鋼管混凝土結(jié)構(gòu)特性及改進(jìn)方式

徐高棟 李佳

【摘要】鋼管混凝土利用鋼材強(qiáng)度高和韌性好的特點(diǎn)進(jìn)行復(fù)合，組成鋼混結(jié)構(gòu)組合材料，正在因?yàn)槠鋬?yōu)越性能越發(fā)廣泛的應(yīng)用于高層建筑，橋梁，地下結(jié)構(gòu)及港口，海洋工程建設(shè)中，具有廣闊的發(fā)展前景。本文介紹了鋼管混凝土的工作機(jī)理，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及可供研究的改進(jìn)方式。

【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；工作機(jī)理；改進(jìn)方式

1.鋼棍混凝土的工作機(jī)理

1.1用作受壓桿件的的鋼管混凝土，借助鋼管對(duì)核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土處于受壓狀態(tài)。從而大大提高了核心混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。使其由脆性材料轉(zhuǎn)化為塑性材料，基本性能有了質(zhì)的變化。

1.2借助內(nèi)填混凝土增加鋼管壁的穩(wěn)定性。

對(duì)于薄壁鋼管來(lái)說(shuō)，其臨界承載力不穩(wěn)定，對(duì)局部缺陷很敏感，承載力取決于薄壁鋼管的局部穩(wěn)定，強(qiáng)度常得不到充分利用。實(shí)際承載力通常只能達(dá)到理論值的三分之一左右。當(dāng)有殘余應(yīng)力存在時(shí)，影響將會(huì)更加明顯，混凝土的存在可以避免或者延緩鋼管的局部變形。增加其穩(wěn)定性。

2.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2.1鋼管混凝土作為一種新的組合結(jié)構(gòu)，有著傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)

2.1.1構(gòu)件受壓承載力大幅度提高

在薄壁鋼管中灌入混凝土形成鋼管混凝土后，鋼管起著保護(hù)混凝土的作用，鋼管的局部穩(wěn)定也得到了保證，混凝土的三向受壓狀態(tài)也提高了其抗彎性能，從而大大提高了結(jié)構(gòu)的承載能力。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論分析表明，鋼管混凝土受壓構(gòu)件承載力可以達(dá)到鋼管和混凝土單獨(dú)承載力之和的1.8倍左右。

2.1.2具有良好的抗震性能

抗震性能是指在動(dòng)荷載作用下或地震作用下，結(jié)構(gòu)的延性和吸能性，實(shí)驗(yàn)表明，鋼管混凝土柱被破壞時(shí)最大可以壓縮為原來(lái)的2/3，混凝土的塑性特征得到改善，耗能能力得到提高。在動(dòng)荷載作用下，由P-△滯回曲線可以看到，鋼管混凝土的吸能性能特別好，無(wú)剛度退化現(xiàn)象，彎矩和曲率的關(guān)系曲線無(wú)下降段。據(jù)有關(guān)資料分析，高層建筑中采用鋼管混凝土結(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，地震作用減少一半左右。

2.1.3耐火，耐腐蝕性能好

鋼管混凝土的抗火性能雖然不如鋼筋混凝土，卻較大程度改善了鋼管的抗火性能，鋼管受熱時(shí)，內(nèi)層的混凝土可吸收大量熱量，延長(zhǎng)構(gòu)件的耐火時(shí)間，即便在鋼管受熱屈服后，混凝土還可承受大部分的軸向荷載，防止結(jié)構(gòu)倒塌，其次，在外界溫度有所降低時(shí)，已經(jīng)屈服截面處的鋼管可得到不同程度的恢復(fù)，結(jié)構(gòu)整體性比火災(zāi)發(fā)生時(shí)反而有所提高，可減少補(bǔ)強(qiáng)工作量，降低維修費(fèi)用。

2.2盡管鋼管混凝土作為新的組合結(jié)構(gòu)有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，然后由于其材料本身性質(zhì)的限制，目前該結(jié)構(gòu)尚且有一些弊端

2.2.1使用范圍不夠廣泛

目前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的使用仍限于柱，橋墩，拱架，很少使用于鋼管混凝土梁，主要原因是矩形鋼管混凝土梁的受力復(fù)雜，不易進(jìn)行理論分析，且構(gòu)造比較繁瑣，應(yīng)用起來(lái)經(jīng)濟(jì)效益不佳。

2.2.2構(gòu)件之間連接復(fù)雜

鋼管混凝土柱子和鋼筋混凝土梁相連接時(shí)，一般要借助于柱子上的牛腿和加強(qiáng)板；鋼筋混凝土柱子和無(wú)梁樓板連接時(shí)，尤其是采用升班法施工時(shí)，柱子和板的連接構(gòu)造尤其復(fù)雜，直接影響到施工進(jìn)度。

3.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的改進(jìn)形式

針對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特性以及存在的弊端，從工程實(shí)際出發(fā)，綜合考慮，有如下幾種改進(jìn)方式

3.1使用鋼管活性粉末混凝土

僅僅使用高強(qiáng)混凝土，會(huì)因?yàn)槠渌苄裕途眯圆粔蚝脤?duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，而活性粉末混凝土是一種高強(qiáng)度，高韌性，體積穩(wěn)定性良好的高性能混凝土，基本原理是：通過(guò)提高組分的細(xì)度與活性使混凝土內(nèi)部的缺陷減少到最少，以獲得高強(qiáng)度，將粉末活性混凝土灌入鋼管柱內(nèi)有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）鋼管的約束作用能有效改善核心活性粉末混凝土的延性；（2）活性粉末混凝土組成成分中沒(méi)有粒徑大于1mm的粗骨料，流動(dòng)性好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻。

3.2鋼管膨脹混凝土

鋼管混凝土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，由于混凝土的干縮，使鋼管和混凝土之間產(chǎn)生離隙，其次，構(gòu)件受熱時(shí)，由于鋼材的膨脹系數(shù)大于混凝土的膨脹系數(shù)，鋼管膨脹較大，離隙更大，鋼管不但不對(duì)混凝土具有橫向約束作用，反而存在拉力。因此，將膨脹混凝土灌入鋼管形成鋼管膨脹混凝土能彌補(bǔ)鋼管混凝土的不足之處。膨脹混凝土最常見的是在混凝土中加入膨脹劑，膨脹混凝土由于鋼管約束而更加密實(shí)。使混凝土在受荷初期就處于三向受力狀態(tài)。鋼管膨脹混凝土的彈性模量大于一般的混凝土，因此可以提高長(zhǎng)柱的穩(wěn)定承載力。

3.3鋼纖維鋼管混凝土

鋼纖維鋼管混凝土是在混凝土中摻入由鋼絲剪斷，鋼片切割或者高溫熔抽制成的鋼纖維，以增大混凝土抵抗裂縫開展的能力，防止脆性破壞，增大韌性和延性，鋼纖維可有效的制約核心混凝土的宏觀和微觀裂縫，可以提高構(gòu)件抗拉，抗壓，抗彎承載力，因此，鋼纖維鋼管混凝土在工程中有著廣闊的前景。

3.4復(fù)式鋼管混凝土

為了提高鋼管混凝土構(gòu)件的耐火安全性，或者為了加固現(xiàn)有的鋼管混凝土構(gòu)件，或者為了避免在尺度較大的構(gòu)件中采用厚壁鋼管，采用由多重鋼管組成的復(fù)式鋼管混凝土構(gòu)件是合適有效的，具體的截面形式有如下幾種。

3.5離心鋼管混凝土

離心鋼管混凝土是將混凝土澆灌在鋼管內(nèi)，經(jīng)高速離心機(jī)離心而成。由于在離心機(jī)上形成，養(yǎng)護(hù)條件好，所以混凝土更為密實(shí)，強(qiáng)度提高顯著，又適應(yīng)于工廠化生產(chǎn)，運(yùn)輸也不困難，目前正被廣泛用于工業(yè)，電力，橋梁等領(lǐng)域，而且應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。

3.6鋼骨-鋼管混凝土

鋼骨-鋼管混凝土是將鋼骨插入鋼管中，然后內(nèi)填混凝土形成。鋼骨可布置在鋼管內(nèi)側(cè)，也可以布置在外側(cè)。由于鋼管的約束作用，提高了混凝土的強(qiáng)度和延性，鋼骨的存在可有效地延緩或阻止混凝土中剪切滑移裂縫的產(chǎn)生，混凝土的存在則增強(qiáng)了鋼管和鋼骨的穩(wěn)定性。總之，鋼管，鋼骨，混凝土的協(xié)同工作，形成了良好的抵抗機(jī)制，能進(jìn)一步提高構(gòu)件承載力及延性。

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了鋼管混凝土的工作機(jī)理，結(jié)構(gòu)特性，并提出了可能的幾種改進(jìn)形式，這幾種改進(jìn)形式擴(kuò)展了鋼管混凝土的應(yīng)用范圍，給組合結(jié)構(gòu)增加了活力。隨著鋼管混凝土特性研究和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，鋼管混凝土定在工程建設(shè)領(lǐng)域中得到不斷的創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

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[2]朱雷 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)特性及其應(yīng)用發(fā)展 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì) 2013.10

指導(dǎo)老師：黃亮，男，江西人，博士，現(xiàn)任教鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院。

作者簡(jiǎn)介：

徐高棟，男，河南開封人，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院2012級(jí)本科生，土木工程專業(yè)。

李佳，女，河南許昌人，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院2012級(jí)本科生，土木工程專業(yè)。