组合结构课程论文钢管混凝土的工程应用Word格式文档下载.docx

1、（b）钢管套箍混凝土，即荷载仅作用在核心混凝土上，钢管对核心混凝土仅起套箍作用。（2） 按截面形式分为：（a）圆形钢管混凝土；（b）方形钢管混凝土；（c）矩形钢管混凝土；（d）多边形钢管混凝土。（3） 按混凝土中是否配筋分为：（a）钢管混凝土；（b）钢管配筋混凝土；（c）钢管型钢混凝土；（d）复式钢管混凝土，即大钢管套小钢管。（4） 按截面是否空心分为：（c）离心钢管混凝土；（d）中空夹层钢管混凝土。（5） 按混凝土是否振捣分为：（b）钢管自密实混凝土，即在满足钢管混凝土力学性能的基础上，具有优越的施工性能。（6） 按含钢率分为：（a）钢管混凝土（20D/t100）；（b）薄壁钢管混凝土（D/

2、t100）。以上众多类型钢管混凝土中，其中圆形钢管混凝土受力性能和经济性等优点最为突出，本文所论述的钢管混凝土是在我国应用最广泛的、不配筋的圆钢管混凝土，包括薄壁钢管混凝土和钢管自密实混凝土，为论述方便，简称为钢管混凝土。2. 钢管混凝土特点钢管混凝土在高层建筑工程中，主要是作为受压柱使用，与钢梁（或钢-混凝土组合梁、钢筋混凝土梁）和梁柱节点等共同构成建筑物的框架结构体系。钢管混凝土因其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质，且充分发挥了钢材和混凝土各自材料的优点。其基本原理有二：（1）借助钢管对混凝土的套箍约束作用，使混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能

3、力；（2）借助内填核心混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态，从而提高其承载能力。正是这种结构力学性质的根本变化，决定了钢管混凝土的基本性能和特点，并作为新型的第五种建筑结构显示出巨大的生命力和发展前景4。钢管混凝土的特征与优势如下：（1） 抗压承载力高钢管混凝土由于钢管和核心混凝土的相互贡献、协同互补、共同工作，充分发挥了彼此的长处，从而使其具有很高的承载力，大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之和。因此实际工程中，钢管混凝土结构可以减小柱子截面尺寸，减轻自重，有利于结构抗震并扩大建筑物的使用空间和面积，减轻地基承受的荷载，相应降低地基基础造价；当核心混

4、凝土采用高强混凝土时，不仅承载力大大提高，而且能有效克服高强混凝土的脆性，效果更加明显5。（2） 塑性和韧性好通常情况下混凝土的破坏属于脆性破坏，尤其是高强混凝土。但核心混凝土在钢管约束下，具有三向受压特性，延性大为改善，在破坏时产生很大的塑性变形。图1 北京国际贸易中心塔楼由于钢管混凝土的抗压强度高、抗变形能力强，即使在高轴压比条件下，仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”，不存在受压区先破坏的问题，也不像钢柱那样的受压翼缘屈曲失稳的问题。因此，从保证截面的转动能力而言，无需限定轴压比值。就这个意义而言，钢管混凝土柱的抗震性能比钢柱和钢筋混凝土柱都强。（3） 经济效益好根据计算，与钢筋混凝土

5、柱相比，可节约混凝土 6070%，同时降低造价。若与全钢结构的钢柱相比，则可节约钢材50%，其工程造价也可降低45%。在高层建筑设计中，钢管混凝土柱可以放宽轴压比限值，与钢筋混凝土柱相比，截面设计可以减少60%以上。此外因其整体性能好，还克服了普通钢结构钢柱存在的局部失稳的缺点。例如，北京国际贸易中心塔楼的原结构设计由美国提供，采用的是钢筋混凝土结构，钢筋混凝土柱的截面设计尺寸为 22002200mm，十分庞重。后改用了国内的钢管混凝土柱设计方案后，钢管混凝土柱的截面仅为A140030mm，截面面积减少了 2/3。全国闻名的深圳赛格广场大厦，采用了钢管混凝土结构设计，其钢管混凝土柱最大截面仅为

6、A160028mm，若用钢筋混凝土柱，矩形截面尺寸则应为 24002200mm，柱截面面积减少了 63%，粗略估算使整个大厦增加了使用面积八千多平方米。显然，采用钢管混凝土结构的高层建筑，其经济效益非常显著。（4） 施工方便钢管混凝土柱中钢管壁薄便于选材、制造与现场焊接，施工比钢柱简便。目前，很多高层钢结构项目使用了厚钢板（60mm130mm），使材质检验和焊接方面带来很大困难，并屡有质量事故发生。而采用钢管混凝土柱，钢管厚度一般不超过 40mm（目前实际工程中选用的最大厚度为 30mm）。钢管混凝土中采用自密实混凝土，既方便施工，又保证工程质量。（5） 耐火性能较好钢管混凝土柱内的混凝土可大

7、量吸收热能，因而在遭受火灾时，钢管混凝土柱温度场的分布很不均匀，因此提高了柱子的耐火时间，其耐火性优于钢柱6。3. 钢管混凝土结构的工程应用与应用前景图1 20世纪80年代末90年代初于美国西雅图建成的58层联合广场大厦2.1钢管混凝土结构的工程应用钢管混凝土结构是在劲性钢筋混凝土结构及螺旋配筋混凝土结构的基础上演变和发展起来的。钢管混凝土的实际工程应用，最早见于19世纪80年代，曾用作桥墩，以后渐渐用于建筑物支柱，其作用是防锈并承受压力，但一般不考虑钢管的约束作用使核心混凝土强度的提高。20 世纪 50 年代始，前苏联、美国、日本和欧洲部分先进国家对钢管混凝土进行了大量的试验研究，并在一些房

8、屋建筑和桥梁工程中得到应用7。我国对钢管混凝土的研究开发始于 20 世纪 60 年代中期，首例应用为北京的地铁工程，在“北京站”和“前门站”的站台柱中首先采用，之后环线地铁工程的站台柱全部采用了钢管混凝土。70 年代以后，我国的钢管混凝土逐渐应用于单层和多层工业厂房、高炉和锅炉构架、送变电构架及各种支架结构中，建成的建设工程超过百项8。80 年代初，日本率先采取了先进的泵送混凝土施工方法，成功地解决了钢管柱中混凝土浇灌的复杂工艺问题，既保证了工程质量，又降低了工程造价，从而促使钢管混凝土结构进入了一个新的发展阶段。日本、澳大利亚和美国等国相继建成了一些钢管混凝土柱的高层建筑，其中有代表性的如表

9、 1-1 所示。20 世纪 80 年代末至 90 年代，我国的钢管混凝土工程应用进入成熟阶段，以采用高强混凝土技术、泵送混凝土技术和自密实混凝土技术为特征的钢管混凝土结构在我国高层建筑工程和大跨度桥梁工程中得到卓有成效的应用。近 15 年来，我国达百米和超过百米的钢管混凝土结构的高层建筑已有 30 多座，如表 1-2 所示，其中最高的是深圳 72 层的赛格广场大厦，结构高度 291.6 米，堪称世界之最；我国建成和在建钢管混凝土拱桥已达超过一百座，其中跨度 100m 以上的有 20 多座，如表 1-3 所示，其中 2000 年建成通车的丫髻沙大桥，主跨跨径已达 360m，是世界上同类桥型中的最

10、大跨径。实际工程中应用的钢材与混凝土组合是比较合理的，从表 1-2 中可以看出，（1）钢管径厚比在 40100 之间；（2）钢材强度与混凝土强度比 fs/fc（按规范取标准值）在 6.111.7 之间；（3）钢管混凝土中的核心混凝土强度等级在提高。2.2 钢管混凝土结构的应用前景钢管混凝土结构以其优越的受力性能，良好的综合效益，必将成为本世纪结构体系的重要发展方向。当前我国基本建设发展很快，土木结构正在向轻型大跨方向发展，对于新型结构的要求越来越高。钢管混凝土组合结构正好能够满足现代结构对“轻型大跨、预制装配、快速施工”的要求，在建筑及桥梁结构等领域具有广阔的应用前景9; 10。工程实践表明，

11、钢管混凝土结构既是一种使用高强、高性能材料的结构，也是一种具有高效施工技术的结构，它必将为新世纪的国家建设和土建工程的技术进步发挥积极作用。4. 钢管混凝土的应用局限钢管构件的制作、安装要求具有一定难度和繁锁性。钢管混凝土柱用的钢管，焊接、制作要求较高。在构件制作过程中，钢管的对接是一个难点。结构要求焊后的管肢要平直，这就需要在焊接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响11。 从质量检查及施工方法上，钢管混凝土结构构件形式也存在弊端。钢管混凝土柱管内混凝土的浇注属于隐蔽工程，混凝土的浇灌质量是无法直观检查的。当采用人工浇灌并振捣时，只能依靠操作人员的责任心和严密的施工组织

12、管理来保证施工质量。如果超声脉冲检测发现有不密实部位，就得将钢管钻孔压浆补强， 然后再将钻孔补焊封固。所以无论从质量检测还是完善施工质量都是较为费工的12。如果采用泵送顶升法，施工就必须有与之配套的泵及输送设备，而且对粗骨料的粒径、水灰比、坍落度要求比较严格。采用高位抛法施工，混凝土的配合比要求亦很严格，必须先进行配合比实验来确定水灰比，然后才可以正式浇注。因此, 无论采用哪种方式施工，都必须有严密的施工组织管理。这或许会比普通钢筋混凝土结构施工更需要管理。4. 钢管混凝土的应用改进4.1管内混凝土的浇注钢管柱内的混凝土可采用高抛或导管浇筑法逐段浇筑施工，对复杂节点也可采用自密实高性能混凝土泵

13、送或顶升浇筑施工工艺。钢管混凝土柱一般为多一节，柱内在楼层位置设有隔板，采用高自流性混凝土可避免气泡在隔板下聚集。由于一次性浇筑高度大且考虑泵送的需要，宜采用高性能混凝土（高流态、保塑性、抗离析、缓凝、微膨胀）， 确保混凝土不产生离析，保证混凝土密实度，减少混凝土内气泡，避免混凝土收缩与钢管之间产生裂纹，无需振捣即能达到自密实的效果。此外，还应采取如下保证措施：1）通过试验确保混凝土强度符合国家相关标准的要求，且试配优选混凝土配合比，试配强度高于设计强度；2）限制混凝土的含气量，控制在3%以内；3）混凝土中掺入一定量的膨胀剂以补偿混凝土的收缩；4）浇筑后密封柱的上端，使混凝土在密封的状态下养护

14、不失水，避免混凝土的收缩。4.2对混凝土的检测目前规范没有明确钢管混凝土的检测方法及检测规定。钢管混凝土柱最大的质量问题是混凝土与钢管（或节点隔板）接合不紧密导致对钢管混凝土的受力性能产生影响13。目前较为常用的检测方式有：1）在混凝土达28d 强度后，混凝土的收缩已基本完成时，可以在钢管外壁用铁锤敲打检查；2）管内部预埋测管进行超声波检测。4.3正式施工之前的施工模拟试验钢管混凝土大比例模拟试验是大型工程施工的重要环节，目前由于对钢管内混凝土的检测缺乏相应的手段与方法，而混凝土的质量及其与钢管之间的接触是否紧密对钢管混凝土的承载力影响极大。为了控制混凝土的浇筑效果，工程在展开之前有必要进行钢

15、管混凝土大比例（最好是11）模拟试验以检验施工工艺，优化检测方案，验证高性能混凝土的配合比及其性能。通常需要对混凝土的试块进行7d、14d 、28d 等龄期的强度及超声波检测，然后肢解模型，检查混凝土与钢管的接触面，对混凝土进行第二次超声波检查并钻芯取样试验，将几次检验的结果进行对比分析，以便全面验证钢管内混凝土的浇筑质量，经设计、监理、质检单位审查后可作为控制实际施工的依据，指导实际结构钢管混凝土检测施工。5. 结论综上所述，我国钢管混凝土结构的研究与应用取得了巨大的成就。然而，如何更加深化这一领域的科学研究，并且在实际工程中更大范围地推广应用这类结构，尚有许多工作要做。（1）大管径钢管混凝

16、土结构的受力性能和钢管膨胀混凝土或钢管自应力混凝土结构的基本性能的研究还有待于深入。在浇灌混凝土时，由于管径大，水泥、混凝土难以扩散水化热，使钢管中心的局部温度较大，可引起温度应力，温度应力对大管径钢管混凝土结构承载力的影响有待研究。（2）应广泛深入地研究钢管混凝土的动力性能。具有优越的抗震性能是钢管混凝土结构的一个很重要的优点，为了合理而安全地在地震区推广这类结构，必须深入进行动力特性的研究。（3）应当制订更完善的设计规程。例如对于钢管混凝土拱桥结构尚无相应的设计规程；对于钢管混凝土柱与梁节点设计方法尚不成熟和完善，应当在今后的推广应用中不断补充等。尽管国内外对钢管混凝土的研究取得了巨大的成

17、果，但主要限制在对普通硅酸盐混凝土的研究，随着科学的发展， 新技术、新材料和新结构的应用，钢管混凝土结构必然会有新的发展和新的问题出现，值得我们去做更深入细致的研究。参考文献1 Oshea M D, Bridge R Q. Design of circular thin-walled concrete filled steel tubesJ. Journal Of Structural Engineering-Asce, 2000, 126（11）: 1295-1303.2 Han L H, Yao G H, Tao Z. Performance of concrete-filled thin

18、-walled steel tubes under pure torsionJ. Thin-Walled Structures, 2007, 45（1）: 24-36.3 韩林海, 陶忠, 刘威. 钢管混凝土结构理论与实践J. 福州大学学报：自然科学版, 2001, 29（6）: 24-34.4 钟善桐. 钢管混凝土结构在我国的应用和发展J. 建筑技术, 2001, （02）: 80-82.5 Ellobody E, Young B, Lam D. Behaviour of normal and high strength concrete-filled compact steel tube

19、circular stub columnsJ. Journal Of Constructional Steel Research, 2006, 62（7）: 706-715.6 韩林海, 贺军利, 吴海江, et al. 钢管混凝土柱耐火性的试验研究J. 土木工程学报, 2000, （03）: 31-36+53.7 姜迎春, 寇智勇, 贾艳东, et al. 钢管混凝土结构的发展、研究及应用J. 辽宁工学院学报, 2004, （02）: 62-65.8 韩林海. 我国钢管混凝土结构研究与应用的部分新进展J. 工业建筑, 1995, （01）: 3-6+21.9 王国杰, 郑建岚. 自密实钢管混凝土的研究与应用J. 混凝土, 2006, （03）: 57-61.10 陶忠. 方钢管混凝土结构的发展现状J. 建筑结构, 2003, （07）: 20-23+35.11 蔡健, 黄泰赟. 钢管混凝土柱节点的应用现状和存在问题J. 建筑结构, 2001, （07）: 8-10+13.12 李利群, 韩晓键. 超声法检测钢管混凝土质量J. 南京建筑工程学院学报, 2000, （02）: 26-32.13 丁睿, 刘浩吾, 侯静, et al. 拱桥钢管混凝土无损检测技术研究J. 压电与声光, 2004, （06）: 447-450.