浅析钢管混凝土的性能及应用

2018-12-08黄鑫姜景山黄诚徐彤沈陈黄志鹏

海峡科技与产业 2018年7期

黄鑫姜景山黄诚徐彤沈陈黄志鹏

南京工程学院建筑工程学院，江苏南京 211167

钢管混凝土具有承载力高、抗震性能强等特点且方便施工，受到国内外工程师们的广泛关注。单独的混凝土和钢材均有自身的缺陷，而钢管混凝土作为一种复合材料结构，将钢材和混凝土的优点结合，使钢管混凝土结构能够在充分发挥两者优点的同时，弥补两者的不足。随着试验研究和理论分析的不断开展，钢管混凝土作为一种新型材料，在单多层工业厂房柱、高层和超高层建筑和桥梁结构中得到广泛应用。考虑到这些领域中钢管混凝土结构的使用，钢管混凝土将应用于更多领域之中。

1 研究现状及工程应用

1.1 研究现状

自1912年美国学者发表有关钢管混凝土的文献之后，陆续有学者开展钢管混凝土的研究，包括柱体、梁以及钢管混凝土结构关系的研究。但早期对钢管混凝土性能认识不完善，未能充分考虑钢管与混凝土之间的相互约束对承载力和延性的提升，导致钢管混凝土在一段时间内未能得到广泛应用。

直到20世纪60年代中期，对钢管混凝土力学性能才有了较为系统的研究。70年代以前钢管混凝土结构研究进入初期阶段；70～80年代钢管混凝土结构研究相对停滞；80年代以后研究工作进一步深入。进入21世纪随着理论研究的深入和施工技术的逐步完善，钢管混凝土得到了快速发展并在工程中被广泛应用。

1.2 工程应用

近年来随着试验研究和理论分析的不断进行、新型材料的逐渐开发和施工工艺的不断完善，钢管混凝土结构得到快速发展且因其优越的性能逐渐作为主要结构应用于超高层建筑和空间结构。

1.2.1 单多层工业厂房柱

20世纪60年代初，钢管混凝土厂房柱在我国厂房中首次被采用，而各类钢管混凝土厂房柱开始被推广应用则在20世纪70年代。单层厂房中的柱的受压形式为偏心受压，可充分发挥钢管与混凝土的协同作用。实际应用中载荷往往较大，故钢管混凝土可在构架柱、支架柱和栈桥柱等类似结构中广泛应用[1]。

1.2.2 高层建筑结构

钢管混凝土由于承载力高且抗震性能强，在高层建筑结构中得到了推广，特别是优化了高强度混凝土柱的脆性问题，在一定程度上解决了高层建筑中“胖柱”的问题。高强度混凝土脆性大、延性差，钢管对其的约束可改善脆性和延性性能。福建泉州邮电大楼、深圳赛格广场大厦、北京地铁车站工程等都是钢管混凝土体系的典型代表[2]。

1.2.3 桥梁结构

钢管混凝土结构很早便在桥梁施工中得到使用，1879年英国Seven桥便是桥梁结构应用中的典型代表。早期多数桥梁采用混凝土工程模板与支架技术，随着科学技术发展，新型施工技术不断出现，可修筑的钢管混凝土拱桥跨度在不断刷新，钢管混凝土结构也大量应用于其他类型的桥梁[3]。

2 钢管混凝土结构的基本原理及结构特点

2.1 钢管混凝土结构的基本原理

在设计方面，混凝土灌注在钢管内受到钢管壁的支撑作用，振捣之后可使混凝土较好成型，稳定性大大提升。在钢管之中填充混凝土可减少结构的自重，使结构稳定性得到提升。工作原理方面，钢管外包混凝土，混凝土受到约束，核心混凝土由单向受压转变为三向受压，抗压强度得到显著提升。同时混凝土对钢管进行支撑，使钢管的失稳状态得到改善，提升了钢管的刚度。二者协同作用，极大地改善了结构的承载性能[4]。

2.2 钢管混凝土的结构特点

2.2.1 承载力高、抗震性能好

局部缺陷对薄壁钢管的承载力影响较大。前人试验成果表明，其承载力往往只有理论计算值的0.33甚至0.2左右 ,且受残余应力的存在影响[5]。钢管中填充混凝土之后，钢管约束内部混凝土使其成型的同时，混凝土对钢管进行支撑使钢管容易过早发生局部屈曲的问题得到改善。混凝土的受力状态在混凝土的约束下从单向变为三向，抗压强度得到极大提高。两种材料互补并发挥出各自的优点，故钢管混凝土的承载力和抗震性能较单独的钢管或混凝土都有较大提升。

2.2.2 防火性能好

混凝土热容量大，在火灾中可以吸收大量的热量，加之钢管对混凝土起约束作用，使得混凝土爆裂和脱落的可能性降低。火灾时，钢管的升温较快，混凝土升温却较慢，钢管混凝土受温不均匀使升温时间得到延长。当钢管温度较高遭受破坏时，可由核心混凝土承载部分载荷，延缓整个结构的坍塌。

2.2.3 施工方便

施工过程中，与普通钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土无须支模拆膜，使工期得到缩短，尤其是目前施工中混凝土施工方式多为泵送混凝土、高位抛落不振捣混凝土和免振自密实混凝土。钢管混凝土因其无须在管内配置预制钢筋，使得浇筑和振捣密实更加容易。无支架施工技术的实施，节省了构件预制的场地、模板拼接的工时，更减少了焊接缝的数量和长度，提升了结构的稳定性。钢管混凝土采用在薄壁钢管内填充混凝土的方式，有利于减少结构自重和运输费用，使吊装难度得到降低。与普通钢柱相比，钢管混凝土柱脚可直接插入混凝土基础的预留杯中，可简化复杂的柱脚结构。

2.2.4 良好的经济效果

钢管混凝土较好地发挥了钢材和混凝土各自的特性，弥补了各自的不足，故其经济效果较优。大量试验表明，采用钢管混凝土的柱体承载能力比普通的钢筋混凝土柱体高约50%，可节省混凝土约50%，减轻结构自重约50%。此外，还可减少50%的钢材用量，使得钢管混凝土柱的防锈费用会有所降低[6]。采用钢管混凝土结构减少了施工量，造价相对降低，维护较为容易，可降低维修费用，缩短工期使建筑能提前建成以便尽早发挥工程效益。

3 等截面与变截面钢管混凝土性能对比分析

与等截面钢管混凝土不同，变截面钢管混凝土截面尺寸从截面顶至截面底按一定坡度逐渐增大。其不仅具有普通钢管混凝土稳定性好、承压能力和结构刚度大、延性高等优点，还起到节约材料、美化外观的作用。由于截面尺寸自上而下逐渐增大，变截面钢管混凝土结构自身的重心高度降低，在高层建筑和桥梁结构应用中能更好地吸收和耗散地震能量，在一定程度上还可起隔离作用。变截面钢管混凝土不仅外形美观，力学性能也同样优越，在对抗震性能要求较高的各种支架、高层建筑和桥梁结构中可得到较好的应用[7-8]。