钢管混凝土综述

钢管混凝土综述

袁

摘要：简要介绍了钢管混凝土结构的研究现状,具体阐述了钢管混凝土结构的特点,分别论述了钢管混凝土结构在高层建筑、拱桥、地铁车站工程中的应用,并对钢管混凝土结构今后的发展方向进行了分析,以期促进钢管混凝土结构的应用与推广。

关键词：钢管混凝土结构,特点,应用,新型,发展方向

1.引言

钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tube ,简称CFT)是将混凝土灌入钢管而形成的一种组合材料,是在钢管中填充混凝土后形成的构件。构件型式包括内填型、外包型和内填外包型三类。钢管可以是圆钢管, 也可以是方钢管或八角形钢管等,混凝土可以是素混凝土, 也可以配有钢筋。钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的。钢管混凝土由于其抗压强度高、自重轻、抗震性能突出、施工方便、外型美观和造价经济等优点, 广泛应用于单层或多层工业厂房的结构柱、设备构架柱、各种支架和超高层建筑以及桥梁结构中。

目前,钢管混凝土结构的应用很广泛,国内外学者对钢管混凝土进行了研究, 取得了一些有意义的成果。柱是建筑物中的主要承重构件, 研究柱的承载能力对建筑物的安全可靠具有重要意义, 一些学者在试验研究的基础上, 提出了一些以计算其极限承载力为目的计算理论和公式, 并反映在各国的有关设计规范和规程中。在当今工程实践中, 钢管混凝土柱越来越广泛地被应用于高层和超高层建筑, 巨型框架结构中的钢管混凝土柱与其斜撑的交接处存在很大的剪力,以及在钢管棍凝土柱和钢筋混凝土梁节点处,当梁的剪力通过焊接在节点底部的反牛腿传递给柱子时,钢管混凝土的抗剪力能力可能起着主导作用,此时需根据钢管混凝土柱的抗剪承载力来确定钢管尺寸。现阶段只能从实用出发,对钢管混凝土柱的抗剪承载力做出偏于保守的估算, 这在一定程度上限制了钢管混凝土在工程实践中的应用。因此,对钢管混凝土的抗剪力学性能进行深入系统的研究, 对钢管混凝土结构的发展, 特别是在超高层建筑中的推广应用也具有积极的促进作用。

2. 钢管混凝土的分类和工作原理

2.1 钢管混凝土分类

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件建筑上，按截面形式不同，分为方钢管混凝土圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土等实际结构中，根据钢管作用的差异，钢管混凝土柱又可分为两种形式：一是组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期即共同受力；二是外加荷载作用在核心混凝土上，钢管只起对其核心混凝土的约束作用，即所谓的钢管约束混凝土柱本文主要论述实际工

程中常用的圆形截面钢管混凝土和正方形截面钢管混凝土结构，及钢管和混凝土在受荷初期就共同承受外荷载的情况。

2.2 工作原理

钢管混凝土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, 延缓其纵向微裂缝的发生和发展,从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力; 同时借助内填混凝土的支撑作用, 增强钢管管壁的几何稳定性,改变钢管的失稳模态,从而提高其承载能力。此时钢管和核心混凝土都处于三向应力状态, 混凝土的工作性质也起了质的变化,由脆性材料转化成塑性材料。

根据钢管混凝土的受力特点, 圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用和内填混凝土的支撑作用,从而使钢管混凝土构件具有轴心抗压承载力高、抗剪和抗扭性能好的特点; 钢管内的核心混凝土处于三向受压状态, 它的工作性质起了质的变化, 由脆性材料转化成塑性材料, 钢管混凝混凝土构件具有良好的塑性和韧性;钢管内有大量混凝土,能吸收很多的热量,混凝土的导热系数低而比热大,钢管混凝土耐火极限比钢材长;钢管混凝土柱与结构钢和型钢混凝土柱相比, 在保持自重相近和承载力相同的条件下,可节约钢材50% ,与普通钢筋混凝土柱相比,构件的截面面积可减少约1/ 2,混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少50%, 钢管混凝土的经济效果显著;另外,钢管混凝土构件具有施工简单易行,缩短工程周期的优点。

3. 几种新型的钢管混凝土

3.1 薄壁钢管混凝土

薄壁钢管混凝土是指其横截面径厚比D/ t (对于圆钢管混凝土)或宽厚比B/ t (对于方钢管混凝土)大于对应受压构件中空钢管局部稳定限值1. 5 倍的情况。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。

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:减少钢材用量,减轻焊接工作量,达到降低工程造价的目的,还可以提高构件的耐火极限。在小高层以下包括多层、低层建筑工程中推广使用有着广阔的前景和积极的意义。目前,薄壁钢管混凝土实验室研究的径厚比D/ t 最大达到了150 ,使得柱的含钢率为5 %～7 % ,与钢筋混凝土柱的含钢率接近。

3.2 带纵向加劲肋钢管混凝土

对于薄壁钢管和长细比大的钢管较易产生局部屈曲,国内外研究者先后提出了一些抵消这种影响的构造措施,主要包括设置纵向加劲肋、采用约束拉杆和角部隅撑这三种方法,其中设置纵向加劲肋方法制作的板件较少,加劲肋和钢管焊在一起,整体性好,有利于提高钢管和混凝土共同工作的性能,同时还有利于提高构件的抗火性能。

3.3 冷弯型钢钢管混凝土

冷弯型钢钢管通常做法是将两个冷弯卷边槽钢的卷边部分相对焊接而成方

管。与普通拼焊的钢管不同:1)其残余应力较拼焊管要小;2)它在冷加工的过程中会发生较大的塑性变形,出现强度提高和塑性下降的现象,正好可以利用其优点。由于目前冷弯型钢标准中列出的型钢截面尺寸普遍偏小,因而其使用范围通常为网架、网壳和桁架等结构中受力较小的杆件,在实际的钢管混凝土工程中直接采用这些标准产品的情况还不多见。

3.4中空夹层钢管混凝土

中空夹层钢管混凝土,是在两个同心放置的钢管之间灌注混凝土而形成的构件,是在传统实心截面钢管混凝土的基础上发展起来的一种新型钢管混凝土结构。由于常用的钢管截面形式有圆形、方形和矩形,而组成中空夹层钢管混凝土的内、外钢管可采用不同的截面形式,因而可以组合出多种截面类型的中空夹层钢管混凝土构件。

中空夹层钢管混凝土继承了实心钢管混凝土承载力高、塑性和韧性好、耐火性能好等一系列的优点。此外,由于其特殊的截面形式,和实心钢管混凝土相比,中空夹层钢管混凝土构件具有截面开展、抗弯刚度大、自重轻、抗震性能好和防火性能好等特点适于用作海洋平台支架柱、桥墩以及高层建筑中的大直径柱。

3.5钢管高性能混凝土和千米承压材料

这里的高性能混凝土,指具有高强度、高流动性,在自重或少振捣的情况下就能自密实的混凝土。将其灌注在钢管里,可以减小施工工作量和施工的噪声污染,钢管混凝土还具有承载能力高、塑性和韧性好等诸多优点,在高层、超高层建筑中被广泛的运用。

随着人们对高度在千米以上的超级摩天大楼的设想和规划,首先遇到的就是用什么样的承压材料的问题,所以就有了千米承压材料这一概念。千米承压材料是指材料在承受压应力的状态下,在承受压力的方向上材料尺度可以延续至1 km 以上。其主要是由C100 以上高强混凝土和高强度无缝钢管制成的钢管高强混凝土柱,目前还处于试验研究阶段。

3.6空心钢管混凝土

空心钢管混凝土是采用离心法浇筑管内混凝土并通过蒸汽养生制成的钢管混凝土构件。自20 世纪90 年代以来,我国已较广泛地在输电变电工程中采用。这种构件在工厂中预制,运抵现场组装。由于构件中心部分的混凝土抽空了,减轻了自重,因此便利了运输和施工。和传统的钢杆塔相比,节约钢材50 %以上。与预应力钢筋混凝土杆塔相比,钢材和混凝土的用量基本相同,但不存在混凝土开裂问题,提高了结构的耐久性和安全度。由此可见,空心钢管混凝土在电力工程建设中有很大的发展前景。

此外,还有蜂窝状钢管约束混凝土、复式钢管混凝土、异形钢管混凝土组合柱等一些新型钢管混凝土结构,由于这些结构在实践中应用得少,在此不一一论述。

4. 钢管混凝土的应用

根据钢管混凝土结构本身的特点,目前的主要应用领域有单层和多层工业

厂房柱、设备构架柱、各种支架、地铁站长柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、空间结构、高层和超高层建筑以及桥梁结构等。

4.1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。

4.2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2< 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2< 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<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(10< 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。

4.3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。

4.4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。

5. 钢管混凝土的技术经济效益

钢管混凝土结构由于自身的特点，使其在技术经济上优于其他结构，以下主要从其结构的优越性施工方便和材料消耗少等方面进行分析。

5.1 结构的优越性

通过将钢管混凝土结构与钢筋混凝土和钢结构作对比，突出了其在结构强度使用功能和抗震性能的优势，钢管混凝土结构的优越性主要有以下几个方面：结构强度高钢管混凝

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桑系数不同，随着荷载的增加，钢管由弹性工作状态进入塑性工作状态，其泊桑系数由0.283 增大到0.5 后就保持不变；而混凝土的泊桑系数大约由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二向应力状态下工作，因而抗压强度和变形能力都得到极大地提高使用功能强由于钢管混凝土的抗压承载力高，用作柱子时，截面尺寸小，因而增加了建筑有效使用面积例如深圳赛格广场大厦，柱子采用Q345钢材和C60钢管混凝土代替钢筋混凝土柱时，柱子截面减少一半以上，使用面积增加了3 000 m2.又如上海市人民广场大型二层地下停车场的400 根柱子，用钢管混凝土柱比用钢筋混凝土柱每层节省有效面积160 m2，两层共节省320 m2

同时，由于钢管混凝土结构的出现，可以从某种程度上解决工程中长期存在的胖柱问题，从而提高了建筑水平，塑性和抗震性能好塑性是指在静载作用下的塑性变形能力钢管混凝土短柱轴心受压试验表明，当试件压缩到原长的2/3，纵向应变达30%以上时，试件仍有承载力，说明了钢管混凝土具有良好的塑性。钢管混凝土抗震性能好是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性在抗震性方面，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，钢管混凝土结构的吸能性能特别好，无刚度退化，和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，对于高层建筑中的钢管混凝土柱，可限制长细比而不限制轴压比这极大地提高了采用钢管混凝土的经济效益

5.2 施工速度快，缩短了建设周期

钢管混凝土柱的零件较少焊缝少构造简单，柱脚常采用在混凝土基础上预留杯口的插入式柱脚，因而工厂制造比较简单，同时构件自重较小，运输和吊装也较容易，施工很简便，而且钢管混凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在40 mm以内，无论工厂焊接和现场进行对接，都没有什么困难同时，与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的外皮钢管具有钢筋的功能，兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，所以管内毋须再设钢筋，省了钢筋下料和绑扎钢筋等一系列工艺，由于柱外皮钢管本身就是耐侧压的模板，同时也省了支模和拆模等工序近年来，泵送混凝土相当普遍，现场浇灌并无困难，而且我国创造并广泛使用的高位抛落免振捣混凝土的施工方法，更简化了现场浇灌混凝土的工序，简便了施工也有在管柱下部开临时浇灌孔，用混凝土泵自下而上灌注混凝土的方法，既快又保证浇灌质量。而且，在浇筑后，钢管内处于相当稳定的湿度条件，水分不易蒸发，省去了浇水养护等工序，简化了混凝土的养护工艺。

5.3 材料消耗少，成本低

随着高强混凝土技术的发展，C60 及C60 以上强度等级混凝土已被普遍使用，但是高强混凝土的强度虽得到提高，却增加了脆性，降低了结构的安全可靠性在钢管混凝土中，核心混凝土处于三向压应力状态下，极大地改善了性能，防止发生脆性破坏，充分发挥了高强混凝土的强度，降低了材料消耗和工程成本，实现了混凝土材料与钢材的最佳组合。

6. 钢管混凝土结构存在的问题

6.1结构构件的连接构造有不尽如人意之处

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与柱连接的梁较多且不在同一标高时，就会有许多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.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筑和振捣一般仅在大直径钢管混凝土中使用。

6.2钢管构件的制作、安装要求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，但卷管的方向应与钢板压延方向垂直且对管的内径有一定的要求，焊接时除一般钢结构的制作要求外要严格保证管的平直不得有翘曲，表面锈蚀和冲击痕迹，特别是它对钢管内壁的除锈要求，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。在构件制作过程中，钢管的对接是一个难点，结构要求焊后的管肢要平直，这就需要在焊接时采取相应的措施，特别注意焊接的顺序考虑焊接变形的影响管肢对接焊接

前，对于小直径钢管应采用点焊定位，对于大直径钢管应另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定联焊。在钢管对接焊过程中，如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝，则该微裂缝部位必须全部铲除重焊。为了确保连接处的焊缝质量，在现场拼接时，在管内接缝处必须设置附加衬管，对于格构式柱要求柱的肢管和各种腹杆的组装连接尺寸和角度必须准确。特别是腹杆与肢管连接处的间隙应采用自动切管机按照连接面管的直径和角度切割成空间相交曲线的管端，如无自动切割机时应按钣金展开图进行放样切割。在高层建筑中常常采用变径的钢管，变径管的对接就又是一个施工难点，变径处节点构造较为复杂，无疑会影响到施工的进度。

6.3结构构件形式在质检及施工方法上存在弊端

从混凝土浇灌方面讲，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坍落度要求比较严格如采用高位抛落法施工，混凝土的配合比要求亦很严格无论采用哪种方式施工，与普通钢筋混凝土结构施工相比都必须有更严密的施工组织管理钢管混凝土柱管内混凝土的浇筑属于隐蔽工程，混凝土的浇灌质量是无法直观检查的当采用人工浇灌并振捣时，只能依靠操作人员的责任心和严密的施工组织管理来保证施工质量。如果超声脉冲检测发现有不密实部位，就得将钢管钻孔压浆补强，然后再将钻孔补焊封固所以无论从质量检测还是完善施工质量都是较为费工的。

7. 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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