姜寶鳳 姜新新 梁 晨

(山東科技大學(xué)土木與建筑學(xué)院)

我國鋼管混凝土的發(fā)展概述

姜寶鳳 姜新新 梁 晨

(山東科技大學(xué)土木與建筑學(xué)院)

從1980年，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)開始逐漸出現(xiàn)在建筑工程中，且其應(yīng)用價值越來越受到重視，因此，國內(nèi)外學(xué)者對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究，同時為方便規(guī)范化施工，也為其制定了相關(guān)規(guī)范，這也就促進(jìn)了鋼管混凝土的快速發(fā)展。本文首先對鋼管混凝土的發(fā)展歷程和國內(nèi)外研究進(jìn)行了簡單介紹，其次對鋼管混凝土的分類和結(jié)構(gòu)優(yōu)點進(jìn)行詳細(xì)的闡述，最后探討鋼管混凝土的應(yīng)用和發(fā)展前景。

鋼管混凝土；研究現(xiàn)狀；結(jié)構(gòu)分類；結(jié)構(gòu)優(yōu)點；發(fā)展方向

引言

鋼管混凝土就是利用鋼管和混凝土在受力時結(jié)構(gòu)反應(yīng)可以互補的特點，將素混凝土灌入鋼管而制成的。組成的鋼管混凝土既可有效降低鋼材失穩(wěn)破壞的概率，又可有效的避免混凝土受力過程中發(fā)生的脆性破壞，使組合材料既繼承了鋼材的強度高、延性好的特點有具備混凝土抗壓強度高、經(jīng)濟(jì)性好的特點。這是因為二者組合以后，鋼管對混凝土有約束作用，對其的作用類似于套箍，可在其承受荷載時增加混凝土的強度、塑性與韌性；而混凝土在鋼管內(nèi)部可以使鋼管的局部以及整體的穩(wěn)定性得到很大程度的提高，同時可降低用鋼量，從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性原則。鋼管混凝土的組合實現(xiàn)二中材料力的共生，達(dá)到了組合結(jié)構(gòu)的強度大于單獨兩種結(jié)構(gòu)強度疊加的效果，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)組合后一加一大于二的目的。

1.鋼管混凝土發(fā)展概況

1.1 國外發(fā)展概況

國外關(guān)于鋼管混凝土的研究始于1897美國的John Lally在圓鋼管填充混凝土作為房屋建筑的承重柱，至今已有 100多年的歷史，以后陸續(xù)有單層多層廠房中的承重柱采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，以及一些拱橋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，至 1939年Gvozdez 教授利用極限平衡方法分析得到鋼管混凝土短柱的極限承載力。到 1960年，北美、蘇聯(lián)、日本等國開始重視鋼管混凝土的研究與應(yīng)用，這些國家開展了關(guān)于鋼管混凝土性能的大量實驗研究。

國外對于鋼管混凝土受力性能的研究始于1960年，而日本在一次地震中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中使用鋼管混凝土的部分表現(xiàn)出更加良好的抗震性能，在北美、蘇聯(lián)等一些發(fā)達(dá)國家進(jìn)行的試驗研究中證明了鋼管混凝土還具有施工簡單、施工周期短、勞動力需求量小等優(yōu)點。鋼管混凝土在單層、多層廠房以及拱橋、大跨結(jié)構(gòu)中應(yīng)用也越來越廣泛，在研究的過程中制定了許多關(guān)于鋼管混凝土的規(guī)范規(guī)程，其中包括美國制定的ACI318和AISC設(shè)計規(guī)程等等。

1.2 國內(nèi)發(fā)展概況

我國是自1950年開始進(jìn)行鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的研究，該研究方向由中國地震局工程力學(xué)研究所牽頭進(jìn)行，后續(xù)的北京地下鐵道工程局、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位和高校也紛紛開展了關(guān)于鋼管混凝土的研究工作。至1980年，鋼管混凝土被列入國家科學(xué)發(fā)展規(guī)劃，我國關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)形成了一個體系，并在國內(nèi)的建筑行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。而蔡紹懷等專家也進(jìn)行了鋼管混凝土力學(xué)性能的研究，對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的承載能力、穩(wěn)定性等力學(xué)性能的計算都提出了自己的計算理論。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，我國制定了相關(guān)規(guī)范來規(guī)范施工設(shè)計過程，如《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)計算規(guī)范》等。

2.鋼管混凝土的分類

由于鋼管外形以及鋼管與混凝土的組合方式有多種，所以根據(jù)不同的分類方式有以下種類的鋼管混凝土：

第一，根據(jù)受力狀態(tài)不同分類，當(dāng)鋼管混凝土中的鋼管與混凝土在承載的初期是以一個整體的形式共同受力，我們可以將之稱為鋼管混凝土；當(dāng)在整個結(jié)構(gòu)的受力過程中鋼管只是對內(nèi)部的混凝土起一個約束作用但二者不共同承力時，稱為鋼管套箍混凝土。

第二，按鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的截面形式的不同可將鋼管混凝土分為圓形、矩形、多邊形的鋼管混凝土。

第三，根據(jù)混凝土中配置鋼筋狀況的不同對其進(jìn)行分類，未配置鋼筋的稱為鋼管混凝土；配置少量鋼筋的稱為鋼管配筋混凝土；核心混凝土中配置型鋼的稱為鋼管型鋼混凝土；外部鋼管是大鋼管套小鋼管形式的混凝土稱為復(fù)式鋼管混凝土。

第四，根據(jù)混凝土部分空心情況分類，混凝土部分是實心的稱為鋼管混凝土；核心混凝土部分存在空心的稱為離心鋼管混凝土；兩層鋼管之間灌注混凝土的稱為中空夾層鋼管混凝土。

第五，依據(jù)混凝土的振搗情況不同進(jìn)行分類，灌注的核心混凝土采用自密實混凝土?xí)r，灌注后無需振搗，便于施工，稱為鋼管自密實混凝土；當(dāng)核心混凝土是用普通混凝土澆筑是就是鋼管混凝土。

第六，依據(jù)含鋼量多少進(jìn)行分類，當(dāng)鋼管混凝土中的外徑與鋼管厚度的比值在20到100之間的為鋼管混凝土；當(dāng)比值大于100時則稱為薄壁鋼管混凝土。

3.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

3.1 高承載力

單一的鋼管在受荷載作用時容易發(fā)生失穩(wěn)破壞嚴(yán)重影響其承載力發(fā)揮，當(dāng)在鋼管中灌注上混凝土?xí)r，形成一個新結(jié)構(gòu)體系：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土基本構(gòu)件在承受軸向壓力時，鋼管混凝土外部的鋼管可以對核心混凝土起到約束的作用，阻止核心混凝土發(fā)生橫向的變形，使其處于三向受壓的受力狀態(tài)，同時也在混凝土發(fā)生縱向裂縫時，延緩裂縫的開展速度；而內(nèi)部的混凝土對外部的鋼管也起到支撐的作用，可以延遲甚至避免外部鋼管過早發(fā)生局部屈曲失穩(wěn)而喪失承載力。在整個結(jié)構(gòu)中鋼管與混凝土充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，短處互補實現(xiàn)材料承載性能疊加后的一加一大于二。

3.2 良好的塑性、韌性

塑性的定義是某一材料自屈服到失去承載力能力過程中發(fā)生變形的能力；韌性的定義是材料在發(fā)生變形或者斷裂的過程中吸收能量的能力，若材料的韌性越好則越不易發(fā)生脆性斷裂。鋼管混凝土因為鋼管的約束改善了內(nèi)部混凝土性能，使其組合后具有更好的塑性變形能力，也具有良好的韌性，韌性好可在發(fā)生地震時更多的吸收地震能，因此鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

3.3 其它優(yōu)點

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比更便于施工，外部鋼管可直接作為澆筑混凝土?xí)r的模板，免去了支模板拆模板的步驟；鋼管混凝土中的鋼管可直接代替鋼筋骨架，比鋼筋骨架更加的省工省料且加工簡便。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與全鋼結(jié)構(gòu)相比具有更好的防火抗火性，其核心填充的混凝土可減緩或避免發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)中剛才受熱變軟失去承載能力的現(xiàn)象。

4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及發(fā)展前景

4.1 鋼管混凝土應(yīng)用于柱子

在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，有許多柱子為達(dá)到強度高、穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)效果好、節(jié)約空間的目的而采用鋼管混凝土柱子的，鋼管混凝土柱是通過在鋼管中注入混凝土而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，如1963年建成使用的北京地鐵車站的站臺柱等。

4.2 鋼管混凝土應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土由于其良好的承載性能被應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)中，可代替原有的鋼結(jié)構(gòu)同時具有更高的承載力和穩(wěn)定性。如蘇聯(lián)在1830年建造的跨度達(dá)140米的鐵路拱橋，該大跨度的拱橋的上下弦桿采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，在保證其承載力的前提下，節(jié)省了 52%的鋼材，整體結(jié)構(gòu)造價下降了兩成。而將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鐵路隧道以及公路隧道的建設(shè)中，是一個前沿的研究方向，將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于隧道支護(hù)中，既可以節(jié)省材料降低造價，又可以充分發(fā)揮材料強度提高其后期承載力避免全鋼結(jié)構(gòu)因失穩(wěn)而不能發(fā)揮出其承載能力現(xiàn)象的發(fā)生。

此外，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)還在很多方面得到廣泛的應(yīng)用。如在多高層建筑中，若采用單一的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來建設(shè)可能不能滿足承載力要求，而當(dāng)承載力滿足要求時，整個建筑的可使用的空間被大大減少了；采用全鋼結(jié)構(gòu)時造價高，且由于鋼材耐熱性能差，對其后期的護(hù)理仍需投入大量資金。而采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來建造，可以增大建筑空間，加快施工速度，降低整個工程的造價。

綜上所述，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其高承載力、良好的穩(wěn)定性、低造價、方便的施工具有廣泛的發(fā)展前景，在各種建筑中的應(yīng)用越來越普遍，會成為未來建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要方向之一。

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