鋼管混凝土結(jié)構(gòu)概述

馬卓群

（太原鐵路房建段，山西 太原 030013）

鋼管混凝土就是在鋼管內(nèi)填充混凝土而形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它是將鋼管抗彎能力強(qiáng)和混凝土軸向抗壓能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，同時利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中相互間的組合作用，克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲和混凝土抗彎能力弱的特點(diǎn)，而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)。

1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的自身優(yōu)點(diǎn)

由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的自身優(yōu)點(diǎn)，其在我國的應(yīng)用發(fā)展很快，被廣泛地應(yīng)用于工程實踐中，主要優(yōu)點(diǎn)有：

1.1 承載力高

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件受壓時，鋼管始終對填入的混凝土產(chǎn)生緊箍力，這樣，鋼管和混凝土都處在三向應(yīng)力狀態(tài)下工作，使混凝土由原來的脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧?，因而，抗壓?qiáng)度和變形能力都得到了極大的提高，同時，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。研究表明，鋼管混凝土受壓構(gòu)件的強(qiáng)度承載力大約為鋼管和混凝土單獨(dú)承載力之和的1.7～2.0倍。

1.2 抗震性能優(yōu)

對鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)做頂層荷載—位移滯回曲線表明，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的吸收性能比較好，而鋼筋混凝土框架出現(xiàn)明顯的捏縮現(xiàn)象。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中鋼管位于混凝土外側(cè)，在側(cè)向力的作用下，其對內(nèi)部的混凝土起到了很好的約束作用，從而延緩了混凝土裂縫的發(fā)展，降低了其剛度和強(qiáng)度的退化速度，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力優(yōu)于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，所以，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能強(qiáng)于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.3 施工效率高

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工中不需要搭設(shè)模板，節(jié)省了支模、拆模等工序；內(nèi)部不需要配筋，鋼管兼作受力鋼筋與箍筋，節(jié)省了鋼筋下料、綁扎等工序；混凝土澆筑完畢后在相對密閉的環(huán)境中硬化，對環(huán)境的要求較低，相對于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)省去了對混凝土的養(yǎng)護(hù)；鋼管柱具有足夠的剛度和強(qiáng)度，管內(nèi)混凝土可選擇在任何時候進(jìn)行澆灌，甚至可用泵灌頂升法3～4層樓澆灌1次，并不占用整個建筑的主導(dǎo)工期。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)混凝土澆筑一般采用頂升法和高拋?zhàn)悦軐嵎ǎ斏ɡ帽盟偷膲毫⒒炷劣傻椎巾斪⑷脘摴?，由混凝土自重及泵送壓力使混凝土達(dá)到密實的狀態(tài)。高拋?zhàn)悦軐嵎ㄊ峭ㄟ^一定的拋落高度，利用混凝土墜落時的動能及混凝土自身的優(yōu)異性能達(dá)到振實的效果，目前，兩種澆筑方法都有比較成熟的施工經(jīng)驗。

1.4 抗火能力強(qiáng)

在遭受火災(zāi)時，由于鋼管中的混凝土能夠吸收大量的熱量，使得鋼管混凝土柱截面溫度場的分布很不均勻，越到混凝土中心，溫度升高越慢，從而減慢了外側(cè)鋼管的溫度上升速度，但使柱子的耐火時間大大增加。即使鋼管達(dá)到屈服強(qiáng)度，混凝土還具有相當(dāng)?shù)妮S向荷載承載能力，能夠有效防止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

1.5 性價比高

采用普通強(qiáng)度混凝土的鋼管混凝土與鋼柱相比，可節(jié)約鋼材50%左右，造價也可降低；如與鋼筋混凝土柱相比，可節(jié)約混凝土50%以上，減輕結(jié)構(gòu)自重50%以上，而二者耗鋼量和造價相當(dāng)。如果采用在鋼管內(nèi)填充高強(qiáng)度混凝土，可節(jié)約混凝土60%以上，同時減輕結(jié)構(gòu)自重60%以上,可以有效降低工程建設(shè)成本。同鋼結(jié)構(gòu)相比較，鋼管混凝土外露在空氣中的面積小，所需的抗腐蝕、防火費(fèi)用較少，并且隨著柱子直徑的增大，經(jīng)濟(jì)效果越顯著。

1.6 生態(tài)因素

在鋼管中填充再生混凝土，形成再生鋼管混凝土，在鋼管的約束之下也能發(fā)揮二者的相互作用。再生鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為廢棄混凝土的循環(huán)利用提供了一條有效的途徑，同時鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中省去了模板工程，大大減小了環(huán)境負(fù)擔(dān)。并且，同樣承載力的鋼管混凝土柱較鋼筋混凝土柱的截面小，尤其是高層建筑的底層或地下室柱截面較大，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可以獲得更大的利用空間。

2 鋼管混凝土自身結(jié)構(gòu)存在的弊端

2.1 使用范圍有限

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的使用范圍目前僅限于柱、橋墩等軸心或小偏心受壓構(gòu)件，還很少有使用鋼管混凝土梁的先例，這是因為梁一般都做成矩形。而矩形的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜而且構(gòu)造要求高，相對于圓鋼管混凝土，方鋼管混凝土存在鋼管對核心混凝土約束相對較弱的弱點(diǎn)，所以目前主要采用圓形截面的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2 構(gòu)件連接構(gòu)造復(fù)雜

鋼管混凝土柱與梁的連接需要借助牛腿和加強(qiáng)板，當(dāng)需要連接的梁較多，并且高度不同時，需要較多的牛腿和加強(qiáng)板，構(gòu)造比較復(fù)雜，當(dāng)采用暗牛腿時，會在一定程度上為混凝土的澆筑帶來不便。為了充分發(fā)揮承載力，使軸向荷載盡量傳遞到核心混凝土上，工程中常采用柱頂蓋板、柱腳底板和層間隔板、穿心板等來實現(xiàn)，這些構(gòu)件與鋼柱的連接比較繁瑣，制作也較麻煩，不便于施工。當(dāng)采用升板法施工時，鋼管混凝土柱與無梁蓋連接構(gòu)造更為復(fù)雜，會直接影響到施工的進(jìn)度。

2.3 混凝土質(zhì)量檢查困難

鋼管中的混凝土屬于隱蔽工程范疇，澆筑完成后無法直觀檢查混凝土質(zhì)量。當(dāng)采用超聲脈沖檢測發(fā)現(xiàn)混凝土有缺陷時，需要將鋼管開孔來補(bǔ)強(qiáng)混凝土，然后再修復(fù)鋼管。檢查和修復(fù)工程繁瑣而復(fù)雜，所以鋼管混凝土結(jié)構(gòu)對澆筑的混凝土質(zhì)量要求較高，施工中必須嚴(yán)格控制混凝土的各項質(zhì)量參數(shù)。

2.4 鋼管構(gòu)件制作安裝要求高

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中使用的鋼管優(yōu)先使用螺旋焊管，對焊接質(zhì)量要求很高，并且鋼管內(nèi)部有除銹要求。在構(gòu)件制作過程中，鋼管的對接是一個關(guān)鍵點(diǎn)，要求焊后的管肢符合質(zhì)量要求，這就需要在焊接時采取相應(yīng)的措施，嚴(yán)格按照焊接的順序作業(yè)，并且要考慮到焊接變形對構(gòu)件的影響?，F(xiàn)場拼接時，通常在管內(nèi)接縫處設(shè)置附加襯管來確保連接處的焊縫質(zhì)量。格構(gòu)式柱要求柱的肢管和各種腹桿的組裝連接尺寸和角度必須準(zhǔn)確，更為施工增加了難度。為了控制鋼管在吊裝荷載作用下的變形，構(gòu)件在吊裝前要驗算吊點(diǎn)設(shè)置的位置和數(shù)量，并且要控制吊裝速度。吊裝就位后，要立即進(jìn)行校正，并采取可靠的固定措施以保證構(gòu)件的穩(wěn)定性。

3 對新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究成果

近年來，筆者對一些新型的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果，具體的研究成果有：

3.1 薄壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

薄壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是由薄壁鋼管與混凝土組合形成的新型結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置縱向加筋肋，既具有組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又能節(jié)約鋼材，在一些荷載較輕的結(jié)構(gòu)中具有良好的應(yīng)用潛力。

3.2 采用高性能混凝土的鋼管混凝土

高性能混凝土的用水量較低，抗離析性高、流動性好，具有良好的自密實性，它可以在鋼管中自密實成型，大大方便了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工，對確保工程質(zhì)量具有重要的意義。

3.3 中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在兩個同心放置的鋼管之間灌注混凝土而成的構(gòu)件，由于內(nèi)外鋼管和混凝土三者的相互作用，與傳統(tǒng)實心鋼管混凝土構(gòu)件相比，具有剛度大、自重輕、抗火能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于大直徑樁和高層建筑中。

綜上所述，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，自20世紀(jì)60年代引入我國以來，經(jīng)過40多年的不斷發(fā)展和完善，被越來越廣泛地應(yīng)用于高層、超高層建筑、大跨度橋梁工程、地下工程和工業(yè)廠房建設(shè)中，并已取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但是，相對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，人們對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究還處于起步階段，許多阻礙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展應(yīng)用的深層次問題還有待解決。值得肯定的是，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)多于缺點(diǎn)，隨著理論研究的不斷深入、新的施工工藝的出現(xiàn)和高性能材料的應(yīng)用，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)會充分體現(xiàn)出來，在工程中的應(yīng)用必將更加廣泛。