我國(guó)鋼管混凝土的發(fā)展概述

姜寶鳳 姜新新 梁 晨

(山東科技大學(xué)土木與建筑學(xué)院)

我國(guó)鋼管混凝土的發(fā)展概述

姜寶鳳 姜新新 梁 晨

(山東科技大學(xué)土木與建筑學(xué)院)

從1980年，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)開始逐漸出現(xiàn)在建筑工程中，且其應(yīng)用價(jià)值越來越受到重視，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究，同時(shí)為方便規(guī)范化施工，也為其制定了相關(guān)規(guī)范，這也就促進(jìn)了鋼管混凝土的快速發(fā)展。本文首先對(duì)鋼管混凝土的發(fā)展歷程和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，其次對(duì)鋼管混凝土的分類和結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，最后探討鋼管混凝土的應(yīng)用和發(fā)展前景。

鋼管混凝土；研究現(xiàn)狀；結(jié)構(gòu)分類；結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)；發(fā)展方向

引言

鋼管混凝土就是利用鋼管和混凝土在受力時(shí)結(jié)構(gòu)反應(yīng)可以互補(bǔ)的特點(diǎn)，將素混凝土灌入鋼管而制成的。組成的鋼管混凝土既可有效降低鋼材失穩(wěn)破壞的概率，又可有效的避免混凝土受力過程中發(fā)生的脆性破壞，使組合材料既繼承了鋼材的強(qiáng)度高、延性好的特點(diǎn)有具備混凝土抗壓強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。這是因?yàn)槎呓M合以后，鋼管對(duì)混凝土有約束作用，對(duì)其的作用類似于套箍，可在其承受荷載時(shí)增加混凝土的強(qiáng)度、塑性與韌性；而混凝土在鋼管內(nèi)部可以使鋼管的局部以及整體的穩(wěn)定性得到很大程度的提高，同時(shí)可降低用鋼量，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性原則。鋼管混凝土的組合實(shí)現(xiàn)二中材料力的共生，達(dá)到了組合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度大于單獨(dú)兩種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疊加的效果，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)組合后一加一大于二的目的。

1.鋼管混凝土發(fā)展概況

1.1 國(guó)外發(fā)展概況

國(guó)外關(guān)于鋼管混凝土的研究始于1897美國(guó)的John Lally在圓鋼管填充混凝土作為房屋建筑的承重柱，至今已有 100多年的歷史，以后陸續(xù)有單層多層廠房中的承重柱采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，以及一些拱橋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，至 1939年Gvozdez 教授利用極限平衡方法分析得到鋼管混凝土短柱的極限承載力。到 1960年，北美、蘇聯(lián)、日本等國(guó)開始重視鋼管混凝土的研究與應(yīng)用，這些國(guó)家開展了關(guān)于鋼管混凝土性能的大量實(shí)驗(yàn)研究。

國(guó)外對(duì)于鋼管混凝土受力性能的研究始于1960年，而日本在一次地震中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中使用鋼管混凝土的部分表現(xiàn)出更加良好的抗震性能，在北美、蘇聯(lián)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行的試驗(yàn)研究中證明了鋼管混凝土還具有施工簡(jiǎn)單、施工周期短、勞動(dòng)力需求量小等優(yōu)點(diǎn)。鋼管混凝土在單層、多層廠房以及拱橋、大跨結(jié)構(gòu)中應(yīng)用也越來越廣泛，在研究的過程中制定了許多關(guān)于鋼管混凝土的規(guī)范規(guī)程，其中包括美國(guó)制定的ACI318和AISC設(shè)計(jì)規(guī)程等等。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

我國(guó)是自1950年開始進(jìn)行鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的研究，該研究方向由中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所牽頭進(jìn)行，后續(xù)的北京地下鐵道工程局、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位和高校也紛紛開展了關(guān)于鋼管混凝土的研究工作。至1980年，鋼管混凝土被列入國(guó)家科學(xué)發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)形成了一個(gè)體系，并在國(guó)內(nèi)的建筑行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。而蔡紹懷等專家也進(jìn)行了鋼管混凝土力學(xué)性能的研究，對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的承載能力、穩(wěn)定性等力學(xué)性能的計(jì)算都提出了自己的計(jì)算理論。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，我國(guó)制定了相關(guān)規(guī)范來規(guī)范施工設(shè)計(jì)過程，如《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)范》等。

2.鋼管混凝土的分類

由于鋼管外形以及鋼管與混凝土的組合方式有多種，所以根據(jù)不同的分類方式有以下種類的鋼管混凝土：

第一，根據(jù)受力狀態(tài)不同分類，當(dāng)鋼管混凝土中的鋼管與混凝土在承載的初期是以一個(gè)整體的形式共同受力，我們可以將之稱為鋼管混凝土；當(dāng)在整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力過程中鋼管只是對(duì)內(nèi)部的混凝土起一個(gè)約束作用但二者不共同承力時(shí)，稱為鋼管套箍混凝土。

第二，按鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的截面形式的不同可將鋼管混凝土分為圓形、矩形、多邊形的鋼管混凝土。

第三，根據(jù)混凝土中配置鋼筋狀況的不同對(duì)其進(jìn)行分類，未配置鋼筋的稱為鋼管混凝土；配置少量鋼筋的稱為鋼管配筋混凝土；核心混凝土中配置型鋼的稱為鋼管型鋼混凝土；外部鋼管是大鋼管套小鋼管形式的混凝土稱為復(fù)式鋼管混凝土。

第四，根據(jù)混凝土部分空心情況分類，混凝土部分是實(shí)心的稱為鋼管混凝土；核心混凝土部分存在空心的稱為離心鋼管混凝土；兩層鋼管之間灌注混凝土的稱為中空夾層鋼管混凝土。

第五，依據(jù)混凝土的振搗情況不同進(jìn)行分類，灌注的核心混凝土采用自密實(shí)混凝土?xí)r，灌注后無需振搗，便于施工，稱為鋼管自密實(shí)混凝土；當(dāng)核心混凝土是用普通混凝土澆筑是就是鋼管混凝土。

第六，依據(jù)含鋼量多少進(jìn)行分類，當(dāng)鋼管混凝土中的外徑與鋼管厚度的比值在20到100之間的為鋼管混凝土；當(dāng)比值大于100時(shí)則稱為薄壁鋼管混凝土。

3.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 高承載力

單一的鋼管在受荷載作用時(shí)容易發(fā)生失穩(wěn)破壞嚴(yán)重影響其承載力發(fā)揮，當(dāng)在鋼管中灌注上混凝土?xí)r，形成一個(gè)新結(jié)構(gòu)體系：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土基本構(gòu)件在承受軸向壓力時(shí)，鋼管混凝土外部的鋼管可以對(duì)核心混凝土起到約束的作用，阻止核心混凝土發(fā)生橫向的變形，使其處于三向受壓的受力狀態(tài)，同時(shí)也在混凝土發(fā)生縱向裂縫時(shí)，延緩裂縫的開展速度；而內(nèi)部的混凝土對(duì)外部的鋼管也起到支撐的作用，可以延遲甚至避免外部鋼管過早發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)而喪失承載力。在整個(gè)結(jié)構(gòu)中鋼管與混凝土充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，短處互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)材料承載性能疊加后的一加一大于二。

3.2 良好的塑性、韌性

塑性的定義是某一材料自屈服到失去承載力能力過程中發(fā)生變形的能力；韌性的定義是材料在發(fā)生變形或者斷裂的過程中吸收能量的能力，若材料的韌性越好則越不易發(fā)生脆性斷裂。鋼管混凝土因?yàn)殇摴艿募s束改善了內(nèi)部混凝土性能，使其組合后具有更好的塑性變形能力，也具有良好的韌性，韌性好可在發(fā)生地震時(shí)更多的吸收地震能，因此鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

3.3 其它優(yōu)點(diǎn)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比更便于施工，外部鋼管可直接作為澆筑混凝土?xí)r的模板，免去了支模板拆模板的步驟；鋼管混凝土中的鋼管可直接代替鋼筋骨架，比鋼筋骨架更加的省工省料且加工簡(jiǎn)便。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與全鋼結(jié)構(gòu)相比具有更好的防火抗火性，其核心填充的混凝土可減緩或避免發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)中剛才受熱變軟失去承載能力的現(xiàn)象。

4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及發(fā)展前景

4.1 鋼管混凝土應(yīng)用于柱子

在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，有許多柱子為達(dá)到強(qiáng)度高、穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)效果好、節(jié)約空間的目的而采用鋼管混凝土柱子的，鋼管混凝土柱是通過在鋼管中注入混凝土而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，如1963年建成使用的北京地鐵車站的站臺(tái)柱等。

4.2 鋼管混凝土應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土由于其良好的承載性能被應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)中，可代替原有的鋼結(jié)構(gòu)同時(shí)具有更高的承載力和穩(wěn)定性。如蘇聯(lián)在1830年建造的跨度達(dá)140米的鐵路拱橋，該大跨度的拱橋的上下弦桿采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，在保證其承載力的前提下，節(jié)省了 52%的鋼材，整體結(jié)構(gòu)造價(jià)下降了兩成。而將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鐵路隧道以及公路隧道的建設(shè)中，是一個(gè)前沿的研究方向，將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于隧道支護(hù)中，既可以節(jié)省材料降低造價(jià)，又可以充分發(fā)揮材料強(qiáng)度提高其后期承載力避免全鋼結(jié)構(gòu)因失穩(wěn)而不能發(fā)揮出其承載能力現(xiàn)象的發(fā)生。

此外，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)還在很多方面得到廣泛的應(yīng)用。如在多高層建筑中，若采用單一的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來建設(shè)可能不能滿足承載力要求，而當(dāng)承載力滿足要求時(shí)，整個(gè)建筑的可使用的空間被大大減少了；采用全鋼結(jié)構(gòu)時(shí)造價(jià)高，且由于鋼材耐熱性能差，對(duì)其后期的護(hù)理仍需投入大量資金。而采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來建造，可以增大建筑空間，加快施工速度，降低整個(gè)工程的造價(jià)。

綜上所述，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其高承載力、良好的穩(wěn)定性、低造價(jià)、方便的施工具有廣泛的發(fā)展前景，在各種建筑中的應(yīng)用越來越普遍，會(huì)成為未來建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要方向之一。

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1007-6344（2017）02-0269-01