浅析钢管混凝土结构设计及其应用

谢宜峰

【摘要】本论文针对钢管混凝土结构在的结构设计要点及其在工程实际应用中具备的经济性优势等方面进行了研究。作为新型的材料，今后还应作更进一步的深入研究，为钢管混凝土在高层建筑中的应用提供更有价值的参考依据。

【关键词】钢管混凝土；框架；结构设计；应用

0.前言

钢管混凝土结构体系，结构中的柱子采用钢管混凝土柱。钢管混凝土具有承载力高、延性好及抗震性能优越等特点，在实际工程中得到越来越广泛的应用。结构体系中采用的的钢管混凝土结构，其特点是利用混凝土受压、钢管受拉和受剪，使构件强度和刚度显著提高；且由于侧向刚度大的混凝土板和钢管混凝土通过剪力连接件连在一起，很大程度上避免了钢构件容易发生整体失稳与局部失稳的弱点，与钢筋混凝土结构和钢结构相比，钢管混凝土结构是一种相对年轻的结构形式。随着其理论研究的深入和完善，新型施工工艺的产生和高性能材料的应用，钢管混凝土结构的应用范围将不断扩大。

1.钢管混凝土的概念

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂的应力状态之下，不但提高了混凝土的抗压强度，而且还使其塑性和韧性性能得到改善。混凝土塑性、韧性的改善使本属于脆性的材料转变为塑性材料，而且避免和延缓钢管过早地发生局部屈曲，从而提高了结构的可靠度、强度，又节省了材料，降低了造价。通过钢管和混凝土组合而成为钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且还能充分发挥二者的优点。

2.钢管混凝土结构概述

2.1结构选型的特点

1）承载力高。由于薄壁钢管临界承载力极不稳定，在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后，钢管约束了混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和变形性能，延缓了受压时的纵向开裂；同时，钢管的套箍作用大大提高了混凝土的力学性能，使混凝土特别是高性能混凝土的脆性弱点得到了克服。另一方面，混凝土填于钢管之内，增强了钢管管壁的稳定性，其稳定性也有了极大的提高.而混凝土的存在却可以避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈曲，两种材料相互弥补了彼此的弱点，却可以充分发挥彼此的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载力。

2）塑性和韧性好。混凝土脆性较大，对于高强度混凝土更是如此，其工作的可靠性因此而大为降低。如果将混凝土灌入钢管中形成钢管混凝土，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，而且在破坏时具有很大的塑性变形。试验表明，钢管混凝土柱被破坏时可以压缩到原长的2/3，完全没有脆性破坏的特征。处于钢管中的混凝土已经由脆性破坏转变为塑性破坏，使整个构件呈现出弹性工作塑性破坏的特征。此外，这种结构在承受冲击荷载和振动荷载时，也具有很好的韧性。

3）耐火、耐腐蚀性能好

由于组成钢管混凝土的钥管和其核心混凝土之间具有相互贡献、协同互补、共同工作的特点，这种结构具有较好的耐火性能。此外，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。

2.2结构设计中关键注意的问题：

1）钢管混凝土承载力计算中采用理想弹塑性模型的假设，这对抗变形能力很强的钢管混凝土是不合理的；

2）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从而确定其承载力，这和核心混凝土的工作状态不符；

3）把钢管普通混凝土和钢管高强混凝土机械地分开进行研究。

3.钢管混凝土结构的工程应用概况

3.1高层建筑工程

在高层建筑结构中，钢管混凝土柱具有很大的优势：具有承载力高，抗震性能好的特点，既可以取代钢筋混凝土柱，解决高层建筑结构中普通钢筋混凝土结构底部的“胖柱”问题和高强钢筋混凝土结构中柱的脆性破坏问题：也可以取代钢结构体系中的钢柱，以减少钢材用量，提高结构的抗侧移刚度。钢管混凝土构件的自重较轻，可以减小基础的负担，降低基础的造价。全部采用钢管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”进行施工，从而加快施工进度；钢管混凝土柱的钢材厚度较小，取材容易、价格低。其耐腐蚀和防火性能也优于钢柱。

3.2大跨度桥梁工程

随着经济的迅速发展，需要建造能够跨越江河、海湾和山谷的，安全、经济且轻盈美观的大跨度桥梁。在我国，钢管混凝土已经被广泛地应用于拱桥结构中，也开始应用于斜拉桥结构中。在拱桥结构中，钢管混凝土构件主要用来承受轴向压力。拱桥的跨度很大时，拱肋将承受很大的轴向压力，采用钢管混凝土构件是非常合理的。另外，钢管可以作为桥梁安装架设阶段的劲性骨架和灌注混凝土的模板.因此，钢管混凝土被认为是建造大跨度拱桥的一种比较理想的复合结构材料。

3.3钢管混凝土在施工中的应用

在结构构件的连接构造方面：①当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。如果用暗牛腿、会给浇注混凝土带来不便，影响施工进度；②当钢管混凝土柱与无梁盖连接时，尤其是采用升板法施工时，板与柱的连接构造是相当复杂的，会直接影响到施工的进度；③为了能够充分发挥钢管混凝土的承载力，钢管混凝土的连接应尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上。常采用柱顶盖板、柱脚底板和层间隔板、穿心板等来实现。当然前提条件必须是应保证管内混凝土的密实，做到这一点也是不易的。横隔板和上、下柱的连接是比较繁琐的，尤其是对于小直径管，特别不便于施工。穿心板的制作也很麻烦，而且还会妨碍管内混凝土的浇注和振捣。一般仅在大直径钢管混凝土中使用。

3.4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，以尽量减少对城市正常生活的干扰以及对地面交通和邻近建筑的影响。

4.钢管混凝土结构的经济性

钢管混凝土結构是在钢管中充填混凝土而制成，具有承载力高、抗震性能好、节约钢材和施工简捷等优点，尤以钢管混凝土柱构件的表现最为突出。其经济特点表现如下：

（1）在荷载条件和钢材用量大致相同的情况下，钢管混凝土柱截面仅为钢筋混凝土柱的30%～40%，从而增大了建筑物的有效使用面积，在公共建筑大厅或车库中采用其优势更为突出；

（2）具有良好的结构延性.与普通钢筋混凝土大偏心受压构件相比，钢管混凝土柱的延性可提高几倍甚至十几倍，抗震性能也更优越；

（3）结构自重轻.有利于减小地基荷载，减弱地震影响，相当于抗震设防烈度降低一级；

（4）现场工作量大大减少，有利于加快施工进度，缩短工期：

（5）梁板与柱可采用不同强度等级的混凝土，避免节点施工上处理困难。

5.结语

钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。通过对钢管混凝土柱的施工技术研究和工程建设实践，明确了钢管混凝土柱的受力性能，指出了在设计中应注意的事项，总结了钢管混凝土柱施工的要点，归纳了钢管混凝土柱施工的工程建设经验，为今后对钢管混凝土柱工程建设积累了经验。

【参考文献】

[1]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].人民交通出版社.2013.3

[2]钟善桐.高层钢管混凝土结构.2009