圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展和特點(diǎn)

李興權(quán)　孫曉燕　武慶良

摘要：本交介紹了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，結(jié)合圓鋼管混凝土的典型工程應(yīng)用實(shí)例，對(duì)鋼管混凝土的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：圓鋼管混凝土；塑性；抗震性能

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種新組合結(jié)構(gòu)。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)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(diǎn)，同時(shí)克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點(diǎn)，近年來，隨著理論研究的深入和新施工工藝的產(chǎn)生，工程應(yīng)用日益廣泛。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)按照截面形式的不同可以分為矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和多邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等，其中矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣。

1國(guó)內(nèi)外圓鋼管混凝土的應(yīng)用

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用在土木建筑工程中已有上百年的歷史，它和螺旋箍筋混凝土結(jié)構(gòu)幾乎同時(shí)出現(xiàn)。將圓鋼管混凝土最早應(yīng)用于工程中是在1879年英國(guó)的Severn鐵路橋橋墩[1]。20世紀(jì)初，美國(guó)在一些單層房屋建筑中采用了稱為“Lally Column”的圓形鋼管混凝土柱[2]。30年代末期，前蘇聯(lián)曾用圓鋼管混凝土建造了跨度101m的公路拱橋和跨度140m的鐵路拱橋。60年代前后，在前蘇聯(lián)、西歐、北美和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加受到重視，曾在廠房建筑、多層和高層建筑、立交橋以及特種工程結(jié)構(gòu)中加以應(yīng)用，并收到了良好的效果。

我國(guó)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用也有近40年的歷史。它在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展歷經(jīng)了兩個(gè)階段：上個(gè)世紀(jì)60年代至80年代中期為推廣應(yīng)用階段，80年代后期至今為發(fā)展提高階段。由于圓鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、經(jīng)濟(jì)效益顯著以及施工快捷等突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是軸壓短柱的整體工作性能明顯優(yōu)于其它界面形式，因而圓鋼管混凝土在我國(guó)應(yīng)用最廣，研究工作也最為深入。我國(guó)第一個(gè)采用圓鋼管混凝土的工程是北京地鐵一號(hào)線，在北京站和前門站的站臺(tái)柱采用了圓鋼管混凝土柱，由于其承載力高，柱截面比鋼筋混凝土柱小很多，增加了有效使用空間，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。隨后北京地鐵2號(hào)線(環(huán)線)工程中的全部站臺(tái)柱均采用了圓鋼管混凝土柱，逐漸的圓鋼管混凝土被應(yīng)用到高層建筑工程，大跨度橋梁工程，地鐵車站工程，單層和多層工業(yè)廠房柱等領(lǐng)域。

對(duì)于圓鋼管混凝土構(gòu)件的研究，基本上都集中在極限承載力上。而研究的成果也不盡相同。我國(guó)學(xué)者的主要研究成果形成了三個(gè)理論體系，分別被應(yīng)用于三本有關(guān)鋼管混凝土設(shè)計(jì)與施工規(guī)范和規(guī)程中[3~6]。與國(guó)內(nèi)相同，國(guó)外學(xué)者的有關(guān)研究成果也都體現(xiàn)在有關(guān)鋼管混凝土設(shè)計(jì)的規(guī)范規(guī)程中[6~10]。然而對(duì)比這些國(guó)內(nèi)外規(guī)范我們可以發(fā)現(xiàn)，各種規(guī)范的計(jì)算方法存在著較大的差異，這就說明鋼管混凝土構(gòu)件的承載力計(jì)算理論還不完善和統(tǒng)一，還需要進(jìn)一步提高。

2國(guó)內(nèi)外圓鋼管混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范

有關(guān)圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)程目前已有不少。日本目前在鋼管混凝土房屋建筑方面的設(shè)計(jì)規(guī)程有AIJ(1997)等；美國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)程ACI(1999)和AISL-LRFD(1999)都給出了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的規(guī)定；英國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)程有BS5400(1979)。此外，還有歐洲規(guī)范EC 4(1994)等。

我國(guó)近十幾年來先后頒布了幾本有關(guān)圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的規(guī)程，例如國(guó)家建筑材料工業(yè)局標(biāo)準(zhǔn)JCJ 01-89(1989)，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS 28：90(1992)，中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5085-1999(1999)等都給出了圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的規(guī)定。中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)NJB 4142-2000(2001)給出了方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的條文。2003年頒布實(shí)施的福建省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》DBJ l3-51-2003可適合于圓形和方、矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。2003年頒布的天津市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《天津市鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)規(guī)程》DB 29-57-2003中也給出了圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方面的規(guī)定。

3圓鋼管混凝土在應(yīng)用中存在的問題

盡管圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)很多，但是由于它自身的特性決定了它尚存在的一些弊端。

3.1使用范圍受到限制。

從現(xiàn)已建成的眾多建筑來看，圓鋼管混凝土的使用范圍還僅限于柱、橋墩、拱架等，目前還很少有使用圓鋼管混凝土梁的先例。這是因?yàn)榱阂话愣甲龀删匦危匦蔚匿摴芑炷潦芰Ρ容^復(fù)雜而且構(gòu)造要求繁瑣，經(jīng)濟(jì)效益不佳。

3.2結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接構(gòu)造上存在缺點(diǎn)。

3.2.1當(dāng)圓鋼管混凝土柱與混凝土梁連接時(shí)，就必須借助于柱上的牛腿和加強(qiáng)板，如果采用明牛腿可能在美觀上會(huì)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不便，影響施工進(jìn)度。

3.2.2當(dāng)圓鋼管混凝土柱與無梁蓋連接時(shí)，尤其是采用升板法施工時(shí)，板與柱的連接構(gòu)造的復(fù)雜程度會(huì)直接影響到施工的進(jìn)度。

3.2.3圓鋼管混凝土的連接要盡可能地將連接力傳遞到核心混凝土上，這樣才能充分發(fā)揮圓鋼管混凝土的承載力。所以工程中經(jīng)常采用柱頂蓋板、柱腳底板和層間隔板、穿心板等來實(shí)現(xiàn)。穿心板的制作很麻煩，而且還會(huì)妨礙管內(nèi)混凝土的澆注和振搗，一般僅在大直徑圓鋼管混凝土中使用。

3.3鋼管構(gòu)件的制作、安裝具有一定難度和繁瑣性。

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，無螺旋焊接管時(shí)，也可以用滾床自行卷制鋼管。焊接時(shí)除一般鋼結(jié)構(gòu)的制作要求外要嚴(yán)格保證管不得有翹曲，表面銹蝕和沖擊痕跡。特別是它對(duì)V管內(nèi)壁的除銹要求，可能會(huì)增加鋼管的制作周期顯然在制作難度上也較普通鋼結(jié)構(gòu)高。

3.4質(zhì)量檢查及施工方法上存在弊端。

鋼管混凝土柱管內(nèi)混凝土的澆注屬于隱蔽工程，混凝土的澆灌質(zhì)量是無法直觀檢查的。從混凝土澆注方面講，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。必須先進(jìn)行配合比實(shí)驗(yàn)來確定水灰比，然后才可以正式澆注。因此，無論采用哪種方式施工，都必須有嚴(yán)密的施工組織管理。這或許會(huì)比普通鋼筋砼結(jié)構(gòu)施工更需要管理。

3.5鋼管混凝土技術(shù)研究、分析中的不足之處。

總結(jié)很多國(guó)內(nèi)外的理論研究和分析，不少的理論假設(shè)不太合理。

3.5.1對(duì)圓鋼管混凝土承載力計(jì)算時(shí)，采用理想的彈塑性體的假設(shè)，這對(duì)抗震能力較好的鋼管混凝土構(gòu)件是不合理的。

3.5.2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。

3.5.3眾多的理論假設(shè)只能把鋼管普通強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)度混凝土機(jī)械地分割開來進(jìn)行研究。

3.5.4進(jìn)行圓鋼管混凝土構(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)果也不夠準(zhǔn)確。

4結(jié)束語

隨著我國(guó)高層和超高層建筑的迅速發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將逐漸廣泛，本文概括了鋼管混凝土的研究和應(yīng)用情況，總結(jié)了鋼管混凝土的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。今后，核心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管與勁性鋼筋組合結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土連接構(gòu)造等問題還有待深人研究。

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