圆钢管混凝土结构的发展和特点

李兴权　孙晓燕　武庆良

摘要：本交介绍了钢管混凝土结构的发展，并根据国内外的研究现状，结合圆钢管混凝土的典型工程应用实例，对钢管混凝土的特点进行了分析。

关键词：圆钢管混凝土；塑性；抗震性能

钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新组合结构。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，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。

1国内外圆钢管混凝土的应用

钢管混凝土结构应用在土木建筑工程中已有上百年的历史，它和螺旋箍筋混凝土结构几乎同时出现。将圆钢管混凝土最早应用于工程中是在1879年英国的Severn铁路桥桥墩[1]。20世纪初，美国在一些单层房屋建筑中采用了称为“Lally Column”的圆形钢管混凝土柱[2]。30年代末期，前苏联曾用圆钢管混凝土建造了跨度101m的公路拱桥和跨度140m的铁路拱桥。60年代前后，在前苏联、西欧、北美和日本等工业发达的国家，圆钢管混凝土结构的应用更加受到重视，曾在厂房建筑、多层和高层建筑、立交桥以及特种工程结构中加以应用，并收到了良好的效果。

我国钢管混凝土结构技术的开发和应用也有近40年的历史。它在我国的应用和发展历经了两个阶段：上个世纪60年代至80年代中期为推广应用阶段，80年代后期至今为发展提高阶段。由于圆钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、经济效益显著以及施工快捷等突出的优点，特别是轴压短柱的整体工作性能明显优于其它界面形式，因而圆钢管混凝土在我国应用最广，研究工作也最为深入。我国第一个采用圆钢管混凝土的工程是北京地铁一号线，在北京站和前门站的站台柱采用了圆钢管混凝土柱，由于其承载力高，柱截面比钢筋混凝土柱小很多，增加了有效使用空间，取得了良好的经济效果。随后北京地铁2号线(环线)工程中的全部站台柱均采用了圆钢管混凝土柱，逐渐的圆钢管混凝土被应用到高层建筑工程，大跨度桥梁工程，地铁车站工程，单层和多层工业厂房柱等领域。

对于圆钢管混凝土构件的研究，基本上都集中在极限承载力上。而研究的成果也不尽相同。我国学者的主要研究成果形成了三个理论体系，分别被应用于三本有关钢管混凝土设计与施工规范和规程中[3~6]。与国内相同，国外学者的有关研究成果也都体现在有关钢管混凝土设计的规范规程中[6~10]。然而对比这些国内外规范我们可以发现，各种规范的计算方法存在着较大的差异，这就说明钢管混凝土构件的承载力计算理论还不完善和统一，还需要进一步提高。

2国内外圆钢管混凝土的设计规范

有关圆钢管混凝土结构的设计规程目前已有不少。日本目前在钢管混凝土房屋建筑方面的设计规程有AIJ(1997)等；美国的设计规程ACI(1999)和AISL-LRFD(1999)都给出了钢管混凝土结构设计方面的规定；英国的设计规程有BS5400(1979)。此外，还有欧洲规范EC 4(1994)等。

我国近十几年来先后颁布了几本有关圆钢管混凝土结构设计方面的规程，例如国家建筑材料工业局标准JCJ 01-89(1989)，中国工程建设标准化协会标准CECS 28：90(1992)，中华人民共和国电力行业标准DL/T 5085-1999(1999)等都给出了圆钢管混凝土结构设计方面的规定。中华人民共和国国家军用标准NJB 4142-2000(2001)给出了方钢管混凝土结构设计方面的条文。2003年颁布实施的福建省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》DBJ l3-51-2003可适合于圆形和方、矩形钢管混凝土结构的设计计算。2003年颁布的天津市工程建设标准《天津市钢结构住宅设计规程》DB 29-57-2003中也给出了圆钢管混凝土结构设计计算方面的规定。

3圆钢管混凝土在应用中存在的问题

尽管圆钢管混凝土结构的优点很多，但是由于它自身的特性决定了它尚存在的一些弊端。

3.1使用范围受到限制。

从现已建成的众多建筑来看，圆钢管混凝土的使用范围还仅限于柱、桥墩、拱架等，目前还很少有使用圆钢管混凝土梁的先例。这是因为梁一般都做成矩形，而矩形的钢管混凝土受力比较复杂而且构造要求繁琐，经济效益不佳。

3.2结构构件的连接构造上存在缺点。

3.2.1当圆钢管混凝土柱与混凝土梁连接时，就必须借助于柱上的牛腿和加强板，如果采用明牛腿可能在美观上会受到影响，如果用暗牛腿，又会或多或少地给浇灌混凝土带来不便，影响施工进度。

3.2.2当圆钢管混凝土柱与无梁盖连接时，尤其是采用升板法施工时，板与柱的连接构造的复杂程度会直接影响到施工的进度。

3.2.3圆钢管混凝土的连接要尽可能地将连接力传递到核心混凝土上，这样才能充分发挥圆钢管混凝土的承载力。所以工程中经常采用柱顶盖板、柱脚底板和层间隔板、穿心板等来实现。穿心板的制作很麻烦，而且还会妨碍管内混凝土的浇注和振捣，一般仅在大直径圆钢管混凝土中使用。

3.3钢管构件的制作、安装具有一定难度和繁琐性。

钢管混凝土柱用的钢管，焊接、制作要求较高；一般应优先采用螺旋焊管，无螺旋焊接管时，也可以用滚床自行卷制钢管。焊接时除一般钢结构的制作要求外要严格保证管不得有翘曲，表面锈蚀和冲击痕迹。特别是它对V管内壁的除锈要求，可能会增加钢管的制作周期显然在制作难度上也较普通钢结构高。

3.4质量检查及施工方法上存在弊端。

钢管混凝土柱管内混凝土的浇注属于隐蔽工程，混凝土的浇灌质量是无法直观检查的。从混凝土浇注方面讲，如果采用泵送顶升法，施工就必须有与之配套的泵及输送设备，而且对粗骨料的粒径、水灰比要求比较严格。采用高位抛落法施工，混凝土的配合比要求亦很严格。必须先进行配合比实验来确定水灰比，然后才可以正式浇注。因此，无论采用哪种方式施工，都必须有严密的施工组织管理。这或许会比普通钢筋砼结构施工更需要管理。

3.5钢管混凝土技术研究、分析中的不足之处。

总结很多国内外的理论研究和分析，不少的理论假设不太合理。

3.5.1对圆钢管混凝土承载力计算时，采用理想的弹塑性体的假设，这对抗震能力较好的钢管混凝土构件是不合理的。

3.5.2对于圆钢管混凝土，根据定值侧压力的实验结果得到纵向承载力与侧压力的关系来确定其承载力，这与核心混凝土的实际工作状态不符。

3.5.3众多的理论假设只能把钢管普通强度混凝土和高强度混凝土机械地分割开来进行研究。

3.5.4进行圆钢管混凝土构件耐火极限的计算时，不考虑钢管和混凝土的相互作用问题，这与材料的实际工作状态不符，得到的计算结果也不够准确。

4结束语

随着我国高层和超高层建筑的迅速发展，钢管混凝土结构的应用将逐渐广泛，本文概括了钢管混凝土的研究和应用情况，总结了钢管混凝土的主要结构特点。今后，核心钢管混凝土结构、钢管与劲性钢筋组合结构、钢管混凝土连接构造等问题还有待深人研究。

参考文献：

[1]蔡绍怀.钢管混凝土结构.北京：中国建筑科学研究院，1992:1～15.

[2]韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术.北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3]中国工程建设标准化协会标准.《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28：90).北京：中国计划出版社，1990.

[4]国家建筑材料工业局标准.《钢管混凝土结构设计与施工规程》(JCJ 01-89).上海：同济大学出版社，1989.

[5]中国电力行业标准.《钢管混凝土组合结构设计规程》(DL/T 5085-1999).北京：中国电力出版社，1999.

[6]っソクリ一ト充填钢管构造设计施工指针.东京：日本建筑学会，1997.

[7]Load and Resistance Factor Design. Specification for Structural Steel Building.1986.

[8]American Concrete Institute. Building Code Requirement for Reinforced Concrete(ACI 318-89) and Commentary-AC1318-89.1989.

[9]European Committee for Standardization. Euro code 4(draft)：Design of Composite Steel and Concrete Structures.1992.

[10]British Standards Institute. BS5400，Part 5. Concrete and Composite

[11]Bridges，1979.

[12]李俊峰.浅谈钢管混凝土结构的应用与优缺点.包钢科技，2001，27（3）：92～95.