論鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用

孔 祥

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

論鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用

孔 祥

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

介紹了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，論述了其在高層建筑工程、單層及多層工業(yè)廠房柱、大跨度橋梁工程中的應(yīng)用情況，對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展前景進(jìn)行了探索，以促進(jìn)其推廣應(yīng)用。

鋼管混凝土，建筑工程，結(jié)構(gòu)承載力，耐火性能

1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

1.1 具有較高的承載力與延性

對(duì)于建筑工程中鋼管混凝土柱，鋼管可約束內(nèi)部混凝土，使混凝土保持三向受壓狀態(tài)，混凝土抗壓強(qiáng)度得以提高。鋼管混凝土柱和混凝土柱及鋼管柱相比，前者在承載力方面有著后者無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二者之和。鋼管與混凝土二者的相互作用，可改變鋼管中混凝土破壞性質(zhì)，由塑性破壞將脆性破壞替代，由此可見(jiàn)，這對(duì)于構(gòu)件延性性能的改善有著積極的促進(jìn)作用，其耗能水平得以提高。

1.2 縮短工期且施工便利

施工中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼管能發(fā)揮勁性骨架作用，混凝土澆筑、混凝土搗實(shí)更為方便；在施工過(guò)程中，模板這一環(huán)節(jié)在鋼管混凝土中也被省去，不僅能夠使材料與人工費(fèi)用得以節(jié)約，同時(shí)相關(guān)施工時(shí)間也得到有效控制，使工期得以大大縮短[1]。

1.3 鋼管的抗火性與防火性增強(qiáng)

對(duì)于鋼管混凝土而言，由于將混凝土添加到了鋼管內(nèi)部，使得其抗火性得以增強(qiáng)，大量的熱能可以被吸收，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，不均勻的管柱截面溫度場(chǎng)分布，使柱子的耐火性更強(qiáng)，但凡鋼柱屈服，大部分軸向荷載可由混凝土承受，結(jié)構(gòu)倒塌情況就可以得到控制。除此以外，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)還有很強(qiáng)的耐火性，其原因就在于鋼梁會(huì)把熱量由頂部翼緣傳遞給混凝土，使鋼梁溫度不斷下降。研究可知，和鋼柱相比，達(dá)到一級(jí)3 h耐火要求材料，可節(jié)省大約50%的防火涂料，其節(jié)約涂料的量與鋼管直徑成正比例關(guān)系。

1.4 具有較強(qiáng)的耐腐蝕能力

在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，將混凝土澆筑于鋼管中，可削減鋼管外露面積，結(jié)構(gòu)因而具有較好的抗腐蝕力。和鋼結(jié)構(gòu)比較，在抗腐與防腐工作方面產(chǎn)生的費(fèi)用自然也要少一部分。對(duì)于鋼管混凝土構(gòu)件而言，其截面形式非常重要，在很大程度上會(huì)影響到鋼管混凝土的諸多方面，諸如受力性能、混凝土柱以及施工難度等。以圓鋼管混凝土為例，其受壓構(gòu)件通過(guò)圓鋼管約束內(nèi)部混凝土，使其內(nèi)部混凝土三向受力，混凝土抗壓強(qiáng)度得以強(qiáng)化。但圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)也有著自身的不足之處，即施工難度大和施工成本高等。在施工各方面，方鋼管混凝土則有突出優(yōu)勢(shì)，但方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承載力低[2]。

2 建筑工程鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用

2.1 高層建筑工程

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用十分普遍，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)所具備的優(yōu)勢(shì)就是有著較高的承載力和較好的抗震性，能夠在一定程度上取代鋼筋混凝土，在當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)中，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在底部“胖柱”現(xiàn)象，高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中柱的破壞屬于脆性破壞，由此，鋼管混凝土則可以替代鋼筋混凝土，繼而解決上述問(wèn)題。鋼管混凝土還能取代鋼結(jié)構(gòu)體系中的鋼柱，減少鋼材使用量，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度。建筑工程若全部使用的是鋼管混凝土，可選擇“全逆作法”“半逆作法”，這兩類(lèi)施工方法可縮短施工工期。在鋼材取材、厚度和成本等方面，鋼管混凝土柱均有著突出的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，與鋼柱相比較可知，鋼管混凝土柱的防火性和耐腐蝕性更強(qiáng)。如圖1所示則是高層建筑柱子的圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)示意圖。

2.2 單層及多層工業(yè)廠房柱

就單層的工業(yè)廠房柱，該類(lèi)型的廠房柱屬于偏心受壓構(gòu)件，因而要想保證鋼管混凝土結(jié)構(gòu)所具備的特點(diǎn)得以最大限度的發(fā)揮，相當(dāng)多的工程會(huì)以雙肢柱、三肢柱以及四肢柱等格構(gòu)式組合柱為主要形式，將偏心彎矩向軸心力轉(zhuǎn)變。

2.3 大跨度橋梁工程

在我國(guó)拱橋結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土的應(yīng)用比較廣泛，其中斜拉橋結(jié)構(gòu)中也有其應(yīng)用。拱橋結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)的是軸向壓力，它的跨度和拱肋所承受的壓力之間成正比的關(guān)系，對(duì)此，需要通過(guò)鋼管混凝土，以便于更好的適用于拱橋結(jié)構(gòu)。實(shí)踐表明，在拱橋修建過(guò)程中，勁性鋼骨架的作用除了施工受力，對(duì)于作為成橋后的受力結(jié)構(gòu)而言也是比較理想。弦桿采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，提高了強(qiáng)度與穩(wěn)定性，同時(shí)施工過(guò)程中鋼管還具有澆筑混凝土模板與鋼筋的作用。因此，對(duì)于大跨度橋梁工程而言，鋼管混凝土的使用還是比較合理的[3]。

3 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的前景探索

3.1 高強(qiáng)材料研發(fā)及其應(yīng)用

隨著近些年高強(qiáng)混凝土材料的迅猛發(fā)展，在我國(guó)城市內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用C60混凝土，也有的開(kāi)始使用C70或者C80，這使得鋼管混凝土柱的承載力更高，混凝土得以節(jié)約。然而高強(qiáng)混凝土仍然存在一些不足，其強(qiáng)度的提高導(dǎo)致脆性增加，結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性無(wú)法得到保障。鋼管混凝土中以處于三向受壓狀態(tài)的混凝土為核心，使得其延性性能得以大幅度改善，脆性破壞情況得到有效控制。就是說(shuō)只有鋼管混凝土柱使用高強(qiáng)混凝土，才能夠使其強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮。由此可見(jiàn)，高強(qiáng)鋼管混凝土發(fā)展的潛力及其發(fā)展的空間可以說(shuō)尤為可觀。

當(dāng)前，相關(guān)研究學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行了一系列的分析及研究，在此過(guò)程中得知，高強(qiáng)鋼管混凝土構(gòu)件和其他普通的鋼管混凝土比較，兩者力學(xué)性能有一定差別。對(duì)于一般類(lèi)型的鋼管混凝土構(gòu)件，它的設(shè)計(jì)公式在高強(qiáng)鋼管混凝土設(shè)計(jì)中并不適用，而現(xiàn)如今相關(guān)部門(mén)僅僅對(duì)一般類(lèi)型的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工規(guī)范、設(shè)計(jì)要求及規(guī)程作了規(guī)定，所以，要對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土予以分析，盡快制定與之相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范。

3.2 耐火性能的研究

目前，我國(guó)針對(duì)鋼管混凝土的防火規(guī)范并沒(méi)有制定出來(lái)。就已建成的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)而言，其采用的形式也各有不同，有的按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要求采用的混凝土外包，有的會(huì)涂刷防火涂料，這些形式的規(guī)定并不統(tǒng)一，同時(shí)參考依據(jù)也并不科學(xué)。近幾年來(lái)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中關(guān)于耐火性的研究相對(duì)較多，隨之取得了諸多的研究成果，因而要結(jié)合具體國(guó)情，科學(xué)合理的編制防火規(guī)范，以便于和鋼管混凝土相配合。

3.3 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性

就鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土柱的框架結(jié)構(gòu)，對(duì)其抗震性的對(duì)比試驗(yàn)，需要立足于理論，來(lái)分析這兩類(lèi)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性，試驗(yàn)表明，在抗震性能方面鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越。然而就現(xiàn)階段鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的研究情況來(lái)看，基本構(gòu)件依舊是其中不可或缺的一大研究?jī)?nèi)容，但是對(duì)于鋼管混凝土抗震性方面的研究仍需要進(jìn)一步完善。對(duì)此，必須針對(duì)這些方面進(jìn)行全方位的分析，繼而為工程施工建設(shè)提供更為科學(xué)的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究起步較晚，然而其具有的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)非常突出，并與我國(guó)國(guó)情相適應(yīng)[5]，隨著其發(fā)展與研究的不斷深入，筆者相信在今后工程中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可得到廣泛運(yùn)用，而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)也普遍存在許多不足之處，所以，相關(guān)人員要有針對(duì)性的展開(kāi)深入的研究，找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因，提出有效的改進(jìn)措施，使其得到全面優(yōu)化，在工程建設(shè)中發(fā)揮出更大的作用。

[1] 王冰兄.淺談建筑工程中鋼管混凝土結(jié)構(gòu).中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2012(5):179-181.

[2] 韓林海,陶 忠,劉 威,等.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)——理論與實(shí)踐.福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,29(6):125-126.

[3] 李 浩.淺談鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用與前景.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015,28(6):129-130.

[4] 于 軍.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與應(yīng)用.中小企業(yè)管理與科技,2011,9(10):203-204.

[5] 趙 硯.建筑自密實(shí)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的管理措施.建筑安全,2015,11(3):157-159.

Discussion on the application of steel tube concrete structure in construction engineering

Kong Xiang

(ArchitecturalDesignandResearchInstitute,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

This paper introduced the advantage of steel tube concrete structure, and elaborated the application situation of it in high-rise buildings engineering, monolayer and multilayer industrial workshop column, large span bridge engineering, and discussed its development prospect in construction field, to promote the popularization and application.

steel tube concrete, construction engineering, structural bearing capacity, fire resistance

2015-09-16

孔 祥(1980- )，男，工程碩士，工程師

1009-6825(2015)33-0036-02

TU375

A