鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展概況

楊杰   稅強

(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優(yōu)點：第一、借助鋼管對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

    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)，其抗壓強度和變形能力顯著增強，因而受壓構(gòu)件的承載力大大提高。當(dāng)薄壁鋼管構(gòu)件本身單獨受壓時，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，對于高強度混凝土更是如此，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)，而且在破壞時具有很大的塑性變形。試驗表明，鋼管混凝土柱在破壞時可以壓縮到原長的2/3，完全沒有脆性破壞的特征。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荷載時，也具有很好的韌性。

    1.3施工簡便

    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)先進的泵灌混凝土工藝；同時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，可以大大減少運輸和吊裝等費用。

    1.4耐火、耐腐蝕性能好

    鋼管混凝土柱因為鋼管吸熱后有若干熱量會傳遞到混凝土部分，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，抗震和防腐所需費用也比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省。

    1.5經(jīng)濟效果好

    大量工程實踐表明：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)約人工費用，降低工程造價。

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)濟效益，一開始便受到美歐各國的關(guān)注。

    1879年，英國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，并獲得專利。

    1930年，法國在巴黎郊區(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)，但對鋼管混凝土力學(xué)性能進行較為深入的研究及大范圍推廣應(yīng)用主要開始于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鋼管混凝土短柱的極限承載力進行了深入地研究；美國人又針對鋼管混凝土組合柱進行了大量研究和試驗工作，取得了很多成果，并在工程中應(yīng)用。l969年，英國的聶基等人研究了鋼管內(nèi)的混凝土三向受壓強度提高的計算方法。

    在我國，20世紀(jì)60年代之前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究對象主要是圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。60年代中期以后，開始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；80年代以后，研究工作進一步深入。l985年首屆鋼管混凝土國際學(xué)術(shù)研討會在我國哈爾濱舉行，表明我國在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)研究方面在國際上具有重要的地位。目前，我國已經(jīng)頒布了有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)程，并且把鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)(含鋼管混凝土)列為國家科技成果重點推廣項目。為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的推廣奠定了堅實的基礎(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)對鋼管混凝土承載力計算時采用理想的彈塑性體假設(shè)，這對抗震能力較好的鋼管混凝土構(gòu)件是不合理的。

    (2)對于圓鋼管混凝土，根據(jù)定值側(cè)壓力的實驗結(jié)果得到縱向承載力與側(cè)壓力的關(guān)系來確定其承載力，這與核心混凝土的實際工作狀態(tài)不符。

    (3)眾多的理論假設(shè)把鋼管普通強度混凝土和高強度混凝土機械地分割開來進行研究。

    (4)進行鋼管混凝土構(gòu)件耐火極限的計算時，不考慮鋼管和混凝土的相互作用問題，這與材料的實際工作狀態(tài)不符，得到的計算結(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。這是因為梁一般都做成矩形，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)濟效益不佳。

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

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

    (3)從鋼管構(gòu)件的制作、安裝要求來看，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、表面無銹蝕和沖擊痕跡，特別是它對鋼管內(nèi)壁的除銹要求，可能會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，鋼管的對接也是一個難點，結(jié)構(gòu)要求焊后的管肢平直，這就需要在焊接時采取相應(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嚴(yán)格，必須事先進行配合比試驗來確定水灰比，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

    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，屬于一種相對年輕的結(jié)構(gòu)，但它卻以其特殊的優(yōu)點，愈來愈受到工程界的重視和青睞。相信隨著人們對鋼管混凝土這類結(jié)構(gòu)的不斷認(rèn)識，這類結(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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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)