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1、土木工程概论论文钢管混凝土结构技术摘要：钢管混凝土组合结构构件是指用混凝土填入薄钢管内形成的结构构件。钢管混凝土主要用作受压构件，其优势在于更好地发挥钢管与混凝土两种材料地受力性能。混凝土受到钢管的横向约束而处于三向受压状态，具有更高的抗压强度和变形能力，由于钢管壁的厚度较薄，在受压状态下容易局部失稳，在其中填充了混凝土后，则显著增加了钢管壁的稳定性，其承载力也得到了充分发挥。钢管混凝土与结构钢相比，在保持自重相近和承载能力相同的条件下，可节省钢材约50%，焊接工作量可大幅度减少；与钢骨混凝土柱相比，在保持构件横截面积相近和承载能力相同的条件下，可节省钢材约50%，施工更为简便；与普通钢筋混凝
2、土柱相比，在保持钢材用量相近和承载能力相同的条件下，构件横截面积可减少约一半，从而使建筑的有效面积得以加大，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少约50%。关键字：组合结构 钢管混凝土 承载力 节省钢材1.概述钢管混凝土结构是一种组合结构。组合结构是由几种不同受力性质的建筑材料组成的构件或结构，在荷载作用下能够共同受力、变形协调。组合结构的材料有4种，分别是混凝土、钢筋、型钢、连接材料。组合结构具有能发挥不同材料各自优良性能的特点，因而在许多国家得到了广泛的应用。钢管混凝土组合结构构件是指用混凝土填入薄钢管内形成的结构构件。钢管混凝土组合结构是指其主要构件采用钢管混凝土杆件所组成的结构。目前，在
3、工程中应用最多的是钢管混凝土柱，其截面形式有圆形、矩形、方形、多边形，用的最多的是圆形。钢管混凝土主要用作受压构件，其优势在于更好地发挥钢管与混凝土两种材料的受力性能。混凝土受到钢管的横向约束而处于三向受压状态，具有更高的抗压强度和变形能力，由于钢管壁的厚度较薄，在受压状态下容易局部失稳，在其中填充了混凝土后，则显著增加了钢管壁的稳定性，其承载力也得到了充分发挥。2钢管混凝土结构的构造要求钢管混凝土结构的构造除了应满足一般钢结构设计规范与施工规程的要求外，还应考虑钢管混凝土结构的特点，保证构造要求。21 钢管（1）钢管可采用螺旋缝焊接钢管，直接焊接钢管或无缝钢管。一般情况下宜采用螺旋缝焊接钢管
4、，因为他容易达到焊缝与母材等强度的要求。当采用螺旋缝焊接钢管的常用规格不能满足要求或钢管壁厚度比较大时，可采用钢板卷成的直缝焊接钢管，且采用对接坡口焊缝，确保焊缝强度不低于钢管强度，不允许采用钢板搭接的角焊缝。无缝钢管的造价较高。且管壁相对较厚，必要时也可采用。（2）焊接钢管必须采用双面或单面V形坡口全熔透对接焊缝，并达到与母材等强度的要求；直缝、环缝和螺旋缝的焊接质量均应符合钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）中一级焊缝标准；现场安装分段接头的受压环焊缝，应符合二级焊缝的标准。（3）钢管的钢材应采用屈强比/ 0.8的Q345号钢，也可采用Q390号钢或Q420 号钢。钢管壁
5、的厚度 t不应小于8mm ,也不宜大于25mm；钢管的外直径D不宜小于100mm，钢管的外径与壁厚之比值D/t宜在2070之间，一般承重柱在70左右，桁架杆件再25左右。（4）当采用手工焊时，Q235钢材应采用E43型焊条，Q345钢材应采用E50焊条，Q390及Q420钢材应采用E55型焊条。用于加工制作钢管的钢板，尚应具有冷弯180的合格保证。（5）钢管混凝土的含钢率 ，是指钢管截面面积与内填混凝土截面面积的比值，即=。式中D，t分别为钢管的外直径和壁厚。为了保证空钢管的局部稳定，含钢率不应小于4%，它相当与经厚D/t=100。对于Q235钢，宜取=4%16%，对于Q345钢，宜取=4%1
6、2%，一般情况下，比较合适的含钢率为=6%10%。（6）矩形钢管混凝土构件的横截最小边尺寸不宜小于100mm，钢管壁厚度不宜小于4mm，截面的高度比h/b不宜大于2,。当有可靠依据时，上列限值可适当放宽。当矩形钢管把混凝土构件截面最大边尺寸不小于800mm时，宜采用在柱子内壁上焊接栓钉、纵向加劲肋等构造措施。2.2 混凝土（1）混凝土宜采用水泥混凝土。由于钢管是封闭的，多余水分不能排出，故混凝土水灰比不宜过大，应控制在0.45及以下/（2）为了确保混凝土易于振捣密实，可掺入引气最小的减水剂，使混凝土的坍落度保持在160mm左右。（3）从优化钢管与混凝土的共同作用。减少变形和经济方面考虑，混凝土
7、强度等级宜在C30C80之间。（4）管内混凝土的强度等级，应根据承载力大小的要求及与钢管的钢号相匹配。一般情况下：Q235钢材，配C30、C40或C50级混凝土;Q345钢材。配C40、C50或C60级混凝土；Q390钢，配C50或C60级以上混凝土。(5)采用泵送混凝土工艺或抛落无振捣浇灌时使用流动性混凝土，采用振捣浇灌工艺时，使用塑性混凝土。3钢管混凝土结构力学性能钢管混凝土柱由钢管与混凝土两者组成。钢管与混凝土存在粘结力，因此钢管都处于纵向受压、环向受拉的双向应力状态（径向压力较小，可忽略不计），而混凝土处于三向受压状态。即便是最简单的轴心受压柱，也由于加载方式、构件构造及施工工艺原因，
8、其传力情况也不同，大体来说传力情况分为三类：（1） 外荷载直接施加于混混凝土，通过混凝土与钢管之间的粘结力，将纵向压力传递给 钢管，钢管并不直接承受纵向荷载。（2） 外荷载通过加载板同时将纵向力传递到钢管与混凝土上，两者同时受力。（3） 由于施工时空钢管已经承受了纵向压力，或者因为混凝土的凝缩，使得于混凝土面低于钢管顶面，因此都是钢管先受纵向压力，只有当钢管压短至与混凝土顶面相同时，混凝土才与钢管共同分担纵向压力。这三种加载情况，根据国内外许多科研院所及许多学者的研究结果表明，它们的极限承载力大致相当并无明显差别。4钢管混凝土的特点钢管混凝土除了具有一般套箍混凝土的强度高、质量轻、塑性好、耐疲
9、劳、耐冲击等优越的力学性能外，还具有以下一些在施工工艺方面的独特优点：（1）钢管本身就是侧压模板，因而浇混凝土时，可省去支模板。（2）钢管本身就是钢筋，它兼有纵向钢筋和横向钢筋的功能。（3）钢管本身又是劲性承重骨架，在施工阶段它可起劲性钢骨架的作用。钢管混凝土也是在高层建筑和大跨度桥梁中应用高强混凝土的一种最有效和最经济的结构形式。其原因有以下几个方面：（1）钢管对核心混凝土的套箍作用，能有效地克服高强混凝土的脆性。（2）钢管内无钢筋骨架，便于浇灌高强混凝土，而且因有钢管分隔，与管外楼盖梁板结构的普通混凝土互不干扰，无交错浇灌的麻烦。（3）钢管外面无混凝土保护层，能充分发挥高强混凝土的承载能力
10、。理论分析和工程实践都表明，钢管混凝土与结构钢相比，在保持自重楣近帮承载能力相同的条件下，可节省钢材约50，焊接工作量可大幅度减少；与钢骨混凝土柱相比，在保持构件横截面积相近和承载能力相同的条件下，可节省钢材约50，施工更为简便；与普通钢筋混凝土柱相比，在保持钢材用量相近和承载能力相同的条件下，构件截面面积可减小约一半，从而使建筑的有效面积得以加大，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减小约50。5钢管混凝土发展和研究 从1987年美国人John Lally发明在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱（称为Lally柱）算起，钢管混凝土结构在土木工程中的应用已有百年历史。钢管混凝土优越的力学性能，
11、到应用的发挥。相比之下。人们仍愿采用操作简单、质检直观的普通钢筋混凝土结果或工一开始就受到欧美各国土木工程界的重视，竞相开发利用。20世纪20年代前后，在美国的波士顿、纽约和芝加哥等地，曾将其用于单层和多层建筑（最高到6层）的承重柱1。1930年在法国巴黎郊区的Ibis用以建造过一座9m跨度的上承式拱桥。1937年在苏联列宁格勒用集束的小直径钢管混凝土作为拱柱，建造了横跨涅瓦河的101m下承式拱桥。1939年又西伯利亚谢季河建成了140m跨度的上承式的钢管混凝土铁路拱桥，与钢拱桥相比，节约钢材53%，降低造价20%。但其施工方法是在现场将钢管拱架分段预制并浇灌混凝土以后，在“满堂红”的支架上拼
12、装成桥，因而钢管混凝土在施工安装发面的优越性能未得到发展。值得注意的是，在这期间，苏联展开了钢管混凝土基本力学性能的试验研究，Gxozdev阐明了钢管套箍混凝土的工作机理，并成功地用极限平衡法推导出钢管混凝土轴压短柱极限承载能力的理论计算公式，为实现钢管混凝土结构的设计计算理论奠定了坚实的基础。 20 世纪60年代前后，钢管混凝土结构技术在苏联、西欧北美和日本等工业发达国家受到重视，开展了大量的试验研究工作，曾在一些厂房建筑、个别的多层建筑和立交桥以及特种结构工程中加以应用。因使钢管混凝土的现场浇灌工艺显得繁琐的问题未得到很好的解决，而使钢管混凝土在施工性能方面的潜在优势未能得厂化程度高、现场
13、劳动量少、吊装轻便、施工快速的钢结构。 20世纪80年代后期，由于先进的泵灌混凝土工艺的发展，解决了现场管内混凝土浇灌的工艺问题，加之现代高强混凝土的迅速发展，需要用钢管套箍克服其脆性，因此在美国、日本和澳大利亚等国的若干高层建筑工程中，钢管混凝土结构技术又悄然兴起，传统的钢柱被钢管高强混凝土柱所取代，并被认为是高层建筑营造技术的一次重大突破。 钢管混凝土结构技术在我国开发利用已有40多年的历史2,3 。1959年中国科学院士土木建筑研究所最先开展了钢管混凝土基本性能的试验研究。1966年成功的将钢管混凝土柱用于北京地铁中的北京站“和前门站站台柱。20世纪70年代，钢管混凝土结构技术又在冶金造
14、船电力行业的单层厂房和重型构架中得到成功的应用。为适应北京地铁建设的需要，1963年建筑材料工业部建筑材料科学研究院水泥制品研究室（现建材局苏州混凝土水泥制品研究院）与北京地下铁道工程局(现北京市城建设计研究院)合作，对钢管混凝土短柱的基本静力性能进行了试验研究。1970年清华大学抗震抗暴工程研究室与北京地下铁道工程局合作，对钢管混凝土短柱的基本静力性能进行了试验研究。1980年根据建设部科技发展计划，中国建筑科学研究院结构所、哈尔滨建筑工和学院等单位为建立一套能满足设计需要的钢管混凝土结构计算理论和设计方法，开展了较系统的试验研究。我国对现代钢管炕强混凝土技术的研究开发给予了高度重视。198
15、4年中国建筑科学研究院结构所与海军工程设计研究局协作，开始了C75C85级钢管高强混凝土基本性能的试验研究。最近10年，在国家自然科学基金委员会和建设部、铁道部、国家建材局等联合资助的“七五”重点科技项目“高强混凝土结构性能、设计方法及施工工艺的研究”中和“八五”重点科技项目“高强高性能混凝土材料的结构与力学性研究”中，都有关于钢管高强混凝土的研究子项，先后由中国建筑科学研究院、清华大学和重庆建筑大学承担，混凝土强度等级已达到了C116。 建设部于1990年正式颁布了国家推荐性标准钢管混凝土结构设计与施工规程（cecs28:29）4,1999年又颁布了高强混凝土结构技术规程（cecs104:99）5，将钢管混凝土的混凝土强度等级从C60扩展到C80，为钢管高强混凝土结构的推广应用提供了技术后盾。建设部于1995年更将“钢管混凝土结构技术”列入科技成果重点推广项目，并授权中国建筑科学研究院为其技术依托单位。 6.结束语：钢管混凝土的结构形式虽然已沿用了百年，但在近年的突起则与现代混凝土技术有关。高强、高流态、可以免除振捣的现代混凝土解决了填入钢管中的困难，而从力学性能上看，高强混凝土与钢管一起承压可以说是完美的结合。它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂受力状态，同时，由于混凝土的变形，使钢管也处于复杂应力状态，通过两者的组合，
