钢管混凝土结构

1钢管混凝土结构1、前言钢管混凝土即在薄壁钢管内填充普通混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构，它是将钢管结构和钢筋混凝土结构的优点结合在一起而发展起来的新型结构。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。钢管混凝土作为一种结构构件形式最早在十九世纪八十年代被设计应用做桥墩，然后随着科学技术的提高使它的应用范围得到了很大的扩展。从八十年代末开始，钢管混凝土在我国的土建工程中的应用发展很快。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泛。2、钢管混凝土结构的特点，混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高。同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土柱在荷载作用下的应力状态和应力路径是十分复杂的，仅以常用的一种加载方式为例，对其受力、变形特点进行简单剖析。据有关大量实验表明，如图l的一根钢管混凝土短试件在轴向力N作用下钢管和核心混凝土随着纵向压力的增加两者均产生较大的纵向应力和纵向应变，同时将产生横向变形。横向应变与纵向应变的关系为SSIS3，CCC31（式中的13,分别为纵向、环向应变，μ为材料的泊松比，下标s，c分别代表钢管和核心混凝土)。在轴向力N作用下钢管和核心砼的变形是协调的，即CS33。钢材的泊松S在弹性阶段为一常数(O.283)，进入塑性阶段(应力达屈服点yf时)增大至0.5而保持不变。而混凝土的横向变形系数C则为变数，可以从低应力时的0．17增加到0．5至1．0甚至大于1.0。由上式可见，钢管混凝土在轴心压力N作用下，开始时CS，32N钢管213P混凝土21N图1试件轴压时的内力状态故CS11,但C在很快赶上S,则S=C,而CS11,随后CS，SC11。这说明钢管混凝土在压力N作用下混凝土向外的横向变形大于钢管向外的横向变形。钢管约束了砼，在钢管与混凝土之间产生了相互作用力P，称为紧箍力。从而使钢管纵向和径向受压而环向受拉，混凝土则处于三向受压状态。这样一来就大大提高了混凝土的抗压强度，同时塑性性能得到了很大的改善。在工作性质上起了质的变化。由原来的脆性材料转变为塑性材料，这一转变决定了钢管混凝土这种结构形式的基本性质和特点。2、1优点2.1.1承载力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松系数不同，随着荷载的增加，钢管由弹性工作状态进入塑性工作状态，其泊松系数由0.283增大到0.5后就保持不变；而混凝土的泊松系数大约由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三向应力状态下工作，因而抗压强度和变形能力都得到极大的提高。钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。经有关专家实验和理论分析证明钢管混凝土受压构件强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和1.7～2.0倍。32.1.2延性好据有关实验数据表明：钢管混凝土轴向压缩到原长的2／3，构件表面已褶曲，但仍有一定的承载能力，可见塑性之好。在压弯剪循环荷载作用下，水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满，吸能能力很好，基本无刚度退化。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善。2.1.3抗震性能优越抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在这方面，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，弯矩曲率滞回曲线表明，结构的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，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，高层建筑中和钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的自重大幅度减小，地震作用引起的地震反应也将减小。据有关资料分析，高层建筑中采用钢管混凝土柱和钢梁等结构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少1／3～1／2。地震作用可以减小一半，相当于设防烈度下降一度。这将意味着结构构件截面尺寸的进一步减小。同时基础的负荷也相应减少，由此降低了基础造价。2.1.4施工方便钢管混凝土结构施工时，钢管可以作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响。该种结构形式和钢结构相比零件少，焊缝短，可以采用构造简单的插入式柱脚，免去了复杂的柱脚构造。和钢筋混凝土柱相比，由于钢管本身就是耐侧压的模板，因此在浇灌混凝土时可以免去支模、拆模等工和料。钢管还是“钢筋”，它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。从施工过程看制作钢管远比制作钢筋骨架省工得多，而且便于浇灌。钢管本身就是劲性结构构件，在施工阶段可以起劲性钢骨架的作用，节省了许多支撑构件和脚手架，简化了施工安装工艺。2.1.5防火耐火性能好钢管混凝土的耐火性比钢结构好，由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，混凝土的导热系数低而比热大，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，越到中心，温度越滞后，增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明：达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1／3～2／3甚至更多，随着4钢管直径增大，节约涂料也越多。2.1.6耐腐蚀性强钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，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比钢结构节省。2、2缺点尽管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。2.2.1使用范围有限从现已建成的众多建筑来看，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。2.2.2钢管混凝土构件连接构造的缺点(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，又会给浇灌混凝土带来不便，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。2.2.3钢管构件的制作、安装具有一定难度和繁锁性(1)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。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。5(2)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和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响。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。在钢管对接焊接过程中，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。为了确保联接处的焊缝质量，在现场拼按时，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。特别是腹杆与肢管联接处的间隙应采用自动切管机按照相接面管的直径和角度切割成空间相交曲线的管端。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。2.2.4从质量检查及施工方法上看，这种结构构件形式也是存在弊端的(1)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。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。(2)从混凝土浇灌方面看，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。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。3、钢管混凝土结构的技术经济评价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。深圳赛格广场大厦，柱子最大轴压达90000kN，截面为Φ1600×28，采用Q345钢材和C60混凝土。若要设计成钢筋混凝土柱时，则为2200×2400，C60混凝土。由此可见，用钢管混凝土柱代替钢筋混凝土柱时，柱子截面减少一半以上。事实上，该工程由于采用了钢管混凝土柱，和采用钢筋混凝土柱时相比，节约了3000m2的使用面积。此外，在此工程中，与钢筋混凝土柱相比，省去了大量混凝土并减轻自重60％以上，这除了增加有效使用面积，还对减轻基础负担十分有利。和钢柱相比，虽然增加了一些自重，但柱子所占空间一般相差不大，而且耗钢量却可节约50％以上。又如上海市人民广场大型地下停车场(二层)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160m2，两层共节省320m2。6随着高强混凝土的发展，C60在国内城市中以被较普遍使用，有些甚至已采用C70或C80，从而提高了钢管混凝土柱的承载力，节约混凝土。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。钢管混凝土中的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，即高强混凝土只有用于钢管混凝土柱，才能发挥高强混凝土的强度。钢管混凝土结构与传统结构进行经济对比分析，在造价、耗材、施工等各方面的综合经济效益显著。特别是钢管高强和超高强混凝土结构：同等承载力条件下，钢管混凝土柱比普通混凝土柱节约混凝土在50％以上；几乎省去全部的模板，耗钢量略多或约略相等。与普通钢柱相比可节约钢材约在50％以上，造价也可降低。4、钢管混凝土结构的工作原理钢材和混凝土在三向应力作用下的应力强度σ与应变强度ε问的关系，如下图所示：σi—εi为钢材，σc—εc为混凝土。钢材曲线图中最上一条为单向受压时的关系曲线，下边的是三向应力状态异号应力场时应力强度与应变强度的关系，可见在三向应力状态下，钢材的屈服强度fy降低，而极限应变却增大，即强度下降，塑性变形能力增大。混凝土关系曲线中，最下一根是单向受压时的应力应变关系，上部是有紧箍力时的应力应变关系，可以看出，随着紧箍力的增大，混凝土的抗压强度提高，弹性模量也随之提高，而且塑性变形能力也大大加强，当紧箍力大到一定程度，混凝土的应力应变曲线甚至可能出现无下降段的现象，塑性变形能力将达到相当大的程度。综上所述，用作受压构件的钢管混凝土由于钢管对混凝土的紧固作用使砼的抗压强度7大大提高，而且还使混凝土的脆性向塑性转化，基本性能起了较大的变化；同时薄壁钢管的承载力取决于薄壁的局部稳定，屈服强度常得不到充分的利用，用作钢管混凝土时，内部存在混凝土，提高了薄壁钢管的局部稳定性，其屈服强度可得到充分的