钢管混凝土的应用和发展

钢管混凝土的应用和发展摘要由于钢管混凝土具有承载力高,耐腐蚀,便于施工等一系列优点,它在土木工程中的应用越来越广泛,尤其在桥梁工程中的应用也越来越引起人们的兴趣与重视。本文就钢管混凝土的工作原理、计算理论、钢管混凝土的主要优缺点以及一些新型钢管混凝土结构做了简要的论述。关键词钢管混凝土；新型钢管混凝土结构；应用；发展近1个多世纪以来,钢管混凝土这种组合材料的研究不断深入,施工工艺大幅度改进,钢管混凝土在全世界范围内在房建、桥梁等工程中得到了大量的应用。据不完全统计,从1990年到1994年间已建和再建的钢管混凝土拱桥达20多座[1],到1997年已达40多座[2],到1998年则已达60多座,到目前为止,跨度不等的钢管混凝土拱桥已有200多座。1钢管混凝土的工作原理钢管混凝土,英文简称CFST。它是约束混凝土的一种特例，是将高强混凝土灌入薄壁圆钢管内而形成的组合结构材料,利用在一般的工作状态下,2种不同力学性能的材料产生相互作用,即紧箍力来协调工作。这里以工程中使用最多的也是最最典型的圆形钢管混凝土短柱为例来介绍钢管混凝土的工作原理,如图1(b)所示。据有关文献介绍[3],钢材在弹性工作阶段,泊松比μs变化很小,在0.25～0.3之间,可以认为是常数。取μs=0.283;而混凝土的泊松比μc在受力过程中是不断变化的。由低应力状态下的0.167左右逐渐增大到0.5,当接近破坏阶段时,由于混凝土内部纵向微裂缝的发展,将超过0.5。对于钢管混凝土而言,在轴压力的作用下,μc逐渐增大,并且迅速地超过钢材的泊松比μs。当μs=μc时,钢管和混凝土的径向变形一致,相互间没有紧箍力存在;当μsμc,钢管限制了混凝土的径向变形,根据变形协调关系,相互间产生紧箍力;当μsμc时,此时钢管已进入塑性屈服阶段,相互间作用力只剩下粘结力。由于紧箍力的存在,使得钢管与混凝土处于三向受力状态,见图1(a)。混凝土在图1钢管混凝土三向受力状态三向压应力作用下,其工作性能发生了质的变化,不但提高了承载力,而且还增大了其极限压应变;在轴心压力作用下,薄壁钢管的承载力是极不稳定的,实验证明,钢管实际承载力往往是理论计算值的1P3～1P5。当在钢管内浇筑混凝土并达到一定强度后,混凝土保证了薄壁钢管的局部稳定,反过来,钢管又约束混凝土的径向变形,使它处于三向受压应力状态,延缓了受压时的纵向开裂,从而提高了钢管混凝土构件的承载力。因此,钢管混凝土作为一种组合材料,具有独特的工作特性:弹性工作而塑性破坏,承载力高而极限压缩变形大。其应力应变关系近似于钢材的性能。2新型钢管混凝土结构由于钢管混凝土优越的性能，这些年钢管混凝土得到了飞速的法展，钢管混凝土结构得到了不断的丰富和改进，许多新型钢管混凝土结构不断涌现。例如：薄壁钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、FRP-混凝土-钢管组合柱、FRP约束钢管混凝土、钢管混凝土曲杆、钢管再生混凝土、钢管高性能混凝土等。在曲线形空钢管内浇筑混凝土可形成钢管混凝土曲杆。与传统的直线形钢管混凝土类似,其同样可利用钢管和混凝土在受力过程中的相互作用,从而具有较高强度以及抗弯和抗变形能力。由于钢管混凝土曲杆外形美观,性能优越,因而在体育馆、机场航站楼、拱桥等大型结构中有着较为广阔的应用前景。近年来，由于环保力度的加强，再生混凝土作为一种环保的再生资源再国内外得到了大量的研究和应用。将再生混凝土灌入钢管形成钢管再生混凝土之后,使再生混凝土处于钢管的约束和保护之下,二者同样也存在相互作用。钢管再生混凝土结构可促进再生混凝土在土木建筑结构中的应用和发展,为废弃混凝土资源化提供一条有效的途径。高性能混凝土(指高流态自密实混凝土)很适合在钢管混凝土结构中应用,其在自重或少振捣的情况下就能自密实成形,对方便钢管混凝土的施工,保工程质量具有重要意义。钢管混凝土是推广和应用高强超高强混凝土最佳的结构形式之一。研究结果表明,钢管高性能混凝土的力学性能与钢管普通混凝土类似钢管普通混凝土结构的设计方法基本适用于钢管性能混凝土结构。此外,在钢管中还可灌注钢纤维混凝土、轻骨料混凝土等,但由于其与普通混凝土学性能的显著差异,导致将其灌入钢管所形成的组合构件的力学性能与钢管普通混凝土也存在较大异。目前对钢管高性能混凝土的研究已经比较深入,但对其他核心混凝土的钢管混凝土研究得还比较少。3钢管混凝土的主要优点及问题钢管混凝土最初是使用在房建的立柱上。因为其承载能力高特别是抗压强度大的特点可以大大地减少结构的尺寸增加房屋的使用空间以及满足视觉美观的要求。但真正使这一结构形式大放光芒的还是在桥梁上，特别是钢管混凝土拱桥。3.1钢管混凝土的优点(1)核心混凝土处于三轴受压状态大大提高了混凝土的抗压强度。因此其承载能力大。钢管混凝土利用内填混凝土增强管壁的稳定性（单一的钢结构形式很容易局部失稳）,又利用钢管对核心混凝土的套箍作用,使钢管混凝土的优越性能得到充分发挥,具有很高的抗压强度和抗变形能力,非常适合以受压为主的立柱和以偏心受压为主的拱桥。（2）施工快捷。施工时,钢管充当很好的模板,无需额外的脚手架和模板,又起到劲性骨架的作用。另一方面,桥梁基坑开挖、基础与混凝土浇筑、钢管加工、吊杆制作、横梁和桥面板预制可同时进行,模块化程度高,节省了施工工期,与同等跨径的其它体系桥梁相比,可节省工期30%以上。（3）经济效益好。有研究统计数据：①钢管混凝土柱比相同混凝土强度的钢筋混凝土柱节约混凝土50%以上,耗钢量略多或相等。与普通钢柱相比,钢管混凝土柱可节约钢材50%以上,造价也可降低。②混凝土的强度越高,钢筋混凝土的造价越低,60钢筋混凝土的造价比40钢筋混凝土的造价降低15.2%。③钢管超高强混凝土的造价比C60钢筋混凝土的造价降低28.8%；比C40钢筋混凝土的造价降低36.7%。④混凝土强度越高,其钢管混凝土的造价越低在钢管壁厚和钢材强度相同的前提下,混凝土强度为116MPa的钢管超高强混凝土的造价比30MPa、54MPa、83MPa的钢管混凝土分别降低了30.3%、18.7%和11.5%,横截面积分别减小了54.9%、38.8%、21.5%。3.2钢管混凝土目前主要存在的问题尽管钢管混凝土发展很快,但是其设计理论,计算方法,规范制定等方面却比较落后,具体体现在以下几个方面:钢管混凝土的本构关系。由于钢管混凝土力学行为的复杂性,迄今尚未建立起比较完善的本构关系,特别是混凝土的本构关系,现有的本构关系虽然包括混凝土的弹性、弹塑性和屈服阶段,但大都以回归公式为主。钢管与混凝土各自的本构关系如何选取,才能使二者的结合最优,缺乏研究。(2)由于核心混凝土的收缩,钢管混凝土拱肋中出现钢管与混凝土不密贴的现象。尤其是在拱顶。工程中常采用压浆或微膨胀混凝土来解决混凝土的收缩。但微膨胀混凝土的效果也缺乏细致的研究。此外,有人认为在日照下钢管与混凝土会受到温差的影响而出现空隙,以致使套箍力的发挥在工程界存在质疑。对于这个问题目前还缺乏深入的研究。(3)钢管混凝土的有限元计算理论缺乏统一性。基于现有的资料,未呈见过各种计算理论的比较。现有的计算模型有熊峰的钢管混凝土结构的矩阵位移法[7],严志刚的3节点钢管混凝土梁单元[8],Hajjar建立的三维钢管混凝土单元[9],王小岗提出的三维退化层合曲梁单元[10]等。这些模型各有优缺点。(4)钢管混凝土桁架节点与柔性吊杆的疲劳问题,研究不够深入。(5)设计规范。随着钢管混凝土拱桥的不断发展,对其专门规范的制定要求更加迫切。当前存在于设计、制作、施工之间的并影响到业主、监理判断和裁定的一些不协调问题,既需要理论上的支持,实践中的检验,更需要规范的量定。4钢管混凝土的计算理论自从发现套箍混凝土比一般结构的混凝土承载能力有较大提高以来,国内外均开展了对这方面的系统研究,取得了丰硕的成果,出版、发表了大量的专著、论文,钢管混凝土则是其中比较突出的一种。尽管如此,目前对钢管混凝土仍存在许多不同的观点,理论研究仍不完善,如钢管混凝土本构关系,特别是处于三向受压状态的核心混凝土本构关系。即使是最基本的钢管混凝土短柱试件,如钢管混凝土短柱的长细比值,钢管的纵向应变与核心混凝土的纵向应变不协调一致等尚未取得一致看法[3][4]。钢管混凝土结构力学性能的研究方法很多[3][4],主要区别在于如何估算钢管和核心混凝土之间的相互约束而产生的“效应”,从而比较真实地反映钢管混凝土结构实际的承载力。根据对钢管混凝土组合结构理解的不同,目前主要有2种分析方法:一种认为钢管混凝土是由钢管和混凝土2种不同材料组成的组合结构[4],考虑钢管对混凝土的套箍作用,利用极限平衡原理导出相应的计算公式,该方法的优点在于避开了复杂的弹塑性阶段,无需确定材料的本构关系,直接根据结构处于极限状态时的平衡条件计算出极限状态的荷载数值。由于钢管混凝土结构的受力路径非常复杂,所以导出的公式大多数是半理论半经验的;另一种认为钢管混凝土是一个结构,通过测定钢管和混凝土准确的本构关系,利用屈服准则,采用增量法逐步计算出钢管混凝土结构的荷载-位移曲线,在此基础上确定各种力学指标,公式以回归居多。因为在本构关系中已经考虑了套箍效应,故其力学指标中也已经包含了套箍效应的影响。上述理论已分别为国内有些部委所采纳,并编制了相应的规范或规程。5钢管混凝土在我国工程中的应用实例随着钢管混凝土研究的不断深入，钢管混凝土在实际工程中的应用范围也在不断扩大，涉及了高层建筑，桥梁工程等许多领域。5.1高层建筑在高层建筑中使用钢管混凝土柱有其特殊的优点。用钢管混凝土柱代替普通钢筋混凝土柱，可使柱截面大大缩小，提高抗震性能，方便施工；利用钢管混凝土柱代替钢结构中的钢柱，可以减少用钢量，加强结构刚度。广州的好世界广场大厦（33层，图2a），新中国大厦（54层，图2b），合银大厦（62层，图2c），深圳的赛格广场(72层，图2d）等大型高层建筑，都以不同形式采用钢管混凝土柱，部分还将其构成内框筒或用于逆作法建造多层地下室，在经济及技术上都取得不错的效果。图2采用钢管混凝土柱的高层建筑5.2桥梁结构钢管混凝土技术不仅应用于高层建筑结构，它在桥梁建设发面也发挥出了优势。钢管混凝土是高强轻质且便于施工的高效结构材料，它突出的优点解决了桥梁结构所要求的用料省、安装重量轻、施工简便、承载力大等诸多矛盾。钢管混凝土已被公认为建造大跨度拱桥的一种比较理想的结构材料。最著名的四川万县长江大桥，为劲性骨架钢管混凝土下承式拱桥，设计桥长814米，桥拱净跨420米，桥面距江面高140米，单孔跨江，无水下基础，跨度雄居世界同类桥梁首位。主拱圈采用钢管与劲性骨架组合的钢筋混凝土箱形截面，采用缆索吊装和悬臂扣挂的方法施工。桥宽24m，按正线高速公路四车道设计。还有正在建的重庆巫峡长江大桥(中承式肋拱),主跨达到460m,将再次刷新拱桥跨度的世界纪录。如下表列出了部分钢管混凝土拱桥简表。表格1部分钢管混凝土拱桥汇总参考文献[1]罗世勋,谢邦珠.当代四川公路桥梁(续集1987～1995)[M].成都:四川科学技术出版社,19961[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥发展综述[J].桥梁建设,1997,(2):8-121[3]钟善桐.钢管混凝土结构(第3版)[M].北京:清华大学出版社,20031[4]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出[5]蔡绍怀．我国钢管混凝土结构技术的最新进展，土木工程学报，1999[6]肖建庄,孙振平,李佳彬,等.废弃混凝土破碎及再生工艺研究.建筑技术,2005,36(2):141-144[7]熊峰,等.钢管混凝土拱结构计算的矩阵位移法[J].西南交通大学学报,2002,(5):480-4831[8]严志刚,王德军,盛洪飞.钢管混凝土三维非线性梁单元的研究与应用[J].哈尔滨工业大学学报,2003,(3):334-3371[9]HAJJARJF,SCHILLERPH.MOLODANA.Adistribut2edplasticitymodelforconcretefilledsteeltubebeam-col2umnwithinterl