小議鋼管混凝土結構的特點與應用

李關喜

摘要：鋼管混凝土結構是由混凝土填入鋼管內而形成的一種新型組合結構。由于鋼管混凝土結構能夠更有效地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點,同時克服了鋼管結構容易發(fā)生局部屈曲的缺點。近年來,隨著理論研究的深入和新施工工藝的產生,工程應用日益廣泛。本文結合鋼管混凝土結構的特點，對鋼管混凝土在現(xiàn)代建筑工程中的應用情況進行了簡要地分析，并指出了鋼管混凝土結構的未來發(fā)展趨勢。

關鍵詞：鋼管混凝土 特點 結構 應用 發(fā)展

0 引言

鋼管混凝土即在薄壁鋼管內填充普通混凝土，將兩種不同性質的材料組合而形成的復合結構，它是將鋼管結構和鋼筋混凝土結構的優(yōu)點結合在一起而發(fā)展起來的新型結構。鋼管混凝土是在鋼管中填入混凝土后形成的建筑構件，按截面形狀可分為方鋼管混凝土、圓鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土。它利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程相互之間的組合作用，充分地發(fā)揮了這兩種材料的優(yōu)點，使混凝土的塑性和韌性大為改善，且可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，使鋼管混凝土整體具有承載力高、塑性和韌性好、經濟效益優(yōu)良和施工方便等優(yōu)點。

1 鋼管混凝土結構的特點

1.1 承載力高、延性好，抗震性能優(yōu)越 鋼管混凝土柱中，鋼管對其內部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高了混凝土的抗壓強度；鋼管內部的混凝土又可以有效地防止鋼管發(fā)生局部屈曲。研究表明，鋼管混凝土柱的承載力高于相應的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內部混凝土的破壞由脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐模瑯嫾难有孕阅苊黠@改善，耗能能力大大提高，具有優(yōu)越的抗震性能。

1.2 施工方便，工期大大縮短 鋼管混凝土結構施工時，鋼管可以做為勁性骨架承擔施工階段的施工荷載和結構重量，施工不受混凝土養(yǎng)護時間的影響；由于鋼管混凝土內部沒有鋼筋，便于混凝土的澆注和搗實；鋼管混凝土結構施工時，不需要模板，既節(jié)省了支模、拆模的材料和人工費用，也節(jié)省了時間。

1.3 有利于鋼管的抗火和防火 由于鋼管內填有混凝土，能吸收大量的熱能，因此遭受火災時管柱截面溫度場的分布很不均勻，增加了柱子的耐火時間，減慢鋼柱的升溫速度，并且一旦鋼柱屈服，混凝土可以承受大部分的軸向荷載，防止結構倒塌。組合梁的耐火能力也會提高，因為鋼梁的溫度會從頂部翼緣把熱量傳遞給混凝土而降低。經實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:達到一級耐火3小時要求和鋼柱相比可節(jié)約防火涂料1/3一2/3甚至更多，隨著鋼管直徑增大，節(jié)約涂料也越多。

1.4 耐腐蝕性能優(yōu)于鋼結構 鋼管中澆注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構少得多，抗腐和防腐所需費用也比鋼結構節(jié)省。鋼管混凝土構件的截面形式對鋼管混凝土結構的受力性能、施工難易程度、施工工期和工程造價都有很大的影響。圓鋼管混凝土受壓構件借助于圓鋼管對其內部混凝土有效的約束作用，使鋼管內部的混凝土處于三向受壓狀態(tài)，使混凝土具有更高的抗壓強度。但是圓鋼管混凝土結構的施工難度大，施工成本較高。相比之下，方鋼管混凝土結構的施工較為方便，但鋼管混凝土受到的約束作用較小，結構的承載力較低。

2 鋼管混凝土結構工程中的應用

2.1 高層建筑工程 在高層建筑結構中，鋼管混凝土柱具有很大的優(yōu)勢：具有承載力高，抗震性能好的特點，既可以取代鋼筋混凝土柱，解決高層建筑結構中普通鋼筋混凝土結構底部的“胖柱”問題和高強鋼筋混凝土結構中柱的脆性破壞問題；也可以取代鋼結構體系中的鋼柱，以減少鋼材用量，提高結構的抗側移剛度。鋼管混凝土構件的自重較輕，可以減小基礎的負擔，降低基礎的造價。全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”進行施工，從而加快施工進度；鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小，取材容易、價格低。其耐腐蝕和防火性能也優(yōu)于鋼柱。鋼管混凝土柱不易倒塌，即使損壞，修復和加固也比較容易。

2.2 單層和多層工業(yè)廠房柱 單層工業(yè)廠房的柱屬于偏心受壓構件，為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結構的特點，很多工程中的柱子設計成格構式組合柱，如雙肢柱、三肢柱和四肢柱，把偏心彎矩轉變?yōu)檩S心力。

3 鋼管混凝土結構研究的發(fā)展方向

3.1 高強度材料的應用 采用高強混凝土可以減輕結構自重、降低工程造價。隨著混凝土強度的提高，其延性下降，這阻礙了它在實際工程中的應用。將高強混凝土灌入鋼管中形成高強鋼管混凝土，由于受到鋼管的約束作用，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，其延性將大為提高，而其構件的承載力也得到了相應的提高。因此，高強鋼管混凝土具有很大的發(fā)展?jié)摿?。近年來，國內外對高強鋼管混凝土構件的研究表明；高強鋼管混凝土的力學性能與普通鋼管混凝土有所不同，其設計不能套用普通鋼管混凝土構件的設計公式。而我國現(xiàn)行的鋼管混凝土設計施工規(guī)范和規(guī)程只適用于普通鋼管混凝土結構，因此必須加大高強鋼管混凝土的研究力度，盡快制定出相應的設計施工規(guī)范和觀察。

3.2 節(jié)點動力性能的研究 節(jié)點是結構設計中的關鍵部位，也是施工的難點。對于鋼管混凝土節(jié)點，其合理與否直接關系到結構的安全性和整個工程的造價。鋼管混凝土節(jié)點可以分為兩種；鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點和鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點。目前，國內對于鋼管混凝土節(jié)點靜力性能的研究較多，而對于節(jié)點動力性能的研究報導還較少。

3.3 耐火性能的研究 我國還沒有制定針對鋼管混凝土結構的防火規(guī)定。對于已經建成的鋼管混凝土結構，有的采用鋼筋混凝土結構的要求外包混凝土，有的按照鋼結構的要求涂防火材料，都沒有統(tǒng)一規(guī)定和科學的依據(jù)。近年來，國內學者就鋼管混凝土的耐火性能問題進行了研究，已經取得了可喜的成績；應盡快編制出適合我國國情的鋼管混凝土結構防火規(guī)范。

3.4 鋼管混凝土結構體系抗震性能的研究 在對采用鋼管混凝土柱及鋼筋混凝土柱的框架結構進行了抗震性能的對比試驗研究；并從理論上分析比較了兩種結構的動力性能，得出了鋼管混凝土框架結構的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土框架結構的結論。但目前對鋼管混凝土結構抗震性能的研究，主要還是集中在基本構件方面，而對于鋼管混凝土整體結構的抗震性能的研究還不多。應開展這方面充分的研究，以提供合理的抗震設計參數(shù)，便于工程應用。

3.5 鋼管混凝土施工方面的研究 鋼管混凝土結構在施工中也有一些問題不容忽視。在結構構件的連接構造方面:①當鋼管混凝土柱與混凝土梁連接時，就必須借助于柱上的牛腿和加強板。如果用暗牛腿、會給澆注混凝土帶來不便，影響施工進度;②當鋼管混凝土柱與無梁蓋連接時，尤其是采用升板法施工時，板與柱的連接構造是相當復雜的，會直接影響到施工的進度；③為了能夠充分發(fā)揮鋼管混凝土的承載力，鋼管混凝土的連接應盡可能地將連接力可靠地傳遞到核心混凝土上。常采用柱頂蓋板、柱腳底板和層間隔板、穿心板等來實現(xiàn)。當然前提條件必須是應保證管內混凝土的密實，做到這一點也是不易的。橫隔板和上、下柱的連接是比較縈瑣的，尤其是對于小直徑管，特別不便于施工。穿心板的制作也很麻煩，而且還會妨礙管內混凝土的澆注和振搗。一般僅在大直徑鋼管混凝土中使用。