淺談鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用

郭遠(yuǎn)宏 李 芳

1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

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)。從20世紀(jì)60年代后半期以后,開(kāi)始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。目前,圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果,很多國(guó)家制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范或規(guī)程,如歐洲標(biāo)準(zhǔn)EC4(1996年),德國(guó)標(biāo)準(zhǔn) DIN18800(1997年),美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ACI 319-89,SSLC(1979年)和LRFD(1997年),日本標(biāo)準(zhǔn)AIJ(1980年,1997年)。自二十世紀(jì)五六十年代以來(lái),我國(guó)的研究者也進(jìn)行了鋼管混凝土力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方面的研究工作,已先后頒布發(fā)行了有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程,進(jìn)入20世紀(jì)80年代后,研究工作進(jìn)一步深入,通過(guò)大量的試驗(yàn)研究和理論分析,對(duì)構(gòu)件的承載力和變形性能及其影響因素進(jìn)行了全面的研究,得到了實(shí)用的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。近十幾年來(lái),我國(guó)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用都取得了令人矚目的成就。

2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1)構(gòu)件承載力高。整個(gè)鋼管混凝土構(gòu)件的承載力約為鋼管和核心混凝土單獨(dú)承載力之和的1.7倍～2.0倍。2)有利于有效利用高強(qiáng)混凝土。鋼管混凝土是有效利用高強(qiáng)混凝土的最經(jīng)濟(jì)的形式,這是因?yàn)?a.高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度高但脆性也大。而鋼管對(duì)混凝土的套箍(約束)作用能有效的克服高強(qiáng)混凝土的脆性,充分發(fā)揮其承載力。b.鋼管外沒(méi)有混凝土保護(hù)層,能充分發(fā)揮高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度承載力。c.鋼管兼有縱筋和箍筋的作用,比普通的鋼筋混凝土節(jié)省。d.鋼管內(nèi)沒(méi)有鋼筋骨架,便于澆筑混凝土,避免了柱與梁板交錯(cuò)澆筑的麻煩。3)塑性和韌性好,抗震性能優(yōu)越。鋼管混凝土構(gòu)件破壞時(shí),完全沒(méi)有脆性破壞的特征。據(jù)有關(guān)資料分析,高層建筑中采用鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系比采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重可以減少 1/3～1/2,地震作用可減小1/2。4)施工簡(jiǎn)便,可大大縮短工期。鋼管混凝土柱不需綁扎鋼筋、支模和拆模且鋼管內(nèi)無(wú)鋼筋、混凝土澆灌工藝迅速發(fā)展都使其施工簡(jiǎn)便、迅速。5)耐火性能較好。核心混凝土吸收大量的熱能,在遭受火災(zāi)時(shí)增加柱子的耐火時(shí)間且一旦鋼柱屈服,混凝土可以承受大部分的軸向荷載,防止結(jié)構(gòu)倒塌。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:達(dá)到一級(jí)耐火3 h要求和鋼柱相比可節(jié)約防火涂料1/3～2/3甚至更多,隨著鋼管直徑增大,節(jié)約涂料也越多。6)耐腐蝕性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。鋼管中澆筑混凝土使鋼管的外露面積減小,受外界氣體腐蝕面積比鋼結(jié)構(gòu)少得多,抗腐和防腐所需費(fèi)用也比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省。7)經(jīng)濟(jì)效益好。大量工程實(shí)際表明:采用鋼管混凝土的承壓構(gòu)件可節(jié)約混凝土約50%,減輕結(jié)構(gòu)自重50%左右。與鋼結(jié)構(gòu)相比可節(jié)約鋼材50%。當(dāng)鋼管中填充混凝土?xí)r,鋼管混凝土的造價(jià)與鋼筋混凝土相比略高。隨著建筑層數(shù)的增加,鋼管混凝土的造價(jià)與鋼筋混凝土基本持平。

3 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

3.1 鋼管混凝土在高層建筑中的應(yīng)用

鋼管混凝土在高層建筑工程中,主要是作為受壓管柱的建筑構(gòu)件使用,與鋼梁和梁柱節(jié)點(diǎn)等共同構(gòu)成建筑物的框架結(jié)構(gòu)體系。在高層建筑中,鋼管混凝土的特征與優(yōu)勢(shì)如下:1)鋼管混凝土柱的抗壓和抗剪承載力高,相當(dāng)于鋼管和混凝土二者之和的2倍以上;2)鋼管混凝土柱截面比鋼筋混凝土柱可減少60%以上,輪廓尺寸也比鋼柱小,擴(kuò)大了建筑物的使用空間和面積;3)柱子截面減小,自重減小,有利于結(jié)構(gòu)抗震,相當(dāng)于設(shè)防烈度下降一級(jí);4)鋼管混凝土柱自重減小,減輕了地基承受的荷載,相應(yīng)降低了地基基礎(chǔ)造價(jià);5)鋼管壁薄便于選材、制造與現(xiàn)場(chǎng)焊接,是施工最為快捷的建筑結(jié)構(gòu);6)鋼管混凝土柱內(nèi)的混凝土可大量吸收熱能,其耐火性優(yōu)于鋼柱,從而比鋼柱可節(jié)省耐火涂料50%以上;7)鋼管混凝土具有的核心混凝土三向受壓特性,利于剛剛問(wèn)世的C60～C80高強(qiáng)度混凝土安全可靠地推廣應(yīng)用鋼管混凝土。

我國(guó)采用或部分采用鋼管混凝土的高層建筑主要有:福建泉州郵電大廈(高87.5 m)、福建廈門阜康大廈(高86.5 m)、福建廈門金源大廈(高96.0 m)、福建福州僑益大廈(高 115.7 m)、天津今晚報(bào)大廈(高137 m)和廣州的好世界等。深圳賽格廣場(chǎng)的柱結(jié)構(gòu)及抗側(cè)力體系的內(nèi)筒全采用了鋼管混凝土柱,共70層,地上部分高為278.8 m。在國(guó)外,也有很多采用鋼管混凝土的高層建筑,例如美國(guó)西雅圖的Two Union Square和Pacific First Center等。

3.2 鋼管混凝土在拱橋中的應(yīng)用

將鋼管混凝土用于拱橋,符合拱橋建設(shè)中要求材料高強(qiáng)和拱圈無(wú)支架施工及輕型化的發(fā)展方向。鋼管混凝土拱橋一般可分為兩種:一種是將鋼管混凝土直接用作拱橋結(jié)構(gòu)主要受力部分,同時(shí)也作為結(jié)構(gòu)施工時(shí)的勁性架,截面設(shè)計(jì)由前者控制;另一種是先將鋼管用于施工時(shí)的勁性骨架,然后再內(nèi)灌混凝土并與外包混凝土共同形成斷面,鋼管混凝土參與拱橋成型后的受力,截面設(shè)計(jì)以施工階段控制。

目前,鋼管混凝土用于拱橋結(jié)構(gòu)的工程如雨后春筍般地不斷涌現(xiàn),尤其以我國(guó)的應(yīng)用最為廣泛,1991年建成的四川省旺蒼縣東河大橋是我國(guó)采用鋼管混凝土的第一座公路拱橋,跨度115 m,拱肋由上下兩根鋼管2φ 800×10組成啞鈴形,內(nèi)填C30混凝土,Q235鋼材。1998年建成的廣西三岸邕江大橋,跨度達(dá)270 m,是迄今我國(guó)和世界上跨度最大的鋼管混凝土中承式拱橋。拱肋用兩對(duì)2φ 1 020×16橫向設(shè)置的鋼管混凝土啞鈴形截面組成四邊形,管內(nèi)充填C50混凝土,截面寬2.4 m,高 5.6 m,腹桿用φ 400×12空鋼管,鋼材皆采用Q345。

此外,以鋼管混凝土做勁性骨架而組成拱橋的工程也有不少。其中最著名的是重慶市萬(wàn)州區(qū)長(zhǎng)江大橋,L=420 m,上承式拱橋。采用了10根鋼管組成空間桁架(10φ 402×16,Q345鋼材),吊裝成拱后,向管內(nèi)灌C60混凝土,然后掛模板澆筑混凝土,成為高7 m、寬15.6 m的單箱三室箱形截面拱肋,橋面總寬24 m。這是迄今為止全世界跨度最大的以鋼管混凝土為勁性骨架的公路拱橋。

3.3 鋼管混凝土在地鐵車站工程中的應(yīng)用

地鐵車站是我國(guó)最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程項(xiàng)目。早期的地鐵車站是深埋地下的多跨結(jié)構(gòu),用明挖法施工;采用鋼管混凝土柱主要是利用其承載力高的特點(diǎn),以減小柱子的截面尺寸,有效地利用空間。近年來(lái),在城市中心地區(qū)修建的地鐵車站多為淺埋式的、具有綜合功能的多層地下建筑。采用蓋挖逆作法施工,以盡量減少城市正常生活的干擾以及對(duì)地面交通和鄰近建筑的影響。蓋挖逆作法,是先施工地下結(jié)構(gòu)的頂蓋,在頂蓋的保護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖,按照從頂?shù)降椎捻樞蜻M(jìn)行施工。為此,必須在土方開(kāi)挖前設(shè)置好頂蓋的中間支撐柱,鋼管混凝土柱將施工階段的臨時(shí)柱和結(jié)構(gòu)的永久柱合二為一,因此是最好的選擇。

3.4 鋼管混凝土在單層工業(yè)廠房中的應(yīng)用

單層工業(yè)廠房的柱屬于偏心受壓構(gòu)件,為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),很多工程中的柱子設(shè)計(jì)成格構(gòu)式組合柱,如雙肢柱、三肢柱和四肢柱,把偏心彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S心力。

4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向

1)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系抗震性能的研究。目前,對(duì)鋼管混凝土抗震性能的研究主要集中在基本構(gòu)件方面,而對(duì)由鋼管混凝土柱和鋼或鋼筋混凝土等形式的梁組成的框架結(jié)構(gòu)的抗震性能則很少涉及。今后應(yīng)開(kāi)展這方面的研究工作,并在充分考慮結(jié)構(gòu)空間作用的基礎(chǔ)上,提供合理的鋼管混凝土框架柱和節(jié)點(diǎn)的抗震技術(shù)參數(shù),便于工程應(yīng)用。2)在防火設(shè)計(jì)方面,要簡(jiǎn)化鋼管混凝土防火極限的設(shè)計(jì)方法,制定鋼結(jié)構(gòu)(鋼管混凝土結(jié)構(gòu))住宅建筑的防火設(shè)計(jì)規(guī)范。只有這樣,才能有助于推廣鋼管混凝土在住宅建筑中的應(yīng)用。3)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)后的性能研究?；馂?zāi)后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的性能有其特點(diǎn),應(yīng)當(dāng)合理地評(píng)估其強(qiáng)度,為該類結(jié)構(gòu)的維修加固提供科學(xué)的依據(jù)。4)節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能的研究。節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部位,也是施工的難點(diǎn)。對(duì)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn),其合理與否直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和整個(gè)工程的造價(jià)。5)結(jié)合實(shí)際工程,進(jìn)一步完善鋼管混凝土住宅建筑的設(shè)計(jì)理論、不同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)程,盡快編制各類構(gòu)件的配套圖集。

此外,鋼結(jié)構(gòu)住宅對(duì)施工隊(duì)伍的施工技術(shù)要求比較高,而國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)主要進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的施工建設(shè),因此應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)施工隊(duì)伍的培訓(xùn),進(jìn)一步促進(jìn)鋼管混凝土在住宅中的發(fā)展與應(yīng)用。

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