不锈钢管混凝土的发展综述

综　述不锈钢管混凝土的发展综述廖飞宇1,2　陶　忠3(11清华大学土木工程系,北京　100084;21福建农林大学交通学院,福州　350002;31福州大学土木工程学院,福州　350108) 摘　要:新型不锈钢管混凝土结构兼有不锈钢和普通钢管混凝土的优点,具有良好的力学性能和优越的耐久性能,在海洋环境的建筑和桥梁以及一些对耐久性和美观要求较高的重要建筑结构中具有较好的应用前景。

在阐述不锈钢管混凝土结构的应用和研究现状的基础上,分析其与普通钢管混凝土结构力学性能存在的差异,并对需要进一步开展的研究工作进行探讨。

关键词:不锈钢;钢管混凝土;力学性能;耐火性能THE STATE 2OF 2THE 2ART OF CONCRETE 2FI LLE D STAIN LESS STEE L TUBU LAR STRUCTURESLiao Feiyu1,2　T ao Zhong 3(11Department of Civil Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;21C ollege of T ransportation ,Fujian Agriculture and F orestry University ,Fuzhou 350002,China ;31C ollege of Civil Engineering ,Fuzhou University ,Fuzhou 350108,China )Abstract :The innovative concrete 2filled stainless steel tubular (CFSST )structures combine the advantages of both stainless steel and conventional concrete 2filled steel tubular (CFST )structures.Therefore ,excellent structural properties and corrosion resistant can be expected ,and this construction has a g ood potential to be used in offshore buildings and bridges ,as well as other specific buildings.I t is briefly reviewed the present application and research on CFSST structures.The differences of structural and fire 2resistant behaviour between CFSST structures and conventional CFST structures are summarized.T o better use stainless steel ,further research w ork on CFSST structures is discussed.K eyw ords :stainless steel ;concrete filled stainless steel tube ;behaviour ;fire 2resistance3福建省青年科技人才创新项目(2008F3007)。

第一作者:廖飞宇,男,1978年7月出生,讲师,博士后。

E -mail :liaofy @ 收稿日期:2008-12-20 不锈钢是指至少含有1015%铬的防腐蚀合金钢。

不锈钢的种类有很多,适合在土木工程中应用的主要为奥氏体型钢(Austenitic )和奥氏体-铁素体型钢(Duplex )[1]。

由于添加了合金元素,不锈钢具有外表美观、耐久性好、维护费用低及耐火性能好等优点,因此已经有不少作为结构构件应用于土木工程的实例。

虽然不锈钢具有优越的性能,但制约其在结构工程中广泛使用的主要因素是其造价昂贵[1]。

如若在不锈钢管中填充混凝土形成不锈钢管混凝土结构则可大大减少不锈钢用量,从而达到降低工程造价的目的。

目前,普通钢管混凝土已经在结构工程中得到了广泛应用,其综合了钢和混凝土两种材料的优点,不仅具有较高的承载力且具有施工方便、使用经济等优点[2]。

新型不锈钢管混凝土结构可望兼有普通钢管混凝土良好的力学性能和不锈钢优越的耐久性能,综合具有外表美观、耐久性好、维护费用低、承载力高、抗震性能好、耐火性能好以及相对经济等优点。

因此,这种新型组合结构在海洋平台、海边建筑和桥梁以及一些对耐久性要求较高的重要建筑中具有较好的应用前景。

目前,不锈钢管混凝土结构(如图1所示)已应用于一些工程实践[3-4],同时国外也对其力学性能开展了一些研究工作[5-12]。

本文将对不锈钢管混凝土结构的应用和研究现状进行总结,并将其与普通钢管混凝土结构的性能进行对比分析,在此基础上对这种新型组合结构需要开展的进一步研究工作进行探讨。

1　不锈钢和不锈钢管混凝土结构的应用概述111　不锈钢的应用由于添加了合金元素,与普通钢材相比,不锈钢具有抗腐蚀性能强、耐久性好、外表美观、延性好、耐火性能好以及抗冲击和疲劳性能好等优点,但其力学性能与普通钢材相比411 Industrial C onstruction V ol 139,N o 14,2009工业建筑　2009年第39卷第4期也有较为明显的差异:图1　不锈钢管混凝土截面示意Fig.1　The cross sections of concrete filled stainlesssteel tubular structures1)普通钢材的应力-应变关系曲线上有明显的屈服点,并伴随着屈服平台;而不锈钢的应力-应变曲线则在加载初期就表现出很强的非线性特征,其比例极限较普通钢材低(普通钢材的比例极限为屈服强度的70%左右,而不锈钢为36%～60%[13])。

在达到比例极限后曲线的非线性特征趋于显著,并无明显的屈服平台,如图2所示[1]。

1—不锈钢;2—普通钢材图2　不锈钢和普通钢材应力-应变曲线比较Fig.2　C om paris on of stress versus strain curves betweenstainless steel and carbon steel [1]2)不锈钢的应力-应变曲线在加载后期的应力强化现象显著,如图2所示。

3)不锈钢的延伸率为普通钢材的2倍左右。

4)不锈钢的耐火性能好于普通钢材。

图3和图4所示分别为欧洲不锈钢协会[14]给出的典型不锈钢和普通钢材的屈服强度和弹性模量随温度升高而降低的变化情况,其中:f y (θ)和E y (θ)为高温下材料的屈服强度和弹性模量;f y (20℃)和E y (20℃)为常温下的屈服强度和弹性模量。

研究表明:在温度低于500℃时,不锈钢的屈服强度下降幅度大于普通钢材;但在600～800℃时,不锈钢的高温下屈服强度要高于普通钢材。

同时不锈钢的导热系数和热辐射系数也低于普通钢材[14-15]。

目前已有一些研究者提出了不锈钢材料在常温和高温下的应力-应变关系模型[16-20],并针对不锈钢结构进行了有限元分析[21-22]。

在设计方面,国外目前也已有专门针对不锈钢结构的设计规范,如1991年和2002年的美国ASCE 规范[23];2005年的欧洲EC3规范[24],另外,日本、南非以及澳大利亚和新西兰等国也都制定了各自的不锈钢结构的设计规范[25-27]。

由于相关研究工作的开展和设计规范的制定,目前不锈钢结构已在国外不少土木工程中得到应用[1]:如都柏林的“神针”等城市标志性建筑;一些海洋平台、海边建筑和桥梁、核工厂和食品加工厂及一些重要建筑的框架,如设计寿命为500年的加拿大魁北克省的国家档案保存中心的框架,巴黎卢浮宫艺术博物馆入口处的金字塔空间承重结构以及斯德哥尔摩的伯津斯卡植物园的承重框架结构等。

1—不锈钢;2—普通钢材图3　钢材在高温下的屈服强度变化[14]Fig.3　C om paris ons of yield strengths at elevated tem perature between stainless steel and carbon steel [14]1—不锈钢;2—普通钢材图4　钢材在高温下的弹性模量变化[14]Fig.4　C om paris ons of elastic m odulus at elevated tem peratures between stainless steel and carbon steel [14]112　不锈钢管混凝土结构的应用如前所述,不锈钢结构具有诸多优点。

但不锈钢相对普通钢材而言的高造价仍大大制约了其推广应用。

若在不锈钢管中填充混凝土形成不锈钢管混凝土,则可望在保证结构性能的前提下有效降低结构的不锈钢用量,提高结构的综合经济效益。

有鉴于此,不锈钢管混凝土目前已于近期在两个重要工程中被采用,即2006年建成的纽约赫斯特大厦的三角形框架(图5)和即将于2009年竣工的香港昂船洲大桥的桥塔(图6)。

图5　纽约赫斯特大厦[4]Fig.5　Hearst T ower ,New Y ork [4]纽约赫斯特大厦共46层,为纽约市标志性建筑之一,目前已经通过了LEE D (美国能源及环境先导计划)的环保认511不锈钢管混凝土的发展综述———廖飞宇,等图6　香港昂船洲大桥(R oe,2006)[5]Fig.6　S tonecutters Bridge,H ong K ong[4]　证。

赫斯特大厦的结构体系采用由不锈钢管混凝土构件组成的斜肋型三角框架体系,使整座建筑具有优美的艺术造型和优越的耐久性能。

同时,由于不锈钢材料良好的可回收性能,因此,赫斯特大厦的建筑原材料具有百分之百的可回收性[4]。

香港昂船洲大桥桥塔总高290m,在175～290m采用了不锈钢管混凝土结构,主要出于以下考虑[3]:1)耐久性的要求。

该桥处于海洋环境,设计使用寿命为120年,对于耐久性的要求较高。

2)节省维护费用。

采用不锈钢管使桥梁在使用过程中无需定期为桥塔涂漆维护,节省了大量的维护费用。

3)安全性的要求。

风洞测试显示,较轻的桥塔容易受到涡激振动的影响,此现象亦会导致大振幅拉索振动,因此为了改善桥塔的气动性能,桥塔采用了在不锈钢管中填充混凝土而形成不锈钢管混凝土结构。

4)外表美观。

2　不锈钢管混凝土结构的研究现状在研究方面,不锈钢管混凝土结构也同样引起一些研究者的兴趣,并开展了一些研究工作。