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钢管混凝土结构

1、 前言

钢管混凝土即在薄壁钢管内填充普通混凝土 ,将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构 ,它是将钢管结构和钢筋混凝土结构的优点结合在一起而发展起来的新型结构。由于钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点 ,同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点。钢管混凝土作为一种结构构件形式最早在十九世纪八十年代被设计应用做桥墩 ,然后随着科学技术的提高使它的应用范围得到了很大的扩展。从八十年代末开始 ,钢管混凝土在我国的土建工程中的应用发展很快。近年来 ,随着理论研究的深入和新施工工艺的产生 ,工程应用日益广泛。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等 ,其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广泛。

2、 钢管混凝土结构的特点

, 混凝土的抗压强度高 ,但抗弯能力很弱 ,而钢材 ,特别是型钢的抗弯能力强 ,具有良好的弹塑性 ,但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起 ,可使混凝土处于侧向受压状态 ,其抗压强度可成倍提高。同时由于混凝土的存在 ,提高了钢管的刚度 ,两者共同发挥作用 ,从而大大地提高了承载能力。

钢管混凝土柱在荷载作用下的应力状态和应力路径是十分复杂的 ,仅以常用的一种加载方式为例 ,对其受力、变形特点进行简单剖析。据有关大量实验表明 ,如图l 的一根钢管混凝土短试件在轴向力N 作用下钢管和核心混凝土随着纵向压力的增加两者均产生较大的纵向应力和纵向应变 ,同时将产生横向变形。横向应变与纵向应变的关系为S S IS 3εμε= ,C C C 31εμε=（式中的13,εε分别为纵向、环向应变 ,μ为材料的泊松比 ,下标s ,c 分别代表钢管和核心混凝土)。在轴向力N 作用下钢管和核心砼的变形是协调的 ,即C S 33εε=。钢材的泊松S μ在弹性阶段为一常数(O.283) ,进入塑性阶段(应力达屈服点y f 时)增大至0.5而保持不变。而混凝土的横向变形系数C μ则为变数 ,可以从低应力时的0．17增加到0．5至1．0甚至大于1.0。由上式可见 ,钢管混凝土在轴心压力N 作用下 ,开始时C S μμ> ,

N

钢管 2σ

1σ

3σ P

混凝土 2σ

1σ N

图1 试件轴压时的内力状态

故C S 11εε>,但C μ在很快赶上S μ,则S μ=C μ,而C S 11εε=,随后

C μ>S μ ,S C 11εε>。这说明钢管混凝土在压力N 作用下混凝土向外的横向变形大于钢管向外的横向变形。钢管约束了砼 ,在钢管与混凝土之间产生了相互作用力P ,称为紧箍力。从而使钢管纵向和径向受压而环向受拉 ,混凝土则处于三向受压状态。这样一来就大大提高了混凝土的抗压强度 ,同时塑性性能得到了很大的改善。在工作性质上起了质的变化。由原来的脆性材料转变为塑性材料 ,这一转变决定了钢管混凝土这种结构形式的基本性质和特点。

2、1优点

2.1.1 承载力高

钢管混凝土强度提高的原因 ,主要是构件受压时 ,由于钢管和混凝土的泊松系数不同 ,随着荷载的增加 ,钢管由弹性工作状态进入塑性工作状态 ,其泊松系数由0.283增大到0.5后就保持不变；而混凝土的泊松系数大约由0.2增大到0.5以后仍继续增大。这时钢管始终对填入的混凝土产生紧箍力 ,这样钢管和混凝土都处在三向应力状态下工作 ,因而抗压强度和变形能力都得到极大的提高。钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明 ,钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。经有关专家实验和理论分析证明钢管混凝土受压构件强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和1.7～2.0倍。

2.1.2 延性好

据有关实验数据表明：钢管混凝土轴向压缩到原长的2／3 ,构件表面已褶曲 ,但仍有一定的承载能力 ,可见塑性之好。在压弯剪循环荷载作用下 ,水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满 ,吸能能力很好 ,基本无刚度退化。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏 ,构件的延性性能明显改善。

2.1.3 抗震性能优越

抗震性能是指在动荷载或地震作用下 ,具有良好的延性和吸能性。在这方面 ,钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。在压弯反复荷载作用下 ,弯矩曲率滞回曲线表明 ,结构的吸能性能特别好 ,无刚度退化 ,且无下降段 ,不丧失局部稳定性的钢柱相同。但在一些建筑中 ,钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性 ,但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因此 ,钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。

此外 ,高层建筑中和钢筋混凝土柱相比 ,钢管混凝土柱的自重大幅度减小 ,地震作用引起的地震反应也将减小。据有关资料分析 ,高层建筑中采用钢管混凝土柱和钢梁等结构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少1／3～1／2。地震作用可以减小一半 ,相当于设防烈度下降一度。这将意味着结构构件截面尺寸的进一步减小。同时基础的负荷也相应减少 ,由此降低了基础造价。

2.1.4 施工方便

钢管混凝土结构施工时 ,钢管可以作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量 ,施工不受混凝土养护时间的影响。该种结构形式和钢结构相比零件少 ,焊缝短 ,可以采用构造简单的插入式柱脚 ,免去了复杂的柱脚构造。和钢筋混凝土柱相比 ,由于钢管本身就是耐侧压的模板 ,因此在浇灌混凝土时可以免去支模、拆模等工和料。钢管还是“钢筋” ,它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。从施工过程看制作钢管远比制作钢筋骨架省工得多 ,而且便于浇灌。钢管本身就是劲性结构构件 ,在施工阶段可以起劲性钢骨架的作用 ,节省了许多支撑构件和脚手架 ,简化了施工安装工艺。

2.1.5 防火耐火性能好

钢管混凝土的耐火性比钢结构好 ,由于钢管内填有混凝土 ,能吸收大量的热能 ,混凝土的导热系数低而比热大 ,因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀 ,越到中心 ,温度越滞后 ,增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明：达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1／3～2／3甚至更多 ,