钢管混凝土综述

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1、钢管混凝土综述袁 摘要：简要介绍了钢管混凝土结构的研究现状 ,具体阐述了钢管混凝土结构的特 点 , 分别论述了钢管混凝土结构在高层建筑、 拱桥、 地铁车站工程中的应用 , 并对钢管混凝土结构今后的发展方向进行了分析 ,以期促进钢管混凝土结构的 应用与推广。关键词：钢管混凝土结构 ,特点 ,应用 ,新型 ,发展方向1. 引言钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tube，简称CFT)是将混凝土灌入钢管而形 成的一种组合材料 ,是在钢管中填充混凝土后形成的构件。构件型式包括内填型 外包型和内填外包型三类。钢管可以是圆钢管, 也可以是方钢管或八角形钢管等, 混凝土可以是素混凝土,

2、也可以配有钢筋。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺 旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的。钢管混凝土由于其抗压强度高、 自 重轻、 抗震性能突出、 施工方便、 外型美观和造价经济等优点 , 广泛应用于 单层或多层工业厂房的结构柱、设备构架柱、 各种支架和超高层建筑以及桥梁 结构中。目前,钢管混凝土结构的应用很广泛 ,国内外学者对钢管混凝土进行了研究 , 取得了一些有意义的成果。柱是建筑物中的主要承重构件, 研究柱的承载能力对 建筑物的安全可靠具有重要意义, 一些学者在试验研究的基础上, 提出了一些以 计算其极限承载力为目的计算理论和公式 , 并反映在各国的有关设计规范和规 程中。在当今工程实践中

3、, 钢管混凝土柱越来越广泛地被应用于高层和超高层建 筑, 巨型框架结构中的钢管混凝土柱与其斜撑的交接处存在很大的剪力 ,以及在 钢管棍凝土柱和钢筋混凝土梁节点处,当梁的剪力通过焊接在节点底部的反牛腿 传递给柱子时,钢管混凝土的抗剪力能力可能起着主导作用,此时需根据钢管混凝 土柱的抗剪承载力来确定钢管尺寸。现阶段只能从实用出发 ,对钢管混凝土柱的 抗剪承载力做出偏于保守的估算 , 这在一定程度上限制了钢管混凝土在工程实 践中的应用。因此,对钢管混凝土的抗剪力学性能进行深入系统的研究, 对钢管混 凝土结构的发展, 特别是在超高层建筑中的推广应用也具有积极的促进作用。2. 钢管混凝土的分类和工作原理

4、2.1 钢管混凝土分类钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件 建筑上，按截面形式不 同，分为方钢管混凝土 圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土等 实际结构中，根据 钢管作用的差异，钢管混凝土柱又可分为两种形式：一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；二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 本文主要论述实际工 程中常用的圆形截面钢管混凝土和正方形截面钢管混凝土结构，及钢管和混凝土 在受荷初期就共同承受外荷载的情况。2.2 工作原理 钢管混凝土是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用 ,使核心混凝土处于三 向受压状态, 延缓其纵

5、向微裂缝的发生和发展 ,从而使核心混凝土具有更高的抗 压强度和压缩变形能力; 同时借助内填混凝土的支撑作用, 增强钢管管壁的几何 稳定性,改变钢管的失稳模态,从而提高其承载能力。此时钢管和核心混凝土都处 于三向应力状态, 混凝土的工作性质也起了质的变化 ,由脆性材料转化成塑性材 料。根据钢管混凝土的受力特点 , 圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用和内 填混凝土的支撑作用,从而使钢管混凝土构件具有轴心抗压承载力高、 抗剪和抗 扭性能好的特点; 钢管内的核心混凝土处于三向受压状态, 它的工作性质起了质 的变化, 由脆性材料转化成塑性材料, 钢管混凝混凝土构件具有良好的塑性和韧 性;钢管内有大量混凝

6、土,能吸收很多的热量,混凝土的导热系数低而比热大 ,钢管 混凝土耐火极限比钢材长;钢管混凝土柱与结构钢和型钢混凝土柱相比 , 在保持 自重相近和承载力相同的条件下,可节约钢材 50% ,与普通钢筋混凝土柱相比,构 件的截面面积可减少约 1/ 2,混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少 50%, 钢 管混凝土的经济效果显著;另外,钢管混凝土构件具有施工简单易行 ,缩短工程周 期的优点。3. 几种新型的钢管混凝土3.1 薄壁钢管混凝土 薄壁钢管混凝土是指其横截面径厚比 D/ t （对于圆钢管混凝土）或宽厚比 B/ t （对于方钢管混凝土 ）大于对应受压构件中空钢管局部稳定限值 1. 5 倍的情况。

7、对于薄壁钢管来说 ,其承载力是极不稳定的 ,因为它对于局部缺陷很敏感。试验 证明，其实际轴压力往往只有理论计算值的1/ 31/ 5，当有残余应力存在时, 影响则更大。相对于厚壁钢管混凝土 ,采用薄壁钢管混凝土的主要优点是:减少钢材用量 , 减轻焊接工作量 ,达到降低工程造价的目的 ,还可以提高构件的耐火极限。在小 高层以下包括多层、 低层建筑工程中推广使用有着广阔的前景和积极的意义。 目前 ,薄壁钢管混凝土实验室研究的径厚比 D/ t 最大达到了 150 ,使得柱的含 钢率为 5 %7 % ,与钢筋混凝土柱的含钢率接近。3.2 带纵向加劲肋钢管混凝土 对于薄壁钢管和长细比大的钢管较易产生局部屈

8、曲 ,国内外研究者先后提 出了一些抵消这种影响的构造措施 ,主要包括设置纵向加劲肋、 采用约束拉杆 和角部隅撑这三种方法 ,其中设置纵向加劲肋方法制作的板件较少 ,加劲肋和钢 管焊在一起 ,整体性好 ,有利于提高钢管和混凝土共同工作的性能 ,同时还有利 于提高构件的抗火性能。3.3 冷弯型钢钢管混凝土 冷弯型钢钢管通常做法是将两个冷弯卷边槽钢的卷边部分相对焊接而成方 管。与普通拼焊的钢管不同:1）其残余应力较拼焊管要小;2）它在冷加工的过程中 会发生较大的塑性变形 ,出现强度提高和塑性下降的现象 ,正好可以利用其优点。 由于目前冷弯型钢标准中列出的型钢截面尺寸普遍偏小 ,因而其使用范围通常 为

9、网架、 网壳和桁架等结构中受力较小的杆件 ,在实际的钢管混凝土工程中直 接采用这些标准产品的情况还不多见。3.4 中空夹层钢管混凝土 中空夹层钢管混凝土 ,是在两个同心放置的钢管之间灌注混凝土而形成的 构件 ,是在传统实心截面钢管混凝土的基础上发展起来的一种新型钢管混凝土 结构。由于常用的钢管截面形式有圆形、 方形和矩形 ,而组成中空夹层钢管混 凝土的内、 外钢管可采用不同的截面形式 ,因而可以组合出多种截面类型的中 空夹层钢管混凝土构件。中空夹层钢管混凝土继承了实心钢管混凝土承载力高、 塑性和韧性好、 耐 火性能好等一系列的优点。此外 ,由于其特殊的截面形式 ,和实心钢管混凝土相 比 , 中

10、空夹层钢管混凝土构件具有截面开展、 抗弯刚度大、 自重轻、 抗震性 能好和防火性能好等特点适于用作海洋平台支架柱、 桥墩以及高层建筑中的大 直径柱。3.5 钢管高性能混凝土和千米承压材料这里的高性能混凝土 ,指具有高强度、高流动性 ,在自重或少振捣的情况下 就能自密实的混凝土。将其灌注在钢管里 ,可以减小施工工作量和施工的噪声污 染 , 钢管混凝土还具有承载能力高、 塑性和韧性好等诸多优点 , 在高层、 超高 层建筑中被广泛的运用。随着人们对高度在千米以上的超级摩天大楼的设想和规划 ,首先遇到的就 是用什么样的承压材料的问题 ,所以就有了千米承压材料这一概念。千米承压材 料是指材料在承受压应力

11、的状态下 ,在承受压力的方向上材料尺度可以延续至 1 km 以上。其主要是由 C100 以上高强混凝土和高强度无缝钢管制成的钢管高 强混凝土柱 ,目前还处于试验研究阶段。3.6 空心钢管混凝土 空心钢管混凝土是采用离心法浇筑管内混凝土并通过蒸汽养生制成的钢管 混凝土构件。自 20 世纪 90 年代以来 ,我国已较广泛地在输电变电工程中采用。 这种构件在工厂中预制 ,运抵现场组装。由于构件中心部分的混凝土抽空了 ,减 轻了自重 ,因此便利了运输和施工。和传统的钢杆塔相比 ,节约钢材 50 %以上。 与预应力钢筋混凝土杆塔相比 ,钢材和混凝土的用量基本相同 ,但不存在混凝土 开裂问题 ,提高了结构

12、的耐久性和安全度。由此可见 ,空心钢管混凝土在电力工 程建设中有很大的发展前景。此外 ,还有蜂窝状钢管约束混凝土、 复式钢管混凝土、 异形钢管混凝土组 合柱等一些新型钢管混凝土结构 ,由于这些结构在实践中应用得少 ,在此不一一 论述。4. 钢管混凝土的应用根据钢管混凝土结构本身的特点 ,目前的主要应用领域有单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种支架、地铁站长柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、 空间结构、 高层和超高层建筑以及桥梁结构等。4.1 钢管混凝土在高层建筑中的应用钢管混凝土在高层建筑工程中 ,主要是作为受压管柱的建筑构件使用 ,与钢 梁和梁柱节点等共同构成建筑物的框架结构体系。在高层建筑中

13、 ,钢管混凝土的 特征与优势如下 :1)钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高 ,相当于钢管和混凝土 二者之和的 2 倍以上;2)钢管混凝土柱截面比钢筋混凝土柱可减少 60 %以上 ,轮 廓尺寸也比钢柱小 ,扩大了建筑物的使用空间和面积 ;3)柱子截面减小 ,自重减 小 ,有利于结构抗震 ,相当于设防烈度下降一级 ;4)钢管混凝土柱自重减小 ,减轻 了地基承受的荷载 ,相应降低了地基基础造价;5)钢管壁薄便于选材、 制造与现 场焊接 ,是施工最为快捷的建筑结构 ;6)钢管混凝土柱内的混凝土可大量吸收热 能 , 其耐火性优于钢柱 , 从而比钢柱可节省耐火涂料 50 %以上 ;7) 钢管混凝土具 有的核

14、心混凝土三向受压特性，利于刚刚问世的C60C80高强度混凝土安全可 靠地推广应用钢管混凝土。我国采用或部分采用钢管混凝土的高层建筑主要有 :福建泉州邮电大厦 (高 87. 5 m) 、 福建厦门阜康大厦(高 86. 5 m) 、 福建厦门金源大厦(高 96. 0 m) 、 福建福州侨益大厦(高115. 7 m)、天津今晚报大厦(高137 m)和广州的好世界等。 深圳赛格广场的柱结构及抗侧力体系的内筒全采用了钢管混凝土柱 ,共 70 层 , 地上部分高为278. 8 m。在国外，也有很多采用钢管混凝土的高层建筑，例如美 国西雅图的 Two Union Square 和 Pacific First

15、 Center 等。4.2 钢管混凝土在拱桥中的应用将钢管混凝土用于拱桥 ,符合拱桥建设中要求材料高强和拱圈无支架施工 及轻型化的发展方向。钢管混凝土拱桥一般可分为两种:一种是将钢管混凝土直 接用作拱桥结构主要受力部分 ,同时也作为结构施工时的劲性架 ,截面设计由前 者控制;另一种是先将钢管用于施工时的劲性骨架 ,然后再内灌混凝土并与外包 混凝土共同形成断面 ,钢管混凝土参与拱桥成型后的受力 ,截面设计以施工阶段 控制。目前,钢管混凝土用于拱桥结构的工程如雨后春笋般地不断涌现,尤其以我国 的应用最为广泛,1991 年建成的四川省旺苍县东河大桥是我国采用钢管混凝土的 第一座公路拱桥，跨度115

16、m，拱肋由上下两根钢管2 800X 10组成哑铃形，内填 C30混凝土,Q235钢材。1998年建成的广西三岸邕江大桥，跨度达270 m,是迄今 我国和世界上跨度最大的钢管混凝土中承式拱桥。拱肋用两对2 1 020X16 横 向设置的钢管混凝土哑铃形截面组成四边形 ,管内充填 C50 混凝土 ,截面宽 2. 4 m ,高 5. 6 m ,腹杆用 400 X12 空钢管 ,钢材皆采用 Q345。此外 ,以钢管混凝土做劲性骨架而组成拱桥的工程也有不少。其中最著名的 是重庆市万州区长江大桥 , L = 420 m ,上承式拱桥。采用了 10 根钢管组成空间 桁架(10 402 X16 ,Q345 钢材) ,吊装成拱后,向管内灌 C60 混凝土,然后挂模板 浇筑混凝土,成为高7 m、宽15. 6 m的单箱三室箱形截面拱肋，桥面总宽24 m。 这是迄今为止全世界跨度最大的以钢管混凝土为劲性骨架的公路拱桥。4.3 钢管混凝土在地铁车站工程中的应用地铁