浅谈钢管混凝土结构的特点和应用

郭远宏 李 芳

1 钢管混凝土结构的研究现状

20世纪60年代之前,钢管混凝土结构的研究对象主要是圆钢管混凝土结构。从20世纪60年代后半期以后,开始比较系统地研究矩形钢管混凝土结构。目前,圆钢管混凝土结构的研究已经取得了丰硕的成果,很多国家制定了相应的设计和施工规范或规程,如欧洲标准EC4(1996年),德国标准 DIN18800(1997年),美国标准ACI 319-89,SSLC(1979年)和LRFD(1997年),日本标准AIJ(1980年,1997年)。自二十世纪五六十年代以来,我国的研究者也进行了钢管混凝土力学性能和设计方面的研究工作,已先后颁布发行了有关设计规程,进入20世纪80年代后,研究工作进一步深入,通过大量的试验研究和理论分析,对构件的承载力和变形性能及其影响因素进行了全面的研究,得到了实用的设计计算公式。近十几年来,我国钢管混凝土结构的科学研究和工程应用都取得了令人瞩目的成就。

2 钢管混凝土结构的特点

1)构件承载力高。整个钢管混凝土构件的承载力约为钢管和核心混凝土单独承载力之和的1.7倍～2.0倍。2)有利于有效利用高强混凝土。钢管混凝土是有效利用高强混凝土的最经济的形式,这是因为:a.高强混凝土强度高但脆性也大。而钢管对混凝土的套箍(约束)作用能有效的克服高强混凝土的脆性,充分发挥其承载力。b.钢管外没有混凝土保护层,能充分发挥高强混凝土的强度承载力。c.钢管兼有纵筋和箍筋的作用,比普通的钢筋混凝土节省。d.钢管内没有钢筋骨架,便于浇筑混凝土,避免了柱与梁板交错浇筑的麻烦。3)塑性和韧性好,抗震性能优越。钢管混凝土构件破坏时,完全没有脆性破坏的特征。据有关资料分析,高层建筑中采用钢管混凝土柱结构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少 1/3～1/2,地震作用可减小1/2。4)施工简便,可大大缩短工期。钢管混凝土柱不需绑扎钢筋、支模和拆模且钢管内无钢筋、混凝土浇灌工艺迅速发展都使其施工简便、迅速。5)耐火性能较好。核心混凝土吸收大量的热能,在遭受火灾时增加柱子的耐火时间且一旦钢柱屈服,混凝土可以承受大部分的轴向荷载,防止结构倒塌。实验数据表明:达到一级耐火3 h要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3～2/3甚至更多,随着钢管直径增大,节约涂料也越多。6)耐腐蚀性能优于钢结构。钢管中浇筑混凝土使钢管的外露面积减小,受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多,抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。7)经济效益好。大量工程实际表明:采用钢管混凝土的承压构件可节约混凝土约50%,减轻结构自重50%左右。与钢结构相比可节约钢材50%。当钢管中填充混凝土时,钢管混凝土的造价与钢筋混凝土相比略高。随着建筑层数的增加,钢管混凝土的造价与钢筋混凝土基本持平。

3 钢管混凝土结构的应用

3.1 钢管混凝土在高层建筑中的应用

钢管混凝土在高层建筑工程中,主要是作为受压管柱的建筑构件使用,与钢梁和梁柱节点等共同构成建筑物的框架结构体系。在高层建筑中,钢管混凝土的特征与优势如下:1)钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高,相当于钢管和混凝土二者之和的2倍以上;2)钢管混凝土柱截面比钢筋混凝土柱可减少60%以上,轮廓尺寸也比钢柱小,扩大了建筑物的使用空间和面积;3)柱子截面减小,自重减小,有利于结构抗震,相当于设防烈度下降一级;4)钢管混凝土柱自重减小,减轻了地基承受的荷载,相应降低了地基基础造价;5)钢管壁薄便于选材、制造与现场焊接,是施工最为快捷的建筑结构;6)钢管混凝土柱内的混凝土可大量吸收热能,其耐火性优于钢柱,从而比钢柱可节省耐火涂料50%以上;7)钢管混凝土具有的核心混凝土三向受压特性,利于刚刚问世的C60～C80高强度混凝土安全可靠地推广应用钢管混凝土。

我国采用或部分采用钢管混凝土的高层建筑主要有:福建泉州邮电大厦(高87.5 m)、福建厦门阜康大厦(高86.5 m)、福建厦门金源大厦(高96.0 m)、福建福州侨益大厦(高 115.7 m)、天津今晚报大厦(高137 m)和广州的好世界等。深圳赛格广场的柱结构及抗侧力体系的内筒全采用了钢管混凝土柱,共70层,地上部分高为278.8 m。在国外,也有很多采用钢管混凝土的高层建筑,例如美国西雅图的Two Union Square和Pacific First Center等。

3.2 钢管混凝土在拱桥中的应用

将钢管混凝土用于拱桥,符合拱桥建设中要求材料高强和拱圈无支架施工及轻型化的发展方向。钢管混凝土拱桥一般可分为两种:一种是将钢管混凝土直接用作拱桥结构主要受力部分,同时也作为结构施工时的劲性架,截面设计由前者控制;另一种是先将钢管用于施工时的劲性骨架,然后再内灌混凝土并与外包混凝土共同形成断面,钢管混凝土参与拱桥成型后的受力,截面设计以施工阶段控制。

目前,钢管混凝土用于拱桥结构的工程如雨后春笋般地不断涌现,尤其以我国的应用最为广泛,1991年建成的四川省旺苍县东河大桥是我国采用钢管混凝土的第一座公路拱桥,跨度115 m,拱肋由上下两根钢管2φ 800×10组成哑铃形,内填C30混凝土,Q235钢材。1998年建成的广西三岸邕江大桥,跨度达270 m,是迄今我国和世界上跨度最大的钢管混凝土中承式拱桥。拱肋用两对2φ 1 020×16横向设置的钢管混凝土哑铃形截面组成四边形,管内充填C50混凝土,截面宽2.4 m,高 5.6 m,腹杆用φ 400×12空钢管,钢材皆采用Q345。

此外,以钢管混凝土做劲性骨架而组成拱桥的工程也有不少。其中最著名的是重庆市万州区长江大桥,L=420 m,上承式拱桥。采用了10根钢管组成空间桁架(10φ 402×16,Q345钢材),吊装成拱后,向管内灌C60混凝土,然后挂模板浇筑混凝土,成为高7 m、宽15.6 m的单箱三室箱形截面拱肋,桥面总宽24 m。这是迄今为止全世界跨度最大的以钢管混凝土为劲性骨架的公路拱桥。

3.3 钢管混凝土在地铁车站工程中的应用

地铁车站是我国最早采用钢管混凝土结构的工程项目。早期的地铁车站是深埋地下的多跨结构,用明挖法施工;采用钢管混凝土柱主要是利用其承载力高的特点,以减小柱子的截面尺寸,有效地利用空间。近年来,在城市中心地区修建的地铁车站多为浅埋式的、具有综合功能的多层地下建筑。采用盖挖逆作法施工,以尽量减少城市正常生活的干扰以及对地面交通和邻近建筑的影响。盖挖逆作法,是先施工地下结构的顶盖,在顶盖的保护下进行开挖,按照从顶到底的顺序进行施工。为此,必须在土方开挖前设置好顶盖的中间支撑柱,钢管混凝土柱将施工阶段的临时柱和结构的永久柱合二为一,因此是最好的选择。

3.4 钢管混凝土在单层工业厂房中的应用

单层工业厂房的柱属于偏心受压构件,为了充分发挥钢管混凝土结构的特点,很多工程中的柱子设计成格构式组合柱,如双肢柱、三肢柱和四肢柱,把偏心弯矩转变为轴心力。

4 钢管混凝土结构的发展方向

1)钢管混凝土结构体系抗震性能的研究。目前,对钢管混凝土抗震性能的研究主要集中在基本构件方面,而对由钢管混凝土柱和钢或钢筋混凝土等形式的梁组成的框架结构的抗震性能则很少涉及。今后应开展这方面的研究工作,并在充分考虑结构空间作用的基础上,提供合理的钢管混凝土框架柱和节点的抗震技术参数,便于工程应用。2)在防火设计方面,要简化钢管混凝土防火极限的设计方法,制定钢结构(钢管混凝土结构)住宅建筑的防火设计规范。只有这样,才能有助于推广钢管混凝土在住宅建筑中的应用。3)钢管混凝土结构在火灾后的性能研究。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。4)节点动力性能的研究。节点是结构设计中的关键部位,也是施工的难点。对于钢管混凝土节点,其合理与否直接关系到结构的安全性和整个工程的造价。5)结合实际工程,进一步完善钢管混凝土住宅建筑的设计理论、不同类型结构设计规范和施工规程,尽快编制各类构件的配套图集。

此外,钢结构住宅对施工队伍的施工技术要求比较高,而国内大部分地区主要进行混凝土结构的施工建设,因此应该加强对钢结构专业施工队伍的培训,进一步促进钢管混凝土在住宅中的发展与应用。

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