钢管混凝土结构的特点及发展

钢管混凝土结构的特点及发展
摘要:介绍了钢管混凝土的特点,以及近年来在科研与工程应用方面的进展情况。

同时,也为今后的研究工作指出了发展方向。

关键词:钢管混凝土高强混凝土薄壁钢管耐火性
引言
本文所谓“钢管混凝土”是“钢管套箍混凝土”的简称。

它是由混凝土填人薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料,是套箍混凝土的一种特殊形式。

在国外也有称之为“混凝土填心钢管”的。

但后一种叫法,似不够确切,因为它只从现象上表述了混凝土对钢管的填充,而没有从本质上突出钢管对核心混凝土的套箍约束。

这种叫法就把用混凝土填心的方钢管也包括进去了,而方钢管对核心混凝土并无多大套箍约束作用,不属套箍混凝土之列。

钢管混凝土的基本原理是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用,使核心混凝土处于三向受压状态,从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。

钢管混凝土除具有强度高、重量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能外,还具有省工省料、架设轻便、施工快速等优越的施工性能。

钢管混凝土是在高层建筑和大跨度桥梁中应用高强混凝土的一种最有效和最经济的结构形式。

这是因为:
(l)钢管对核心混凝土的套箍作用,能有效地克服高强混凝土的脆性;(2)钢管内无钢筋骨架,便于浇灌高强混凝土,而且因有钢管分隔,与管外梁板结构的普通混凝土互不干扰,无交错浇灌的麻烦;(3)钢管外面无混凝土保护层,能充分发挥高强混凝土的承载能力。

从1897年美国人John在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱并获得专利算起,钢管混凝土结构在土木工程中的应用己有百年历史。

钢管混凝土优越的力学性能,一开始就受到美欧各国土木工程界的重视,兢相开发利用。

本世纪20年代前后,在美国的波士顿、纽约和芝加哥等地,曾将其用于单层和多层厂房建筑(最高到六层)的承重柱。

1930年在法国巴黎郊区的Ibis地方用以建造过一座9m跨度的上承式拱桥。

接着于1937年在苏联列宁格勒(圣彼得堡)用集束的小直径钢管混凝土作为拱肋,建造了横跨涅瓦河10lm跨度的下承式拱桥;1939年又在西伯利亚H河上建成了跨度140m的上承式钢管混凝土铁路拱桥,与钢拱桥相比,节约钢材52%,降低造价20%。

但其施工方法是在现场将钢管拱架分段预制并浇灌
混凝土以后,在满堂红的支架上拼装成桥,因而钢管混凝土在施工安装方面的优越性能未得到发挥。

值得注意的是,在这期间,苏联开展了钢管混凝土基本力学性能的试验研究,Gvozdev教授深刻地阐明了钢管套箍混凝土的工作机理,并成功地用极限平衡法求解了钢管混凝土轴压短柱的极限承载能力。

60年代前后,钢管混凝土结构技术在苏联、西欧、北美和日本等工业发达国家受到重视,开展了大量的试验研究工作,曾在一些厂房建筑、个别的多层建筑和立交桥以及特种结构工程中加以应用。

但终因管内混凝土的浇灌工艺未得到很好解决,现场的施工操作显得繁琐,而使钢管混凝土在施工性能方面的潜在优势未能得到应有的发挥。

相比之下,人们仍宁愿采用操作简单、质检直观的普通钢筋混凝土结构或工厂化程度高、现场劳动量少、吊装轻便、施工快速的钢结构。

80年代后期,由于先进的泵灌混凝土工艺的发展,解决了现场管内混凝土的浇灌工艺问题,加以现代高强混凝土需要用钢管套箍克服其脆性,因此在美国和澳大利亚等国的若干高层建筑工程中,钢管混凝土结构技术又悄然兴起,传统的钢柱被钢管高强混凝土柱所取代,并被认为是高层建筑营造技术的一次重大突破。

钢管混凝土结构技术在我国开发利用已有近40年的历史。

1966年成功地将钢管混凝土柱用于北京地铁车站工程。

70年代又在冶金、造船、电力等行业的单层厂房和重型构架中得到成功的应用。

80年代,根据建设部科技发展计划,在我国开展了较系统的科学试验研究,使钢管混凝土结构的计算理论和设计方法取得了长足的进展,已形成一套能满足设计需要的计算理论和设计方法。

影响钢管混凝土极限承载力的主要因素,诸如(a)钢管对核心混凝土的套箍强化作用,(b)柱的长细比,(C)作用力的偏心率,(d)柱端约束条件(转动和侧移),(e)沿柱身的弯矩分布梯度等,在计算公式中都得到恰当的考虑。

在格构柱的承载力计算公式中,考虑了钢管混凝土柱肢的抗压强度和抗拉强度不相等这一重要特性。

建设部于1990年正式颁布了国家推荐性标准,更于1995年将“钢管混凝土结构技术”列人科技成果重点推广项目。

最近10年,时逢盛世,国家经济迅猛发展,钢管混凝土结构技术在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到卓有成效的应用,有力地推动了上述领域营造技术的发展,取得了令人瞩目的成就,而钢管混凝土结构技术自身也在上述工程实践中得到了新的发展。

1、钢管混凝土理论研究的新进展
1.1钢管高强度混凝土性能的研究
高强度混凝土(世界各国对高强度混凝土的定义有所不同，在我国,一般认为强度等级为C60及以上的混凝土为高强混凝土)是近年来国内外学者研究的热门课题。

其优点是强度高,可以节约水泥,减少构件截面尺寸,减轻结构自重,因而可用于荷载很大的结构,如高层建筑、地下工程和大跨结构的支柱等,效果十分显著。

然而,高强混凝土的弱点是脆性大,延性差,这就阻碍了它在实际工程中的应用,尤其在复杂受力状态下,将由脆性破坏控制,其工作的可靠性大大降低。

如果将高强度混凝土灌入钢管中形成钢管高强度混凝土,高强度混凝土受到钢管的有效约束,其延性将大为增强。

此外,在复杂受力状态下,钢管具有很大的抗剪和抗扭能力。

这样,通过二者的组合,可以有效地克服高强混凝土脆性大,延性差的弱点,使高强混凝土的工程应用得以实现,经济效果得以充分发挥。

众所周知,采用普通强度混凝土的钢管混凝土与钢柱相比,可节约钢材50%左右,造价也可降低;如与钢筋混凝土柱相比,不需要模板,且可节约混凝土50%以上,减轻结构自重50%以上,而耗钢量和造价相当。

如果采用在钢管内填充高强度混凝土而形成的钢管混凝土,除了具备钢管普通混凝土的其它优点外,至少可节约混凝土60%以上,减轻结构自重60%以上,可取得巨大的经济效益和良好的社会效益。

钢管高强度混凝土的出现将对桥梁、高层建筑和地下工程等的发展产生重大影响。

近年来,国内外有关学者对钢管高强度混凝土构件的力学性能进行了大量的理论分析和试验研究,已取得了有实用意义的成果。

研究结果表明:钢管高强度混凝土的基本力学性能与钢管普通强度混凝土有所不同,在进行高强度混凝土结构的设计时,不能简单套用钢管普通强度混凝土结构的设计方法。

1.2 钢管混凝土耐火性能的研究
由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间相互贡献、协同互补、共同工作的优势,这种结构具有较好的耐火性能。

在英、德、加拿大、卢森堡和澳大利亚等国,研究者们对圆形和矩形截面的钢管混凝土结构在火灾下的力学性能进行了大量的理论分析和试验研究,已制订了专门的设计规程。

国外学者主要研究的是钢管配筋混凝土的耐火极限且柱子不采取防火保护措施的情况。

在我国,主要采用圆形截面的钢管混凝土结构。

由于钢管混凝土是一种新型结构,目前国内尚未制定该类结构防火方面的规定,不但制约了该结构的推广,而且对于已建成结构的耐火极限也缺乏必要的科学依据。

在已建成的结构中,有的按照钢筋混凝
土结构的要求外包混凝土,有的则按钢结构的要求涂以防火涂料。

这样做虽也能保证防火要求和结构的安全性,但大都偏于保守而浪费,且缺乏科学性和统一性。

从国家来看,对所采用的任何结构必须制定防火技术规程及确定其耐火极限,因此,深入研究钢管混凝土的耐火性能,并基于此确定其防火设计方法具有十分迫切的现实和实用意义,同时也有重要的理论价值。

近年来,国内学者进行了圆形截面钢管混凝土结构耐火性能的研究工作,已取得可喜的成果。

最近,又开始进行方形截面钢管混凝土柱及钢管高强混凝土柱耐火性能的研究。

2、钢管混凝土的应用
在高层建筑结构中,钢管混凝土柱具有很强的相容性,它既可在混凝土结构体系中因时因地制宜地取代部分钢筋混凝土柱,以解决高层建筑底部的“胖柱”问题和钢筋高强混凝土柱的脆性破坏问题;也可在钢结构体系中取代钢柱,以减少钢材用量和减轻风致振动等。

北京的四川大厦的地下车库,福建建造了泉州邮电大厦(15层)、厦门金源大厦(28层)和阜康大厦(25层)。

进人90年代以后,C60级高强混凝土柱大量应用,“胖柱”问题有所缓解,但高强混凝土柱的脆性破坏问题复又突出。

在此情况下,钢管高强混凝土柱应运而生,它既解决了高强混凝土柱的脆性破坏问题,又进一步减小了柱的横截面尺寸,广州好世界广场大厦(33层)率先于1993年采用了C60级的钢管高强混凝土柱并获得成功。

钢管高强混凝土柱在“减肥”方面的有效性,逐渐得到结构工程界的认同。

据不完全统计,短短数年间,在广州、天津、深圳、重庆、北京、昆明、福州和南京等城市采用钢管高强混凝土柱的超高层建筑已有20座。

其中深圳赛格广场大厦(72层)（图1）还是我国自行设计和施工的属于钢结构体系的超高层建筑。

它位于深圳市深南路与华强北路交汇处东北角的商业繁华地段，占地9655m2,总建筑面积超过16万m2,地上72层（含裙房10层），地下4层，总高度291.6m,是一座以电子高科技为主，兼汇展、办公、商贸、信息、证券、娱乐为一体的多功能综合型楼宇。

按7度地震设计。

是我国第一座采用钢管混凝土柱的超高层建筑，也是目前世界最高的钢管混凝土建筑。

裙房为12m*12m柱网的框架剪力墙结构体系。

塔楼为内筒外框柱体系。

内筒由密排的钢管混凝土柱和实腹型钢梁组成的筒体，内设纵横各4道钢筋混凝土剪力墙。

塔楼周边设16根钢管混凝土柱。

柱网为9.6m*9.3m（图2）。

楼盖由压型
钢板上现浇混凝土板和钢梁组成。

塔楼柱子最大轴力为90000kN,采用φ1600*28mm的16Mn钢管柱，内填C60级高强混凝土。

如采用16Mn的箱型钢柱，则不仅用钢量将增加一倍，而且还需60mm以上的厚钢板。

梁、柱节点为钢梁与钢管柱直接连接，于钢梁上下翼缘标高处在钢管柱内焊接内加强环，以消除钢梁翼缘对钢管壁的撕裂力。

该加强环亦兼具钢管与核心混凝土界面抗剪连接件的功能。

在地下室和基土开挖采用逆作法施工的同时,地上结构亦同时开展施工,从而使工期缩短了半年。

该工程于1997年1月动工,现正施工塔楼,预计于1999年4月封顶。

深圳赛格广场大厦(72层)（图1）大厦五、六层结构布置图（图2）
3、钢管混凝土结构的发展方向
3.1 薄壁钢管混凝土结构的研究
以往,研究者们对钢管混凝土的研究对象主要是钢管管壁较厚的情况(含钢率一般在0.04~0.20的范围内),目前的设计方法也主要适用于这种情况。

对于薄壁钢管混凝土的研究主要是近几年的事。

众所周知,对于薄壁钢管来说,其承载力
是极不稳定的,因为它对于局部缺陷很敏感。

试验证明,其实际轴压力往往只有理论计算值的1/3~1/5,当有残余应力存在时,影响则更大。

在钢管中灌注混凝土形成钢管混凝土构件后,钢管保护了混凝土,延缓了混凝土受压时的纵向开裂,而混凝土却大大延缓了薄壁钢管的局部失稳。

薄壁钢管和混凝土相互弥补了彼此的弱点,却充分发挥了彼此的长处,使薄壁钢管混凝土的承载力大大高于二者单独受荷时的承载力之和。

相对于厚壁钢管混凝土,采用薄壁钢管混凝土的主要优点是:可以节约钢材,降低造价,且可以提高构件的耐火极限。

3.2 钢管混凝土结构在火灾后的性能研究
目前国内外对火灾后结构损伤的研究,大多集中在钢筋混凝土结构和钢结构方面,而对钢管混凝土结构还没有见到有关研究的报道。

试验研究结果表明,由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间相互贡献、协同互补、共同工作的优势,使其耐火性能远高于钢结构。

火灾后,随着外界温度的降低,钢管混凝土结构已屈服截面处钢管的强度得到了不同程度的恢复,截面的力学性能比高温下有所改善,结构的整体性比火灾中也有所提高。

这不仅为结构的加固补强提供了一个较安全的工作环境,也减少了补强工作量,这与火灾后的钢筋混凝土结构、钢结构都有所不同:对于钢筋混凝土结构,其已改性破坏截面的力学性能和整体性,均不能因温度的降低而有所恢复或改善。

对钢结构,其已失稳和扭曲的构件在常温下也不会带来更大的安全性。

由上述可见,火灾后钢管混凝土结构的性能有其特点,应当合理地评估其强度,为该类结构的维修加固提供科学的依据。

此外,还应开展火灾后钢管混凝土结构抗震性能的研究。

3.3 方钢管混凝土力学性能研究
以往,我国的有关学者主要研究圆形截面钢管混凝土结构力学性能,并已制订了专门的设计方法和设计规程,今后尚应开展该方面的研究工作。

相对于圆钢管混凝土,方钢管混凝土存在钢管对核心混凝土约束相对较弱的弱点,但却具有与梁连接的节点处理较灵活的优点。

在国外,对方钢管混凝土,无论在力学性能研究方面,还是在工程应用方面均取得了很大的进展,已形成较为成熟的设计方法。

与钢筋混凝土和钢结构相比,钢管混凝土是一种相对年轻的结构,但它却以其特殊的优点,正愈来愈受到工程界的重视和青睐。

相信随着人们对钢管混凝土这类结构的不断认识和了解,这类结构的科学研究必将更趋深入和完善,工程应用必将更趋广泛。

4、结束语
总之，钢管混凝土既是一种高强、高性能结构材料，也是一种高效施工技术。

现代高强／高性能混凝土技术和泵送混凝土技术的发展，给已有百年历史的钢管混凝土结构技术注入了新的活力。

这三种混凝土技术的结合，将会对未来土木工程产生深远的影响。

参考文献
[1] 蔡绍怀．钢管混凝土结构的计算与应用．北京：中国建筑工业出版社，1989
[2] 蔡绍怀．钢管混凝土结构．北京：中国建筑科学研究院，1992
[3] 深圳“赛格广场”大厦结构研讨会资料．华艺设计顾问有限公司，1995．9．25
[4] 赛格广场．深圳赛格广场投资发展有限公司，1997
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