钢管砼(本科)

1组合结构CompositeStructure（本科教程）教学多媒体课件系列－《组合结构》版权所有：2006.2华南理工大学土木工程系华南理工大学土木工程系杨春2007年3月2第四部分钢管混凝土结构3内容提要一、钢管砼的特点及应用概况二、钢管砼的基本工作性能及构件设计方法概述三、钢管混凝土柱节点构造四、典型工程实例介绍4一、钢管混凝土的特点及应用概况1.钢管砼的应用历史2.钢管砼的基本特点3.钢管砼在拱桥中应用的优点及实例4.钢管砼在高层建筑中应用的优点及实例51.钢管混凝土的应用历史钢管混凝土的形式钢管混凝土一般采用圆钢管，在特殊情况下也采用方钢管或异型钢管。除了在一些特殊结构当中有采用钢筋混凝土的情况之外，混凝土一般为素混凝土。6应用历史早在十九世纪八十年代就出现了钢管混凝土结构，最初用作桥墩，然后渐渐地用作建筑物中的柱子。在我国，六十年代开始了这种结构的研究，并首先用于首都地铁工程中。北京站至苹果园的地铁线路上，在北京站和前门站的站台工程中首次试用，经济效果很好。从七十年代开始，在工业厂房、高炉和锅炉构架及变电和输电塔架等工程中，钢管混凝土得到了推广应用。工业厂房中采用钢管混凝土柱的有本钢、鞍钢、首钢及近几年宝钢工程中的大量重工业厂房，还有各地的造船厂和火力发电厂等，厂房跨度最大的L=54m，柱高达6070m，，桥式吊车最大的为Q=l00t重级工作制吊车。72.钢管混凝土的基本特点承载力大大提高试验和理论分析证明，钢管混凝土受压构件的强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和的1.72.0倍。8具有良好的塑性和抗震性能在钢管混凝土构件轴压试验中，试件压缩到原长的2/3，构件表面已褶曲，但仍有一定的承载力，可见塑性非常好。钢管混凝土构件在压弯剪循环荷载作用下，水平力P与位移之间的滞回曲线十分饱满，表明有很好的吸能能力，基本无刚度退化，它的抗震性能大大优于钢筋混凝土。91011经济效果显著和钢柱相比，可节约钢材50%，降低造价45%；和钢筋混凝土柱相比，可节约混凝土约70%，减少自重约70%，节省模板100%，而用钢量约略相等或略多。12施工简单，可大大缩短工期和钢柱相比，零件少，焊缝少，且柱脚构造简单，可直接插入混凝土基础预留的杯口中，免去了复杂的柱脚构造；和钢筋混凝土柱相比，免除了装模、绑扎钢筋和拆模等工作；由于自重的减轻，还简化了运输和吊装等工作。133.钢管砼在拱桥中应用的优点及实例钢管混凝土在拱桥中应用的优点（1）空钢管组成的拱圈可以承受施工阶段的荷载，但重量比钢筋混凝土拱轻很多。因此，采用转体施工法时，可以增大拱桥跨度。由于桥跨的增大，减少了桥墩，经济效果显著。（2）采用泵送浇灌管内混凝土远比浇灌钢筋混凝土拱简便得多，且易保证质量。14151617181920钢管混凝土在拱桥中应用的实例（1）四川旺苍县东河大桥是第一座采用钢管混凝土的公路拱桥，91年5月建成通车，净跨l15m主拱圈为中距1.2米的亚铃式双管截面，2800x10mm，内灌C30混凝土，二管间用两块l0mm钢板相连，间距400mm。拱圈面外的稳定由800空钢管的横撑来保证，该桥的主拱圈分三段用缆索吊吊装拼接成拱，然后由拱脚处开孔，泵送浇灌混凝土(拱顶预留孔排气)，浇灌后，将所开孔补上。21（2）江西德兴铜矿跨越乐安河的刚架拱桥采用转体法施工。单孔净跨130米，双车道，桥宽9米。主拱圈、次拱腿及上弦均由两条箱形截面的拱肋组成。主拱圈由钢管混凝土上弦、角钢腹杆和钢筋混凝土底板组成的箱形拱。施工时，先在岸边组装好四片钢管混凝土骨架，通过现浇的钢筋混凝土底板组成两个钢-混凝土杆系空间拱结构，在两拱间安装横撑和斜撑，形成稳定的双拱体系，张拉设在拱顶和桥台背墙上的拉杆钢筋，使背墙和空间体形成整体，然后转体。22当两岸各半跨主拱合拢后，浇灌上弦管内混凝土，再挂上模板，将主拱浇筑成箱形截面，把斜腹杆和钢管混凝土上弦分别包在混凝土内，形成主拱圈，然后按常规方法施工次拱腿和桥面。此法大幅度降低了转动体系的重量，计1900t，比转体同跨径薄壁钢筋混凝土、开口箱形拱的重量减少50%以上。它的平衡混凝土背墙重量基本上与相同高度的桥台混凝土量相当，而所增加的钢管混凝土骨架费用仅相当于间跨径无平衡重转体设备措施费用的1/31/2，节省的费用在10万元以上。23（3）四川万县420米跨的长江大桥是多拱圈的上承式拱桥，采用了空钢管拱圈转体施工法，经济效果很好。（4）西安市钢管混凝土人行过街桥跨度100米，中承式，十分美丽壮观。（5）广州丫髻沙大桥1999年10月24日合龙的全长1084m的丫髻沙大桥是广州市东南西环高速公路跨越珠江的一座采用新技术、新材料、新结构、新工艺的大桥，主跨360m，采用平转转体施工工艺，转体每侧重量13680吨。244.钢管砼在高层建筑中应用的优点及实例钢管混凝土在高层建筑中应用的优点（1）钢管砼柱的抗压、抗剪及抗扭承载力高（2）抗压承载力高扩大了建筑使用空间（3）柱子截面减小对结构抗震有利（4）柱子截面减小，降低了地基基础的造价（5）钢管混凝土柱的钢管较薄，简化了施工（6）钢管混凝土柱的耐火性能优于钢柱（7）可安全可靠地采用高强度混凝土25（1）钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高钢管混凝土柱的抗压承载力比同截面的钢筋混凝土柱的承载力高一倍以上，同时抗剪承载力也高，性能好，防止了管内混凝土的脆性破坏。和钢柱相比，抗压承载力虽较低，但无局部失稳问题。用于高层建筑时可不限制轴压比，仅控制长细比，和钢筋混凝土性相比，截面可以减小60%以上。采用钢管混凝土柱要比钢筋混凝土柱的截面小，由此可节约混凝土60%70%，如以常见的含钢率8%10%计算，钢管混凝土柱折算成钢筋混凝土时的含钢率约为3%左右，后者还需配箍筋。因此，采用钢管混凝土柱的用钢量不会比钢筋混凝上柱多；和钢柱相比，采用钢管混凝土柱时，节约钢材可达50%，造价也降低45%左右。26（2）抗压承载力高扩大了建筑使用空间钢管混凝土柱的承载力高，不但柱子截面较小，而且可以采用大柱网、大空间的框架结构体系。高层和超高层建筑，裙房常为商店营业之用，而高层部分则常为写字楼或旅店客房。采用大柱网将取得很大的经济效果。柱子截面的减小，还直接增加了室内的有效使用空间。经分析，高层建筑采用钢管混凝土柱后，可增加使用面积3%6%。27（3）柱子截面减小对结构抗震有利柱子自重减小，地震作用引起的地震反应将减小，结构内力减小。经分析，高层建筑采用全钢结构时，结构自重要比采用钢筋混凝土时，减小1/31/2，地震作用约可减小一半，相当于设防烈度下降一度。28（4）柱子截面减小，降低了地基基础的造价和采用钢筋混凝上结构相比，采用钢管混凝土柱时柱子自重减小，这就减轻了地基承受的荷载，降低了地基工程的造价。29（5）钢管混凝土柱的钢管较薄，简化了施工高层建筑和超高层建筑中采用钢管混凝土柱时，钢管厚度一般不超过40mm，远比钢结构柱子的厚度小;后者需要钢板厚度达80130mm，甚至可能更大。这样厚的钢板，目前国内产品的质量尚难保证，需由国外进口。同时厚的钢板制作和对接焊接对质量的要求也很高。特别是现场柱段对接焊接时，相当困难，有时成为阻碍现场施工进度的一个复杂工序。30（6）钢管混凝土柱的耐火性能优于钢柱钢管混凝土柱由于管内有混凝土，能吸收大量热能，因此遭受火灾时，管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，经研究分析和计算，并经实验验证，为了达到一级耐火三小时的要求，和钢柱相比，可节约防火涂料1/22/3甚至更多。随着钢管直径的增大，节约涂料也越多。31（7）可安全可靠地采用高强度混凝土混凝土的强度越高，其脆性也就越严重，为了克服高强混凝土脆性大的弱点，办法是加强箍筋，使高强混凝土在压力作用下，由于箍筋的约束，使核心混凝上三向受压。从而，既防止了高强混凝土的脆性爆裂，又提高了混凝土的抗压承载力，使高强度混凝土的强度得以充分发挥。为了防止高强混凝土(指C60及以上混凝土)的脆性破坏，箍筋率将高达20%以上。这样大的箍筋率将造成截面箍筋密布，构造复杂，且增大了施工的复杂性。如果采用钢管混凝土，不但构造简捷，施工方便，而且能达到彻底防止高强混凝土脆性破坏的目的，同时也并不多费钢材。32钢管混凝土的施工特点和优点（1）与钢筋砼柱相比，采用钢管砼柱没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简单。浇灌砼可以采用泵送混凝土或高抛施工方法，简单并易保证质量。（2）与钢构件相比，钢管砼构件的构造简单，焊缝少，钢材材质要求不高，厚度较薄，易焊接。（3）可以采用逆做法及立体施工方法，可以大大缩短施工周期，提高综合经济效益。33钢管混凝土在高层建筑中应用的实例（1）福建省泉州市邮电局大楼概况：第一个局部柱子采用钢管混凝土的高层建筑。地下1层，地上15层，高87.5米，采用框剪结构体系，下图为建筑物的2层平面图。建筑物中部高层部分的地下1层和地上2层营业大厅共3层的8根大柱。34由于建筑需要限制了柱子截面尺寸，因而采用了钢管混凝土柱。柱子截面为d800x10mm，Q235钢材，C30混凝土，工程于1992年建成。节点：梁为现浇混凝土梁，钢管混凝土柱与现浇混凝土梁节点采用较为保守的穿心倒牛腿承重销的形式，节点虽然可靠，但使用钢材较多，且影响钢管内混凝土的浇灌，目前很少采用这种形式。对比：8根钢管混凝土柱d800x10mm，长10m，用混凝土4.78m3，包括节点共用钢材2.34t。如用普通钢筋混凝土柱，轴压比控制为0.85时，柱截面尺寸为1100x1100方柱，用混凝土12.1m3，钢筋2.63t。两者比较，采用钢管混凝土节约混凝土60%，节约钢材10%；柱子截面面积还减小60%。35（2）福建南安邮局大厦36（3）福建厦门阜康大厦框筒结构体系，地下2层，地上25层，高86.5米。地下2层到地上12层采用了钢管混凝土柱，柱子截面为d1000x10mm，Q235钢材，C35混凝土。采用承重销节点。于1994年竣工。37（4）北京世界金融中心大厦概况：地下3层，地上33层，高156米。塔楼部分的8根柱子，由地下-14.0m到地上63.2m，总长77.2m，采用了钢管混凝土柱，d1400x25mm，Q345钢材。工程于1998年竣工。下图为正在施工中的北京世界金融中心大厦。38节点：梁柱节点分两大类—钢筋混凝土十字形大梁与钢管混凝土柱的铰接节点和其他各楼层处的梁柱刚性节点。比较：如果将d1400x25mm的钢管混凝土柱改为钢筋混凝土柱，截面将为2.2x2.2m。39（5）深圳市邮电信息枢纽中心大厦地下3层，主楼48层，高180米，副楼22层，裙房8层。建筑总面积共18万m2，工程于1998年竣工。结构采用框筒结构体系，钢管混凝土柱与钢筋混凝土现浇梁板组成框架，内筒为现浇钢筋混凝土筒。最大管径为d1400x20mm。40（6）福建厦门金源大厦框筒结构体系，地下2层，地上28层，高96.1米，建筑面积为32690m2。从地下到地上20层的28根柱子和21层到28层的4根角柱，全部采用钢管混凝土柱。节点采用承重销节点。柱子截面为d800x（812）mm，C40混凝土，采用半逆作法施工，于1997年竣工。右图为施工过程中及封顶时的情况。41（7）天津今晚报大厦概况：地下2层，地上38层，高137米，建筑面积为8.2万m2，结构为框筒结构体系，于1997年初竣工。右图为建成时的建筑外貌。共有16根钢管混凝土柱，钢管直径为1020mm630mm，厚度为14mm8mm，Q345钢材，C60C35混凝土。42对比：底部柱最大轴心压力为35000KN，最大截面102012mm，由下而上改变5次管径和厚度及混凝土强度等级。如设计为钢筋混凝土柱，最大截面为1.4m1.4m，采用钢管混凝土柱减少了58%截面。钢筋混凝土柱耗钢294kg/m，而钢管混凝土柱的耗钢量为289kg/m，二者大致相等。在地下室车库中，柱子间距8.4m，采用钢筋混凝土柱时，柱间净距为7.0m，停放不下3辆汽车；采用钢管混凝土柱后，柱间净距为7.38m