淺析鋼管混凝土的性能及應(yīng)用

黃鑫 姜景山 黃誠 徐彤 沈陳 黃志鵬

南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167

鋼管混凝土具有承載力高、抗震性能強(qiáng)等特點(diǎn)且方便施工，受到國內(nèi)外工程師們的廣泛關(guān)注。單獨(dú)的混凝土和鋼材均有自身的缺陷，而鋼管混凝土作為一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，將鋼材和混凝土的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠在充分發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn)的同時，彌補(bǔ)兩者的不足。隨著試驗(yàn)研究和理論分析的不斷開展，鋼管混凝土作為一種新型材料，在單多層工業(yè)廠房柱、高層和超高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用?？紤]到這些領(lǐng)域中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的使用，鋼管混凝土將應(yīng)用于更多領(lǐng)域之中。

1 研究現(xiàn)狀及工程應(yīng)用

1.1 研究現(xiàn)狀

自1912年美國學(xué)者發(fā)表有關(guān)鋼管混凝土的文獻(xiàn)之后，陸續(xù)有學(xué)者開展鋼管混凝土的研究，包括柱體、梁以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究。但早期對鋼管混凝土性能認(rèn)識不完善，未能充分考慮鋼管與混凝土之間的相互約束對承載力和延性的提升，導(dǎo)致鋼管混凝土在一段時間內(nèi)未能得到廣泛應(yīng)用。

直到20世紀(jì)60年代中期，對鋼管混凝土力學(xué)性能才有了較為系統(tǒng)的研究。70年代以前鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究進(jìn)入初期階段；70～80年代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究相對停滯；80年代以后研究工作進(jìn)一步深入。進(jìn)入21世紀(jì)隨著理論研究的深入和施工技術(shù)的逐步完善，鋼管混凝土得到了快速發(fā)展并在工程中被廣泛應(yīng)用。

1.2 工程應(yīng)用

近年來隨著試驗(yàn)研究和理論分析的不斷進(jìn)行、新型材料的逐漸開發(fā)和施工工藝的不斷完善，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)得到快速發(fā)展且因其優(yōu)越的性能逐漸作為主要結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超高層建筑和空間結(jié)構(gòu)。

1.2.1 單多層工業(yè)廠房柱

20世紀(jì)60年代初，鋼管混凝土廠房柱在我國廠房中首次被采用，而各類鋼管混凝土廠房柱開始被推廣應(yīng)用則在20世紀(jì)70年代。單層廠房中的柱的受壓形式為偏心受壓，可充分發(fā)揮鋼管與混凝土的協(xié)同作用。實(shí)際應(yīng)用中載荷往往較大，故鋼管混凝土可在構(gòu)架柱、支架柱和棧橋柱等類似結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用[1]。

1.2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土由于承載力高且抗震性能強(qiáng)，在高層建筑結(jié)構(gòu)中得到了推廣，特別是優(yōu)化了高強(qiáng)度混凝土柱的脆性問題，在一定程度上解決了高層建筑中“胖柱”的問題。高強(qiáng)度混凝土脆性大、延性差，鋼管對其的約束可改善脆性和延性性能。福建泉州郵電大樓、深圳賽格廣場大廈、北京地鐵車站工程等都是鋼管混凝土體系的典型代表[2]。

1.2.3 橋梁結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)很早便在橋梁施工中得到使用，1879年英國Seven橋便是橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的典型代表。早期多數(shù)橋梁采用混凝土工程模板與支架技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，新型施工技術(shù)不斷出現(xiàn)，可修筑的鋼管混凝土拱橋跨度在不斷刷新，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)也大量應(yīng)用于其他類型的橋梁[3]。

2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理

在設(shè)計(jì)方面，混凝土灌注在鋼管內(nèi)受到鋼管壁的支撐作用，振搗之后可使混凝土較好成型，穩(wěn)定性大大提升。在鋼管之中填充混凝土可減少結(jié)構(gòu)的自重，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升。工作原理方面，鋼管外包混凝土，混凝土受到約束，核心混凝土由單向受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴軌?，抗壓?qiáng)度得到顯著提升。同時混凝土對鋼管進(jìn)行支撐，使鋼管的失穩(wěn)狀態(tài)得到改善，提升了鋼管的剛度。二者協(xié)同作用，極大地改善了結(jié)構(gòu)的承載性能[4]。

2.2 鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.2.1 承載力高、抗震性能好

局部缺陷對薄壁鋼管的承載力影響較大。前人試驗(yàn)成果表明，其承載力往往只有理論計(jì)算值的0.33甚至0.2左右 ,且受殘余應(yīng)力的存在影響[5]。鋼管中填充混凝土之后，鋼管約束內(nèi)部混凝土使其成型的同時，混凝土對鋼管進(jìn)行支撐使鋼管容易過早發(fā)生局部屈曲的問題得到改善。混凝土的受力狀態(tài)在混凝土的約束下從單向變?yōu)槿?，抗壓?qiáng)度得到極大提高。兩種材料互補(bǔ)并發(fā)揮出各自的優(yōu)點(diǎn)，故鋼管混凝土的承載力和抗震性能較單獨(dú)的鋼管或混凝土都有較大提升。

2.2.2 防火性能好

混凝土熱容量大，在火災(zāi)中可以吸收大量的熱量，加之鋼管對混凝土起約束作用，使得混凝土爆裂和脫落的可能性降低。火災(zāi)時，鋼管的升溫較快，混凝土升溫卻較慢，鋼管混凝土受溫不均勻使升溫時間得到延長。當(dāng)鋼管溫度較高遭受破壞時，可由核心混凝土承載部分載荷，延緩整個結(jié)構(gòu)的坍塌。

2.2.3 施工方便

施工過程中，與普通鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土無須支模拆膜，使工期得到縮短，尤其是目前施工中混凝土施工方式多為泵送混凝土、高位拋落不振搗混凝土和免振自密實(shí)混凝土。鋼管混凝土因其無須在管內(nèi)配置預(yù)制鋼筋，使得澆筑和振搗密實(shí)更加容易。無支架施工技術(shù)的實(shí)施，節(jié)省了構(gòu)件預(yù)制的場地、模板拼接的工時，更減少了焊接縫的數(shù)量和長度，提升了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼管混凝土采用在薄壁鋼管內(nèi)填充混凝土的方式，有利于減少結(jié)構(gòu)自重和運(yùn)輸費(fèi)用，使吊裝難度得到降低。與普通鋼柱相比，鋼管混凝土柱腳可直接插入混凝土基礎(chǔ)的預(yù)留杯中，可簡化復(fù)雜的柱腳結(jié)構(gòu)。

2.2.4 良好的經(jīng)濟(jì)效果

鋼管混凝土較好地發(fā)揮了鋼材和混凝土各自的特性，彌補(bǔ)了各自的不足，故其經(jīng)濟(jì)效果較優(yōu)。大量試驗(yàn)表明，采用鋼管混凝土的柱體承載能力比普通的鋼筋混凝土柱體高約50%，可節(jié)省混凝土約50%，減輕結(jié)構(gòu)自重約50%。此外，還可減少50%的鋼材用量，使得鋼管混凝土柱的防銹費(fèi)用會有所降低[6]。采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)減少了施工量，造價相對降低，維護(hù)較為容易，可降低維修費(fèi)用，縮短工期使建筑能提前建成以便盡早發(fā)揮工程效益。

3 等截面與變截面鋼管混凝土性能對比分析

與等截面鋼管混凝土不同，變截面鋼管混凝土截面尺寸從截面頂至截面底按一定坡度逐漸增大。其不僅具有普通鋼管混凝土穩(wěn)定性好、承壓能力和結(jié)構(gòu)剛度大、延性高等優(yōu)點(diǎn)，還起到節(jié)約材料、美化外觀的作用。由于截面尺寸自上而下逐漸增大，變截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)自身的重心高度降低，在高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用中能更好地吸收和耗散地震能量，在一定程度上還可起隔離作用。變截面鋼管混凝土不僅外形美觀，力學(xué)性能也同樣優(yōu)越，在對抗震性能要求較高的各種支架、高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中可得到較好的應(yīng)用[7-8]。

4 應(yīng)用前景及展望

諸多工程實(shí)踐表明，鋼管混凝土作為一種性能優(yōu)越的復(fù)合材料，在諸多工程方面應(yīng)用都可能會帶來新的變革。

4.1 鋼管混凝土在鐵路橋梁中的應(yīng)用

鋼管混凝土由于其承載力高、抗震性能好，未來橋梁建設(shè)中可作為地震多發(fā)區(qū)橋梁柱體的理想選擇之一。在鐵路橋梁中，由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)剛度較大可以減小橋梁的橫向振動，故可用于鐵路橋梁的墩柱設(shè)計(jì)。

4.2 鋼管混凝土在水利工程中的應(yīng)用

由于受自然條件約束，水利工程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很多結(jié)構(gòu)都處于軸心受壓或小偏心受壓狀態(tài)下，而鋼管混凝土正適合此種工況。故我們可結(jié)合其他高層建筑及大跨度施工案例，將鋼管混凝土應(yīng)用于水利工程中。

4.3 新型鋼管混凝土的發(fā)展

鋼管混凝土是由鋼材和混凝土組成的結(jié)構(gòu)，隨著新型材料的不斷出現(xiàn)，會出現(xiàn)應(yīng)用于各種情況下的鋼管混凝土形式，如中空夾層鋼管混凝土、玻璃鋼管混凝土等，其未來應(yīng)用及發(fā)展前景廣闊[9]。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和工程需求的不斷提高，鋼管混凝土也得到了快速發(fā)展。鋼管混凝土由于自身優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于各類領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的成功應(yīng)用為一些新型領(lǐng)域提供了重要參考，有了良好的理論研究和工程實(shí)踐的平臺，在工程建設(shè)中，鋼管混凝土的應(yīng)用前景比較廣闊。