鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)在建筑工程領(lǐng)域發(fā)展分析

都吉平

鋼管混凝土(即鋼管混凝土—CFST)是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)中的一種重要形式,就是在鋼管中充填素混凝土制成的建筑構(gòu)件,是介于鋼管和混凝土之間的一種材料,由混凝土填入薄壁鋼管而形成的一種新型組合材料。

鋼管混凝土通過借助內(nèi)填混凝土增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性,借助鋼管對核心混凝土的套箍(約束)作用,使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài),從而保證核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和壓縮變形能力,更有效地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)60年代～80年代,鋼管混凝土開始應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑。隨著規(guī)范圖集的日益完善及自身的特性優(yōu)勢,鋼管混凝土被廣泛地應(yīng)用于單層和多層工業(yè)廠房柱、空間結(jié)構(gòu),近10年又被應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)、高層和超高層建筑中,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和建筑效果,尤其是近年來隨著我國城市建設(shè)的加速發(fā)展,建筑物的高度和要求越來越高,作為高層和超高層建筑中推廣應(yīng)用的新結(jié)構(gòu)形式之一,鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)將得到更廣泛的應(yīng)用。

1 鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

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(nèi)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(qiáng)度;鋼管內(nèi)部的混凝土又可以有效地防止鋼管發(fā)生局部屈曲,構(gòu)件的延性性能明顯改善,耗能能力大大提高。2)施工方便,工期大大縮短。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時,鋼管可以作為勁性骨架承擔(dān)施工階段的施工荷載和結(jié)構(gòu)重量,施工不受混凝土養(yǎng)護(hù)時間的影響;由于鋼管混凝土內(nèi)部沒有鋼筋,便于混凝土的澆筑和搗實(shí);鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時,不需要模板,節(jié)省支模、拆模的材料和人工費(fèi)用,也節(jié)省了時間。3)有利于鋼管的抗火和防火。鋼管混凝土的耐火極限時間比鋼材的要長,由于鋼管內(nèi)填有混凝土,能吸收大量的熱能,因此遭受火災(zāi)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(jié)構(gòu)倒塌。4)抗腐蝕性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。鋼管中澆筑混凝土使鋼管的外露面積減少,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。5)工程經(jīng)濟(jì)性好。相對于鋼材和鋼筋混凝土,鋼管混凝土經(jīng)濟(jì)效益顯著。和鋼柱相比,可節(jié)約50%的鋼材,降低造價約45%;和鋼筋混凝土相比,可節(jié)約混凝土約70%,減少自重70%,節(jié)省模板100%,而用鋼量相等或略多。

2 鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工要點(diǎn)分析

當(dāng)前我國鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工主要依據(jù)CECS 28∶90鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程,06SG524鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造,CECS 230∶2008高層建筑鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程,GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范以及GB 50205-2001鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范等專業(yè)規(guī)范,圖集指導(dǎo)實(shí)際工程。

2.1 鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)分析

1)承載力計算。針對單肢柱和格構(gòu)柱不同類型考慮構(gòu)件的單肢承載力計算和整體承載力計算兩種情況進(jìn)行計算分析,同時需要對鋼管柱的局部受壓承載力進(jìn)行驗(yàn)算。2)變形計算。鋼管混凝土柱的變形驗(yàn)算可以按照一般結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進(jìn)行。3)節(jié)點(diǎn)設(shè)計與構(gòu)造。鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施對結(jié)構(gòu)的安全性影響重大,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的整體設(shè)計應(yīng)該符合“構(gòu)造簡單,整體性好,傳力明確,安全可靠,節(jié)約材料,施工方便”的原則。根據(jù)鋼管混凝土柱同混凝土梁或者型鋼梁,鋼骨梁的不同連接類型,應(yīng)采用不同的節(jié)點(diǎn)措施,但均應(yīng)必須滿足節(jié)點(diǎn)抗剪和抗彎的要求。4)柱腳設(shè)計。鋼管混凝土與柱腳連接形式主要包括插入式和端承式兩種,插入式柱腳的杯口設(shè)計和構(gòu)造與預(yù)制鋼筋混凝土柱的基礎(chǔ)杯口應(yīng)相同,柱腳插入深度不宜小于2倍鋼管直徑;端承式柱腳的設(shè)計和構(gòu)造與鋼結(jié)構(gòu)相同,但應(yīng)驗(yàn)算柱與基礎(chǔ)連接面的局部受壓強(qiáng)度;柱腳鋼管的端頭必須用封頭板封固。

2.2 鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)施工要點(diǎn)分析

1)鋼管柱制作。鋼管混凝土制作的基本流程可以概括為:計算機(jī)輔助下料、調(diào)直→定型切割→螺旋鋼管卷制焊接→校正→剪力環(huán)、內(nèi)襯管等構(gòu)件組裝→完工報驗(yàn)→打磨、刷漆、標(biāo)記→檢驗(yàn)合格出廠8個環(huán)節(jié)。在鋼管柱制作過程中,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)的制作要求外要嚴(yán)格保證管的平、直,不得有翹曲、表面銹蝕和沖擊痕跡,尤其要滿足設(shè)計圖紙對管壁的除銹要求。2)鋼管柱安裝。鋼管柱的安裝流程包括:測量鋼管柱軸線尺寸與標(biāo)高→定位環(huán)板預(yù)埋→基礎(chǔ)節(jié)鋼管柱吊裝→基礎(chǔ)節(jié)安裝→鋼柱軸線、垂直度、標(biāo)高校正→焊接及檢驗(yàn)→管頂蓋板防護(hù)→檢查、驗(yàn)收→混凝土澆筑→下一節(jié)起吊對接10個環(huán)節(jié)。在構(gòu)件制作過程中,鋼管的對接是一個難點(diǎn),在焊接時應(yīng)注意焊接的順序,考慮焊接變形的影響;現(xiàn)場拼接時,在管內(nèi)接縫處必須設(shè)置附加襯管;對于采用內(nèi)環(huán)板或外環(huán)板式的鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn),施工與普通鋼結(jié)構(gòu)一致。3)鋼管柱混凝土澆灌。鋼管混凝土澆筑方法:可采用泵送頂升澆筑、立式手工澆筑、高位拋落無振搗法三類。

3 未來鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)發(fā)展對策分析

1)在防火設(shè)計方面,要簡化鋼管混凝土防火極限的設(shè)計方法,制定鋼管混凝土結(jié)構(gòu)住宅建筑的防火設(shè)計規(guī)范,更有利的推廣鋼管混凝土在住宅建筑中的應(yīng)用。2)加強(qiáng)鋼管混凝土住宅建筑在火災(zāi)后的殘余力學(xué)性能評估與災(zāi)后的維修、加固措施的研究。3)鋼結(jié)構(gòu)住宅的關(guān)鍵在于外墻板的價格、質(zhì)量、防水、耐久性及接縫的處理等。應(yīng)該大力開發(fā)價廉物美、輕質(zhì)高強(qiáng)且具有耐久性的外墻板與相應(yīng)的配套構(gòu)件。4)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)計理論、不同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和施工規(guī)程,盡快編制各類構(gòu)件的配套圖集指導(dǎo)實(shí)際工程。5)鋼結(jié)構(gòu)住宅對施工隊(duì)伍的施工技術(shù)要求比較高,而國內(nèi)大部分施工隊(duì)伍主要進(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。6)對于節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)注意鋼梁—鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計,必須注意保證強(qiáng)柱、弱梁、節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)的原則;符合計算的簡圖;節(jié)點(diǎn)中傳力明確、簡潔;構(gòu)造簡單,制作方便且節(jié)約鋼材,這也是保證結(jié)構(gòu)安全可靠的關(guān)鍵。

4 結(jié)語

鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)順應(yīng)了社會發(fā)展的需求,正在被日益廣泛的重視。針對與鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)相關(guān)的各種形式,尤其在民用建筑住宅體系中的應(yīng)用,我國鋼結(jié)構(gòu)企業(yè),科研院所正在進(jìn)行積極的探索,已經(jīng)建立了試點(diǎn)示范,并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益,積累了一定的經(jīng)驗(yàn),相信隨著我國鋼管混凝土相關(guān)規(guī)范的逐漸完善。

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