鋼管混凝土構(gòu)件綜述

蘆偉鵬（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

鋼管混凝土構(gòu)件綜述

蘆偉鵬
（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

為了有效降低傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程的耗材量，提高工程經(jīng)濟(jì)效益，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。本文講述了鋼管混凝土的發(fā)展歷史以及在近年來的發(fā)展趨勢(shì)，分析了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理、強(qiáng)度、剛度、延性等相關(guān)性質(zhì)。最后總結(jié)了鋼管混凝土設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)，并介紹了幾種具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦弯摴芑炷两Y(jié)構(gòu)。

鋼管混凝土；抗震性；強(qiáng)度；剛度；耐久性；抗沖擊

1　引言

改革開放以來，我國(guó)進(jìn)入了飛速發(fā)展的年代。大跨度橋梁、大型標(biāo)志性建筑物以及深埋地下結(jié)構(gòu)等如雨后春筍出現(xiàn)在祖國(guó)各地，給結(jié)構(gòu)工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。這要求結(jié)構(gòu)工程學(xué)科必須與時(shí)俱進(jìn)，在完成各項(xiàng)建設(shè)重任的同時(shí)，堅(jiān)持理論上的創(chuàng)新，并用新理論指導(dǎo)施工的更高效進(jìn)行。從過去的磚混結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)，到如今的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，乃至各種特殊空間結(jié)構(gòu)，無不體現(xiàn)了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的巨大進(jìn)步和超越創(chuàng)新。［2］鋼管混凝土在工程應(yīng)用中已有百年歷史，但由于理論的局限，過去并未能顯現(xiàn)出其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。然而，從20世紀(jì)80年代開始，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在大跨度建筑和高層建筑中得到有效的應(yīng)用，有力地推動(dòng)了這一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步。1990年國(guó)家頒布了《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》，為該技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐提供了技術(shù)保障。近10年間，鋼管混凝土技術(shù)日趨成熟，并廣泛用于各種工程中。深圳賽格廣場(chǎng)大廈、重慶世界貿(mào)易中心、重慶萬縣長(zhǎng)江公路大橋等大型建筑都運(yùn)用了鋼管混凝土技術(shù)，并取得了良好的成效。［5］

2　鋼管混凝土受力機(jī)理

鋼管混凝土是將混凝土填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合材料。套入鋼管的目的主要是依靠鋼管的約束作用，使管內(nèi)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而提高其抗壓承載力；混凝土是一種非勻質(zhì)材料，因?yàn)槠浣M成成分——水泥、骨料之間的構(gòu)件尺寸、性質(zhì)等都有很大的差異，以及它們之間往往存在著空隙。有時(shí)在水泥硬化的過程中，還會(huì)由于其它因素而造成骨料分布不勻。混凝土的這一性質(zhì)，導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微裂紋。在混凝土受壓的情況下，這些細(xì)微裂紋會(huì)成為薄弱處而率先破壞；鋼管的約束作用，就是在軸向受壓的混凝土構(gòu)件中施加側(cè)向壓力，使沿軸方向的裂縫受到限制。也就是只有在更高的軸向壓力下，混凝土構(gòu)件才會(huì)出現(xiàn)破壞，從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度得到了提高。［3］

工程中常用約束指標(biāo)（λt）來表示鋼管對(duì)混凝土的約束程度：

其中：As為鋼管的截面積，Ac為核芯混凝土的截面積，fy為鋼管的抗壓強(qiáng)度，fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度。

工程中一般取λt=0.2～0.4［4］

隨著約束指標(biāo)的提高，鋼管混凝土的極限抗壓強(qiáng)度亦隨之提高。

式中：

Ac——核芯混凝土的截面面積；

As——鋼管的截面面積；

Nu——作用在混凝土上的極限軸力；

σcp——在極限軸力Nu下，核心混凝土的縱向壓應(yīng)力；

σzp——在極限軸力Nu下，鋼管的縱向壓應(yīng)力。

工程上常用經(jīng)驗(yàn)公式：

3　鋼管混凝土的抗震性能

鋼管對(duì)混凝土的約束作用大大提高了核心混凝土的抗壓強(qiáng)度，另一方面，混凝土的存在也使鋼管的穩(wěn)定性有了提高，塑性和韌性大大增加，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利。下面對(duì)圓鋼管混凝土邊框剪力墻的抗震性能進(jìn)行研究分析。

SW-1為普通鋼筋混凝土剪力墻；

SW-2為鋼管混凝土剪力墻；

CCFT-1為鋼管混凝土柱。

3.1 荷載

表1數(shù)據(jù)說明：

表1　開裂荷載、明顯屈服荷載、極限荷載實(shí)測(cè)值［8］

圓鋼管混凝土邊框剪力墻相對(duì)于普通邊框剪力墻，開裂荷載提高了29.59%，屈服荷載提高了53.84%，極限荷載提高了57.43%，體現(xiàn)了圓鋼管剪力墻具有較高的水平承載能力［8］。

3.2 剛度

表2　剛度實(shí)測(cè)值［8］

表2數(shù)據(jù)說明：

分析可知，鋼管混凝土框架的水平側(cè)移一般較小，水平抗力較大，且在彈塑性階段的強(qiáng)度和剛度衰減較慢，滯回曲線沒有明顯的捏縮現(xiàn)象，其抗震性能明顯優(yōu)于普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；同時(shí)鋼管混凝土能夠滿足“強(qiáng)柱弱梁”關(guān)系，達(dá)到延性框架的要求，比鋼框架結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在進(jìn)行鋼管混凝土框架設(shè)計(jì)時(shí)，由于地震波的方向不確定，所以應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)在水平兩個(gè)方向的剛度一致。［12］

3.3 延性

表3　位移及延性系數(shù)實(shí)測(cè)值［8］

其中：

Uc——與Fc對(duì)應(yīng)的開裂位移；

Uy——與Fy對(duì)應(yīng)的屈服位移；

Ud——彈塑性最大位移，其取值為荷載下降至極限荷載的85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移；

μ=Ud/Uy，為試件的延性系數(shù)；

sp——試件的彈塑性位移角。

上述數(shù)據(jù)說明：

圓鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)CFST-1的延性較好，因此在和普通混凝土剪力墻組合以后，普通混凝土剪力墻延性差的缺點(diǎn)得到了改善。SW-2的彈塑性最大位移比SW-1提高了38.70%，SW-2的延性系數(shù)比SW-1提高了20.00%。圓鋼管混凝土邊框剪力墻的彈塑性變形能力和延性比普通混凝土剪力墻明顯提高。［7］

4　鋼管混凝土優(yōu)越性能

4.1 良好的耐火性能

相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土除了擁有較好的強(qiáng)度和延性，更擁有突出的耐火性能，另外，溫度降低后，處于屈服的鋼管強(qiáng)度可以得到恢復(fù)，使截面的力學(xué)性能比高溫下有所改善。

4.2 經(jīng)濟(jì)效果好

相比起普通鋼筋混凝土承壓構(gòu)件，鋼管混凝土承壓構(gòu)件可以節(jié)約50%左右的混凝土，使自重大幅度降低，從而降低鋼材用量，使造價(jià)下降。［15］

4.3 優(yōu)越的穩(wěn)定性能

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比，介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間，在高層建筑中具有優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，能減輕風(fēng)致擺動(dòng)。［8］

4.4 方便施工

鋼管是勁性承重骨架，其焊接工作量比一般型鋼少，質(zhì)量輕，易于吊裝，因此可簡(jiǎn)化施工工藝、節(jié)省腳手架、縮短工期等。［11］

5　鋼管混凝土設(shè)計(jì)

為切合建筑抗震的要求，鋼管混凝土設(shè)計(jì)必須符合抗震的概念設(shè)計(jì)原則——強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件。因此在鋼管混凝土設(shè)計(jì)中必須注意以下要點(diǎn)：

5.1 節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。鋼管混凝土的梁柱節(jié)點(diǎn)主要有鉸接節(jié)點(diǎn)、半剛接節(jié)點(diǎn)、剛接節(jié)點(diǎn)這幾類。而粘結(jié)強(qiáng)度則是衡量節(jié)點(diǎn)的重要因素之一。設(shè)計(jì)人員務(wù)必保證作用在節(jié)點(diǎn)上的荷載強(qiáng)度不大于節(jié)點(diǎn)的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)生在梁端節(jié)點(diǎn)。具體做到以下幾點(diǎn)措施：

⑴在地震區(qū)采用鋼梁加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)或內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)；

⑵遵循《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011；

⑶節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)環(huán)板的加工應(yīng)保證外形曲線光滑、無裂紋、刻痕，管段與柱段間的水平焊縫應(yīng)與母材等強(qiáng)，加強(qiáng)環(huán)板與鋼梁翼緣的對(duì)接，應(yīng)采用剖口焊；

⑷可能產(chǎn)生塑性鉸的最大應(yīng)力區(qū)內(nèi)，避免布置焊接焊縫。［14］

5.2 構(gòu)件

鋼管與核心混凝土的協(xié)同工作，保證了混凝土具有較高的抗震性能，其抗震性能與其它因素密切相關(guān)，具體表現(xiàn)為：

⑴含鋼量越高，鋼材強(qiáng)度越大，延性越好；

⑵混凝土強(qiáng)度越大，柱軸壓比越小，長(zhǎng)細(xì)比越小，延性越好；

5.3 結(jié)構(gòu)體系

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系，是由幾種不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件混合而成的機(jī)構(gòu)體系，它是在充分考慮了各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特性后，進(jìn)行的合理地混合。這樣能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，起到協(xié)同互補(bǔ)、共同工作的特點(diǎn)，達(dá)到“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”，使結(jié)構(gòu)體系具有優(yōu)越的整體力學(xué)特征。［15］

6　新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

隨著建筑事業(yè)的發(fā)展，在傳統(tǒng)普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，近些年國(guó)內(nèi)外開始出現(xiàn)了一些新型的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，主要有高性能鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、薄壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、FRP約束鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等。

6.1 高性能鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

采用高性能材料，如高強(qiáng)鋼材、高強(qiáng)高性能混凝土的鋼管混凝土，起到了節(jié)約鋼材、減小構(gòu)件截面面積和減輕結(jié)構(gòu)自重等目的，常用于高層建筑、地下工程和大跨度結(jié)構(gòu)。

表4是相關(guān)學(xué)者在此領(lǐng)域內(nèi)的研究概況。

表4　高性能鋼管混凝土研究概況［13］

6.2 薄壁鋼管混凝土

薄壁鋼管混凝土是相對(duì)通常管壁較厚的普通鋼管混凝土而言的。采用薄壁鋼管混凝土，可以減少鋼材用量，減輕焊接工作量，達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。

薄壁鋼管混凝土構(gòu)件的承載力會(huì)受到局部屈曲的影響。主要體現(xiàn)在：

⑴屈曲部分的鋼管部分截面提前退出工作；

⑵降低里鋼管對(duì)混凝土的約束作用。

因此，在對(duì)薄壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)其自身的工作原理，應(yīng)合理確定薄壁鋼管的徑厚比D/t，以考慮鋼管局部屈曲對(duì)鋼管與核心混凝土組合作用的影響。同時(shí)亦可采用約束拉桿的形式，在鋼管的對(duì)邊按一定的間距設(shè)置約束拉桿，借助約束拉桿的拉結(jié)作用使鋼管壁的外向屈曲變形減少，以增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性和延性。［16］

6.3 FRP約束鋼管混凝土

FRP約束鋼管混凝土是在鋼管混凝土外包FRP材料，從而使鋼管內(nèi)的核心混凝土處于FRP和鋼管的雙重約束之下。FRP約束鋼管混凝土是FRP約束混凝土和鋼管混凝土二者的有機(jī)結(jié)合，不僅提高鋼管混凝土的承載力，還能利用鋼管混凝土延性較好的特點(diǎn)，彌補(bǔ)FRP約束混凝土這方面的不足［14］。

但是，隨著鋼管混凝土的不斷推廣運(yùn)用，其發(fā)生火災(zāi)的危害性也日益增加；此外，由于腐蝕等其它環(huán)境因素的影響，也對(duì)鋼管混凝土的修復(fù)加固提出了新的要求。目前，F(xiàn)RP鋼管混凝土是國(guó)內(nèi)外土木工程界的研究熱點(diǎn)，發(fā)展空間很大。

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