝土的特点钢管混凝土的特点 钢管混凝土的基本原理是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用2， 钢管混凝土可以充分发挥钢管与混凝

4、土两种材料的作用。对混凝土来讲，钢管 使混凝土受到横向约束而处于三向受压状态，从而使管内混凝土抗压强度和变 形能力提高；对钢管来讲，由于钢管较薄，在受压状态下容易局部失稳而不能 充分发挥其强度潜力，在中间填实了混凝土后，大大增强了钢管的稳定性，使 其强度潜力得到充分发挥。因此，钢管混凝土具有以下特点3; 4： （1）结构承载力高 对于薄壁钢管来说，其抗弯性能强，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；对于混凝土来说，其抗压强度高，但抗弯能力很弱。 在钢管中灌入混凝土形成钢管混凝土构件，钢管保护了混凝土，混凝土受到钢 管的约束而处于三向受力状态，使得核心混凝土具有更高的抗压强度

5、和变形性 能，而混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢管过早出现局部屈曲，从而使钢管 混凝土柱具有很高的承载力。 （2）具有良好的塑性和韧性 单向受压的混凝土常属脆性破坏；钢管混凝土结构中，核心混凝土在钢管 的约束下，不但使用阶段工作时弹性性质得到改善，而且被破坏时产生很大的 塑性变坏的特征。在反复荷载作用下，P 一滞回曲线表明，钢管混凝土结构 的吸能性能特别好，延性好，无刚度退化现象，弯矩和曲率的关系曲线无下降 段。 （3）结构耐火性能好 与钢结构相比，钢管混凝土由于钢管内填灌了混凝土，能吸收大量的热能， 因此遭受火灾时柱子截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，耐 5 火极限高于钢结构，

6、为抗火而增加的保护材料比钢柱少。 （4）施工过程便捷 与钢结构相比，钢管混凝土结构零部件少，焊缝少，而且柱脚构造简单， 可直接插入混凝土基础的预留杯口中，不需要复杂的柱脚构造。与钢筋混凝土 结构相比，不需要支模、绑扎钢筋和拆模等工艺，同时由于自重轻，大大减轻 了运输和吊装工作。钢管本身就是钢筋，它兼有纵向受力钢筋和横向箍筋的作 用，制作钢管远比制作钢筋骨架省工省时，而且便于浇灌混凝土；钢管本身就 是耐侧压的模板，因而浇灌混凝土时可省去支模、拆模等工序和模板，并可适 应先进的泵灌混凝土工艺；钢管本身又是劲性承重骨架，在施工阶段可起劲性 钢骨架作用，其焊接工作量远比一般型钢骨架少，从而可以简化施工

7、安装工艺、 节省脚手架、缩短工期、减少施工用地。 （5）经济效果好 据有关数据表明，与钢柱相比，钢管混凝土柱可节约钢材 50左右，造价 大幅度降低；与钢筋混凝土柱相比可节约混凝土 50，减轻自重 50，且不需 要施工模板，而用钢量相等或略多。 6 2. 钢管混凝土的发展历史钢管混凝土的发展历史 2.1 钢管混凝土在国外的发展钢管混凝土在国外的发展 钢管混凝土在国外的出现和应用迄今已经有近百年的历史3。早在 1879 年 在英国 Seven 铁路桥的建造中就使用了钢管混凝桥墩。1897 年美国人 Lally 将 圆形钢管混凝土应用于房屋建筑中，并命名为 Lally 柱。随后 20 世纪 20 年

8、代 在美国各地出现了一些单层和多层的钢管混凝上承重柱。法国巴黎在 1930 年建 造了一座跨度 9m 的上承式钢管混凝土拱桥。苏联列宁格勒（现俄罗斯圣彼得 堡）建造了横跨涅瓦河 101m 的下承式钢管混凝土拱桥，1939 年在西伯利亚建 成了跨度为 140m 的上承式钢管混凝土铁路拱桥。20 世纪 60 年代前后，钢管混 凝土结构的应用，在苏联、西欧、北美和 日本等工业发达国家受到重视，曾在厂房 建筑、多高层建筑、立交桥以及特种结构 工程中得到应用，收到良好的效果。但随 后因管内浇灌混凝土劳动强度大，使钢管 混凝土的应用趋缓。到 20 世纪 80 年代， 由于泵送混凝上技术的出现和应用，解决

9、了现场浇灌混凝土的繁琐劳动问题，而且 劳动效率大大提高，加之高强混凝土的广 泛应用需要钢管套箍去克服其脆性，因此 在美国、日本和澳大利亚等国中掀起了钢 管混凝土的应用的高潮。日本很多 10 层左右的多层建筑利用泵送技术采用了钢 管混凝土柱，在多次地震灾害中表现出良好的抗震性能，1998 年竣工的琦玉县 雄狮广场 55 层住宅楼，是日本采用钢管混凝土的最高高层建筑。澳大利亚第一 座采用钢管混凝土柱的高层建筑是 1991 年建成位于墨尔本的 46 层联邦中心大 厦办公楼。20 世纪 80 年代末 90 年代初，美国在西雅图建造了两座钢管混凝土 高层建筑：58 层的联合广场大厦（见图 2）和 44

10、层的太平洋第一中心大厦。 2.2 钢管混凝土在国内的发展钢管混凝土在国内的发展 从 20 世纪 60 年代中期钢管混凝土开始引入我国，迄今已经历半个世纪。 它在我国的应用和发展经历了两个阶段5：从 60 年代中期到 80 年代中期为应 图 2 联合广场大厦（美国西雅图） 7 用推广阶段，从 80 年代中期至今为提高发展阶段。 （一） 应用推广阶段（20 世纪 60 年代中期到 80 年代中期） 第一个采用钢管混凝土柱的工业厂房是辽宁省鞍山市第三冶金建设工业公 司自行设计、加工和施工的预制构件厂的制管车间。1968 年底建成，1969 年投 入使用，迄今已有 47 年，仍在安全使用中。随后应用钢

11、管混凝土的工程有山西 恒曲十八河尾矿输送流槽桥、山西临汾钢厂洗轧车间等。 首都地铁 1 号线建于 20 世纪 60 年代末，在北京站和前门站两个站台工程 中，初次采用了钢管混凝土柱，在建造地铁 2 号线和 3 号线时，所有站台柱全 部采用了钢管混凝土柱，且取得了十分显著的经济效益。 上述工程中采用钢管混凝土柱的成功案例，大大激发了工程界浓厚的兴趣， 从此促进了钢管混凝土在冶金工业、造船工业、电力工业等各种工程的厂推广 应用，建设的工程总数达百余项。据不完全统计，从 20 世纪 70 年代到 80 年代 中期，在全国建成的采用钢管混凝土结构的工程已超过 200 个，遍布全国各地， 主要包括： （

12、1）工业厂房：有本钢、鞍钢、首钢以及宝钢工程中的大量重工业厂房， 还有各地的造船厂和火力发电厂等，厂房跨度最大的为 54m，柱高达 6070m，桥式吊车最大的为 100t 重级工作制吊车，如图 3(a)所示。 （2）高炉和锅炉构架：钢铁厂的高炉构架，高炉容量超过 1000m3，及一 些火力发电厂中的锅炉构架。湖北荆门市热电厂的锅炉构架高达 50m，是迄今 采用钢管混凝士柱最大的锅炉构架，如图 3（b）所示。 （3）送变电塔架：葛洲坝至华东的 500kV 高压输电线路塔架，以及很多 变电站中的变电塔架。如图 3（c）所示。 8 总之，通过研究、推广和应用钢管混凝土结构，取得了相关经验，提高了 广

13、大工程技术人员对钢管混凝土结构的认识，为钢管混凝土结构进入提高阶段 奠定了基础。 （二） 提高发展阶段（20 世纪 80 年代中期至今） 自 1978 年改革开放以来，钢结构高层建筑首先在北京、上海和广州等地出 现。随着我国钢产量的快速增加，1996 年我国钢产量达 1 亿吨，2008 年已超 5 亿吨，2014 年达 11.26 亿吨6。我国已成为世界钢铁大国，这大大促进了钢结 构在我国的应用与发展。国家对钢结构在建筑中的采用政策也由“严格限制采 用”改为“综合考虑，合理采用” ，随后又转变为“鼓励采用”7。显然，钢结 构在我国进入了第二个春天，应用范围不断扩大，发展迅速。 （a）上海电机厂

14、露天车间 (b) 湖北荆门市热电厂 (c)高压输电线路塔架 图 3 钢管混凝土在工程中的应用实例 9 不过，根据我国国情，钢结构工程的造价比钢筋混凝土结构的工程造价高 很多，这是制约采用钢结构的主要因素。为 降低工程造价，以钢管混凝土柱代替钢柱的 高层建筑应运而生。80 年代末至 90 年代，我 国的钢管商品混凝土工程应用也进入成熟阶 段，并居世界前列将其拓展为公路与城市拱 桥和高层与超高层建筑的两大工程应用领域。 近 10 年来，在北京、广州、深圳和天津等地 建成的采用钢管混凝土的高层与超高层已达 60 多座。其中最高的是深圳 72 层的赛格广场 大厦（图 4） ，结构高度 291.6 米，

15、全部柱子 包括内筒都采用了钢管混凝土柱。是我国自 行设计和施工，全部采用国产钢材的第一个 钢管混凝土超高层建筑，也是当今世界上采用钢管混凝土的最高建筑。 从 20 世纪 80 年代中期起，在高层建筑中采用钢管混凝土结构的过程经历 了三个阶段3。 第一阶段，单纯从钢管混凝土柱的承载力高、柱截面小、可增加有效空间 和施工简便出发，局部柱子采用了钢管混凝土柱。第一个采用钢管混凝土柱的 高层建筑是泉州市邮电局大楼，如图 5 所示。随着泉州市邮电局大楼的建成， 接着出现了不少局部结构柱采用钢管混凝土柱的高层建筑。如福州环球广场 （1997 年） 、广州好世界广场（1995 年） 、北京四川大厦（1995

16、 年）等。 第二阶段是大部分柱子采用钢管混凝土柱。第一个工程是厦门的阜康大厦。 采用了钢管混凝土框架柱的框筒结构体系。地下 2 层，地上 25 层，高 82.5m。 地下 2 层到地上 12 层采用了钢管混凝土柱。柱子最大截面为 A100010，钢材 Q235，混凝土等级为 C35，于 1994 年建成。图 6 为建成后的立面图。随后大 部分柱子采用钢管混凝土柱的工程有北京国贸大厦一期、广州新中国大厦、天 津工商银行办公大楼等。 第三阶段是全部柱子采用钢管混凝土柱。第一个工程是厦门金源大厦（图 7） ，于 1997 年建成。此外，全部柱子采用钢管混凝土柱的工程有天津晚报大厦、 图 4 深圳赛格广场大厦 10 深圳邮电信息枢纽中心等三四十座。在此阶段，在建设部门的的支持和推广下， 一大批住宅楼也采用了钢管混凝土柱，比较典型的工程有上海中福城（图 8） ， 地下 1 层，地上 17 层，采用框架剪力墙结构体系，于 2001 年建成。 在超高层建筑