鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展概況

楊杰   稅強(qiáng)

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

    鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件，按截面形式的不同，分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、螺旋配筋}昆凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)。

鋼管混凝土的基本工作原理有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一、借助鋼管對(duì)核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和壓縮變形能力；第二、借助內(nèi)填混凝土的支撐作用，增強(qiáng)鋼管壁的幾何穩(wěn)定性，改變空鋼管的失穩(wěn)摸態(tài)，從而提高其承載能力。

1.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)

    1.1受壓構(gòu)件的承載力大幅提高

    由于受壓鋼管混凝土構(gòu)件中的核心混凝土處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度和變形能力顯著增強(qiáng)，因而受壓構(gòu)件的承載力大大提高。當(dāng)薄壁鋼管構(gòu)件本身單獨(dú)受壓時(shí)，由于易發(fā)生局部失穩(wěn)，其承載能力較低，但管中灌入混凝土形成軸心受壓鋼管混凝土構(gòu)件后，薄壁鋼管的局部穩(wěn)定便得到了保證，從而大大提高了結(jié)構(gòu)的承裁能力。

    1.2具有良好的塑性和韌性

    混凝土脆性較大，對(duì)于高強(qiáng)度混凝土更是如此，其工作的可靠性因此而大為降低。但在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，核心混凝土在鋼管的約束下，不但在使用階段改善了它的彈性性質(zhì)，而且在破壞時(shí)具有很大的塑性變形。試驗(yàn)表明，鋼管混凝土柱在破壞時(shí)可以壓縮到原長(zhǎng)的2/3，完全沒(méi)有脆性破壞的特征。處于鋼管中的混凝土已經(jīng)由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐模�使整個(gè)構(gòu)件呈現(xiàn)出彈性工作塑性破壞的特征。此外，這種結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載和振動(dòng)荷載時(shí)，也具有很好的韌性。

    1.3施工簡(jiǎn)便

    鋼管混凝土在本質(zhì)上屬于套箍混凝土，鋼管本身就是耐側(cè)壓的模板，在澆灌混凝土?xí)r，可省去模板，并可適應(yīng)先進(jìn)的泵灌混凝土工藝；同時(shí)鋼管本身又兼有縱向鋼筋和橫向箍筋的作用，所以管內(nèi)沒(méi)有鋼筋，減省了鋼筋下料和綁扎鋼筋等一系列工序。而且制作鋼管遠(yuǎn)比制作鋼筋骨架省工，更有助于澆灌混凝土；另外空鋼管構(gòu)件的自重小，可以大大減少運(yùn)輸和吊裝等費(fèi)用。

    1.4耐火、耐腐蝕性能好

    鋼管混凝土柱因?yàn)殇摴芪鼰岷笥腥舾蔁崃繒?huì)傳遞到混凝土部分，減慢鋼管的升溫速度。并且一旦鋼管屈曲，混凝土可以承受大部分的軸向荷載，防止結(jié)構(gòu)倒塌。此外，鋼管中澆筑混凝土使鋼管的外露面積減少，受外界氣體腐蝕面積比鋼結(jié)構(gòu)少得多，抗震和防腐所需費(fèi)用也比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省。

    1.5經(jīng)濟(jì)效果好

    大量工程實(shí)踐表明：采用鋼管混凝土作承壓構(gòu)件比普通鋼筋混凝土承壓構(gòu)件節(jié)約混凝土50％左右，構(gòu)件的截面面積可減少一半，從而使建筑空間得到加大，減輕結(jié)構(gòu)自重50％左右，鋼材用量約略相等；和鋼結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)約鋼材50％左右，并減省大量的焊接工作。另外，鋼管混凝土本身的施工特點(diǎn)符合現(xiàn)代施工技術(shù)工業(yè)化的要求，可大量節(jié)約人工費(fèi)用，降低工程造價(jià)。

2.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展 現(xiàn)狀

    鋼管混凝土結(jié)構(gòu)早在19世紀(jì)80年代就出現(xiàn)了，由于其具有優(yōu)越的力學(xué)性能和良好的經(jīng)濟(jì)效益，一開(kāi)始便受到美歐各國(guó)的關(guān)注。

    1879年，英國(guó)賽文鐵路在建造中采用了鋼管混凝土橋墩，并在管中灌注混凝土以防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。

    1897年，美國(guó)人Johnlally提出在鋼管中填充混凝土作為房屋建筑的承重柱，并獲得專(zhuān)利。

    1930年，法國(guó)在巴黎郊區(qū)建造了一座9 m跨度的上承式鋼管混凝土橋；1937年，前蘇聯(lián)在列寧格勒(圣彼得堡)用集束的小直徑鋼管混凝土作為拱肋建造了涅瓦河l01 m跨度的下承式鋼管混凝土拱橋；l939年又在西伯利亞建成了l40m跨度的上承式鋼管}昆凝土鐵路拱橋，此橋和鋼拱橋相比，節(jié)約鋼材52％，降低造價(jià)20％，雖然鋼管混凝土結(jié)構(gòu)100多年前就已經(jīng)出現(xiàn)，但對(duì)鋼管混凝土力學(xué)性能進(jìn)行較為深入的研究及大范圍推廣應(yīng)用主要開(kāi)始于20世紀(jì)60年代。

    20世紀(jì)60～70年代，前蘇聯(lián)的羅斯諾夫斯基等人對(duì)鋼管混凝土短柱的極限承載力進(jìn)行了深入地研究；美國(guó)人又針對(duì)鋼管混凝土組合柱進(jìn)行了大量研究和試驗(yàn)工作，取得了很多成果，并在工程中應(yīng)用。l969年，英國(guó)的聶基等人研究了鋼管內(nèi)的混凝土三向受壓強(qiáng)度提高的計(jì)算方法。

    在我國(guó)，20世紀(jì)60年代之前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究對(duì)象主要是圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。60年代中期以后，開(kāi)始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；80年代以后，研究工作進(jìn)一步深入。l985年首屆鋼管混凝土國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)在我國(guó)哈爾濱舉行，表明我國(guó)在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)研究方面在國(guó)際上具有重要的地位。目前，我國(guó)已經(jīng)頒布了有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)程，并且把鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)(含鋼管混凝土)列為國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)的推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.鋼管混凝土的不足之處

    3.1鋼管混凝土技術(shù)研究分析中的不足之處

    (1)對(duì)鋼管混凝土承載力計(jì)算時(shí)采用理想的彈塑性體假設(shè)，這對(duì)抗震能力較好的鋼管混凝土構(gòu)件是不合理的。

    (2)對(duì)于圓鋼管混凝土，根據(jù)定值側(cè)壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到縱向承載力與側(cè)壓力的關(guān)系來(lái)確定其承載力，這與核心混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)不符。

    (3)眾多的理論假設(shè)把鋼管普通強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)度混凝土機(jī)械地分割開(kāi)來(lái)進(jìn)行研究。

    (4)進(jìn)行鋼管混凝土構(gòu)件耐火極限的計(jì)算時(shí)，不考慮鋼管和混凝土的相互作用問(wèn)題，這與材料的實(shí)際工作狀態(tài)不符，得到的計(jì)算結(jié)果也不夠正確。

    3.2鋼管混凝土工程應(yīng)用中的不足之處

    (1)從鋼管混凝土的使用量來(lái)看，數(shù)量有限，還僅限于柱、橋墩、拱架等部位，少有使用鋼管混凝土梁的先例。這是因?yàn)榱阂话愣甲龀删匦危�但矩形鋼管混凝土的受力比較復(fù)雜，而且構(gòu)造要求繁瑣，經(jīng)濟(jì)效益不佳。

    (2)從結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接來(lái)看，當(dāng)鋼管混凝土柱與混凝土粱連接時(shí)，必須借助于柱上的牛腿和加強(qiáng)板。如果與柱連接的梁較多且不在同一標(biāo)高時(shí)，就會(huì)有許多的牛腿和加強(qiáng)板。如果采用明牛腿可能會(huì)在美觀上受到影響；如果用暗牛腿，又會(huì)或多或少地給澆灌混凝土帶來(lái)不便，影響施工進(jìn)度。

    當(dāng)鋼管混凝土柱與無(wú)梁蓋連接時(shí)，尤其是采用升板法施工時(shí)，板與柱的連接構(gòu)造是相當(dāng)復(fù)雜的，也會(huì)直接影響施工進(jìn)度。

    (3)從鋼管構(gòu)件的制作、安裝要求來(lái)看，鋼管混凝土柱用的鋼管，焊接制作要求較高，一般應(yīng)優(yōu)先采用螺旋焊管。焊接時(shí)除一般鋼結(jié)構(gòu)的制作要求外還需嚴(yán)格保證管的平直不得有翹曲、表面無(wú)銹蝕和沖擊痕跡，特別是它對(duì)鋼管內(nèi)壁的除銹要求，可能會(huì)增加鋼管的制作周期，顯然其制作難度也較普通鋼結(jié)構(gòu)大。另外，鋼管的對(duì)接也是一個(gè)難點(diǎn)，結(jié)構(gòu)要求焊后的管肢平直，這就需要在焊接時(shí)采取相應(yīng)的措施和特別注意焊接的順序。

    (4)從混凝土澆灌方面來(lái)講，質(zhì)量的保證難度大，如果采用泵送頂升法，施工就必須有與之配套的泵及輸送設(shè)備，而且對(duì)粗骨料的粒徑、水灰比、坍落度要求比較嚴(yán)格。采用高位拋落法施工，混凝土的配合比要求亦很?chē)?yán)格，必須事先進(jìn)行配合比試驗(yàn)來(lái)確定水灰比，然后才可以澆注。總之，鋼管混凝土的施工必須要求有嚴(yán)密的施工組織管理，這比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工管理要求更高。

4.結(jié)束語(yǔ)

    綜上所述，鋼管混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比，屬于一種相對(duì)年輕的結(jié)構(gòu)，但它卻以其特殊的優(yōu)點(diǎn)，愈來(lái)愈受到工程界的重視和青睞。相信隨著人們對(duì)鋼管混凝土這類(lèi)結(jié)構(gòu)的不斷認(rèn)識(shí)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的研究必將更趨深入和完善，工程應(yīng)用必將更趨廣泛。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)