淺析鋼管混凝土原理與發(fā)展?fàn)顩r

摘 要：鋼管混凝土以其較高的承載能力，良好的延性，占地面積小，自重輕，施工省時省力等優(yōu)點成為近些年來業(yè)界的熱門研究話題，廣泛應(yīng)用于高層及超高層、大跨、重載、抗震防爆等工程當(dāng)中。本文對鋼管混凝土的基本原理進行了講解，并對鋼管混凝土的優(yōu)點及發(fā)展情況進行了簡要的介紹，文末對鋼管混凝土的研究前景做了簡單總結(jié)。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;高層建筑;環(huán)向約束

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱是采用內(nèi)部鋼筋骨架包裹外層混凝土而形成的鋼筋混凝土構(gòu)件，而鋼管混凝土柱則是在成型鋼管內(nèi)注入混凝土后形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，即內(nèi)部混凝土被外層鋼管包裹而形成的構(gòu)件，其中以圓形截面和矩形截面應(yīng)用較為廣泛，且圓鋼管混凝土較方鋼管混凝土套箍力更強而更受青睞。鋼管混凝土的具體分類，按截面類型來劃分，可以分為被覆型，充填型和充填被覆型。

當(dāng)一個物體在一個方向受到壓縮以后，勢必會引起與它垂直方向的伸長，即當(dāng)用力擠壓某種材料或者物體的時候，在它側(cè)面會呈現(xiàn)出鼓脹外凸的趨勢。而當(dāng)在側(cè)向?qū)λ峁┘s束時，由于橫向變形被限制，其側(cè)面相當(dāng)于又增加了一個水平的橫向力作用，這時，構(gòu)件的豎向受壓能力將會大幅度地提高。同樣，在建筑結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土柱，在承受巨大的豎向壓力時，也會發(fā)生這種現(xiàn)象，為了減緩這種現(xiàn)象帶來的負面影響和提高豎向承載能力，需要在柱的側(cè)面采取一些約束措施，這也是柱中配置箍筋的一個主要原因。再到后來，有人提出采用螺旋箍筋，即在混凝土豎向鋼筋的外側(cè)采用像彈簧形狀一樣的連續(xù)箍筋，可以對中部區(qū)域的核心混凝土產(chǎn)生明顯的約束作用。自然而然地，有人就想到，既然一味的將箍筋加密，為什么不把箍筋和豎向鋼筋密集的結(jié)合在一起，形成一個整體約束，去掉外圍的混凝土，于是就變成了工程應(yīng)用中的鋼管混凝土。

實際上，不僅鋼管對混凝土具有貢獻，內(nèi)部混凝土的填充也對外部鋼材有明顯的貢獻作用，使用鋼管作為結(jié)構(gòu)支撐，很容易因為荷載的偏心或者制作與施工上的誤差導(dǎo)致它在使用過程中難以按照理想情況下屈服破壞，其破壞常常表現(xiàn)為局部失穩(wěn)而喪失承載能力，破壞遠遠低于理論臨界應(yīng)力設(shè)計值，而在鋼管內(nèi)部填充混凝土就可以增大構(gòu)件剛度，從而有效地抑制這種問題。故由此看來，兩種材料既互相彌補了各自的缺陷，又發(fā)揮了各自的長處，此外，鋼管混凝土也不是簡單的一加一等于二，其承載能力也明顯高于單獨混凝土與單獨鋼管承載力的總和。

從力學(xué)角度來看，還可以做以下簡單的力學(xué)分析：

忽略剪切應(yīng)力的影響，圖示模型a為無鋼管壁約束下傳統(tǒng)混凝土受壓情況，模型b為外部加鋼管約束下內(nèi)部混凝土受壓情況，可以看到，由于鋼管壁的約束作用，使得內(nèi)部混凝土處于三向受壓狀態(tài)，由此，我們可以計算：

對于模型a，其等效應(yīng)力

對于模型b，假設(shè)鋼管壁在混凝土受擠壓時候?qū)炷羶蓚?cè)施加的應(yīng)力均勻，故主應(yīng)力2與主應(yīng)力3可以近似認為大小相等，且二者與主應(yīng)力1差值相同，則可以推得其等效應(yīng)力值的大小為：

由米澤斯屈服（Mises）準則，當(dāng)時，認為材料達到極限承載力，則可以明顯得到b模型比a模型承載力水平有所提高，且提高值依賴于側(cè)向應(yīng)力的大小，側(cè)向應(yīng)力值與豎向加載應(yīng)力越接近，提高幅度越大。

簡單來講，鋼管混凝土的原理就是：管內(nèi)混凝土受到鋼管壁套箍力影響，強度韌性大幅度提高，而外壁鋼管則因內(nèi)部混凝土作用，穩(wěn)定性也能明顯增強，規(guī)范中引入套箍系數(shù)來衡量鋼管壁對核心混凝土的約束程度大小。

總的來說，鋼管混凝土主要有以下幾點明顯的優(yōu)勢：

1.承載力高

隨著經(jīng)濟的發(fā)展與城市化進程的推進，對高層與超高層建筑有著越來越大的需求，而層數(shù)和建筑高度的增加勢必會導(dǎo)致荷載值的增加，采用承載力高的鋼管混凝土能順應(yīng)時代發(fā)展的趨勢。

2.塑性與韌性好

混凝土屬于脆性材料，且隨著強度標號的提高其脆性更為顯著。而鋼管混凝土在三向受壓下不但縱向抗壓強度得到增加，彈性模量也得到了提高，增加了其塑性變形能力，據(jù)有關(guān)實驗數(shù)據(jù)表明，鋼管混凝土柱破壞時會發(fā)生明顯的軸向壓縮，破壞時具有很大的塑性變形，具有良好的耗能能力。

3.施工簡便

鋼管混凝土中的鋼管相當(dāng)于混凝土的模板，在施工澆筑中可大大節(jié)約工作時間，省去了傳統(tǒng)鋼筋混凝土支模澆筑再拆模的復(fù)雜工序，并且施工時可采用泵送混凝土，免振搗自密實混凝土等施工工藝，空鋼管自重小，在施工現(xiàn)場也便于吊裝和施焊。

4.經(jīng)濟效益好

實踐證明，采用鋼管混凝土，相對于鋼結(jié)構(gòu)能大量節(jié)約鋼材的使用，法國巴黎居民區(qū)的第一座摩天大樓就采用了鋼管混凝土框架柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材約40%，同時相對于傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)件其截面面積可減少一半，從而降低結(jié)構(gòu)的造價，增大建筑物內(nèi)部的使用空間，避免高層結(jié)構(gòu)底層出現(xiàn)大量肥梁胖柱，采用鋼管混凝土也能達到減輕結(jié)構(gòu)自重的目的。

5.耐火，耐腐蝕

鋼管中澆筑混凝土使得鋼管的外露面積減小，抗腐蝕性對比鋼結(jié)構(gòu)較強，外部所需的涂料使用量也大大減少。由于混凝土的比熱容較鋼材來說大很多，鋼材導(dǎo)熱系數(shù)卻比混凝土大很多，故當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，鋼管混凝土的外部鋼管急速升溫，但內(nèi)部混凝土升溫滯后，使得結(jié)構(gòu)在火災(zāi)前期仍具有一定的承載能力。

關(guān)于鋼管混凝土節(jié)點的構(gòu)造主要有兩種，即柱貫通式節(jié)點和梁貫通式節(jié)點，顧名思義，柱貫通式為鋼管混凝土柱上下連接貫通，而鋼梁在柱的兩側(cè)進行施焊拼接，梁貫通式則是柱子側(cè)面在梁連接處斷開，將梁做成連續(xù)貫通型。

早在19世紀80年代，鋼管混凝土就已經(jīng)出現(xiàn)。1879年，在英國賽文鐵路橋的建造中就采用了鋼管橋墩，并在鋼管中灌注了混凝土以防止內(nèi)部銹蝕。Neogi PK的學(xué)位論文和Sewell JS的研究報告，是有關(guān)鋼管混凝土柱最早的研究成果。而在我國，鋼管混凝土的起步則比較晚，從1959年開始研究鋼管混凝土的性能與應(yīng)用，到1966年北京地鐵車站工程采用鋼管混凝土，再到70年代單層工業(yè)廠房中的應(yīng)用，以及今天全國各地的地標超高層建筑建設(shè)，也僅僅只有50余年罷了。雖然只有短短的幾十年，但我國鋼管混凝土的發(fā)展卻是突飛猛進，如深圳的賽格廣場大廈，建筑總層數(shù)為72層，建筑總高度為355.8米，是世界最高的鋼管混凝土架構(gòu)大廈。除此之外，還有廈門的金源大廈，天津的今晚報大廈，北京的世界金融中心，武漢的國際證券大廈等等，2005年建成的重慶奉節(jié)巫山長江大橋，更是以凈跨460m創(chuàng)下鋼管混凝土拱橋跨度世界之最。

就目前來說，國內(nèi)關(guān)于鋼管混凝土的防火與抗震相關(guān)的真實案例較少，其研究主要通過試件試驗測量和計算機軟件模擬進行分析，且鋼管混凝土在澆筑后易發(fā)生混凝土收縮而導(dǎo)致鋼管壁和混凝土間產(chǎn)生脫空，其主要方法是采用膨脹混凝土等手段，這些仍是未來一段時間內(nèi)鋼管混凝土的研究趨勢。

參考文獻：

[1]過鎮(zhèn)海鋼筋混凝土原理.北京：清華大學(xué)出版社，2013.4

[2]薛建陽.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)設(shè)計.北京：中國電力出版社，2018.10

作者簡介：

孫一喆，男，陜西西安人，西安建筑科技大學(xué)在讀研究生，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及方法。