1、鋼管混凝土的應用與發展、概述隨著我國經濟水平的不斷提高和城市建設的飛速發展，高層建 筑如雨后春筍般不斷涌現，超高層建筑也不乏其間。傳統的鋼筋混 凝土結構由于受軸壓比及抗震性能等不利條件的限制，難以在大荷 載、大跨度等條件下實現高層建筑的功能多樣化，更達不到建筑產 業發展方向所要求的節地、節能等重要指標，已經不適應高層建筑 發展的需要。近年來，國內較多地采用了鋼管混凝土結構Concrete Filled Steel Tubular Structure ）作為高層建筑 的一種主要結構形式。鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構件 ,按截面形式不同 ,可分為圓鋼管混凝土 ,方、矩形鋼管混凝土和多

2、邊形鋼管混凝土等,其中矩形鋼管混凝土和圓鋼管混凝土應用較廣。鋼管混凝土利 用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用 ,即鋼管對核心混凝土的約束作用 ,使混凝土處于三向受壓狀態 ,混凝土的強度得以提高,塑性和韌性得到改善 ,同時克服了鋼管容易發生局部屈曲的缺點。此外 ,在鋼管混凝土的施工過程中 ,鋼管還可以作為澆筑核心混凝土的模板 ,與鋼筋混凝土相比 ,可節省模板費用 ,加快施工速度。總之 ,通過鋼管和混凝土組合成為鋼管混凝土 ,不僅可以彌補兩種材料各自的缺點 ,而且能夠充分發揮二者的優點。近年來 ,隨著理論研究的深入和新施工工藝的產生 ,工程應用日益廣泛。二、鋼管混凝土結構的特點1）承載力

3、高鋼管混凝土構件受壓時 ,由于產生緊箍效應 ,核心混凝土三向受壓,強度大大提高 ,鋼管延緩和避免了過早發生局部屈曲。兩種材料互相彌補了彼此的缺點 ,充分發揮了彼此的長處 ,從而使鋼管混凝土具有較高的承載力 ,一般都高于組成鋼管混凝土的鋼管和核心混凝土單獨承載力之和。2）塑性和韌性好混凝土的脆性較大 ,但核心混凝土在鋼管的約束下 ,不但在使用階段改善了其彈性性質 ,而且在破壞時具有很大的塑性變形。由于鋼管混凝土具有良好的塑性和韌性 ,因而抗震性能好。3）施工方便與鋼筋混凝土相比 ,采用鋼管混凝土構件不用綁扎鋼筋、支模、拆模等工序 ,施工簡便。與預制鋼筋混凝土相比 ,鋼管混凝土不需要構件預制現場。

4、與鋼結構相比 ,鋼管混凝土構造簡單 ,焊縫少 ,易于制作。與普通鋼構件相比 ,鋼管混凝土的柱腳零件少 ,焊縫短 ,可以直接插入混凝土基礎的預留杯口中 ,使柱腳的構造更簡單。4）耐火性能好由于鋼管內填有混凝土 ,能吸收大量的熱能 ,因此遭受火災時管柱截面溫度場的分布很不均勻 ,增加了柱子的耐火時間 ,減慢鋼柱的升溫時間 ,并且一旦鋼柱屈服 ,混凝土可以承受大部分的軸向荷載 ,防止結構倒塌。5）經濟效益好鋼管混凝土可以很好地發揮鋼材和混凝土兩種材料的特性和潛 力,使其優點得到更充分和合理的發揮 ,因此采用鋼管混凝土一般都具有很好的經濟效益。工程表明 :與鋼結構相比 ,節約鋼材 50 % ,并能減少

5、焊接費用 ,降低結構總體造價。與鋼筋混凝土相比 ,無需模板 ,節約混凝土 50 %以上,減輕結構自重 50 %以上,減小鋼筋混凝土柱尺寸60 % 70 %，增加使用面積3 % 5 %。三、鋼管混凝土的應用鋼管混凝土結構作為一種新興學科 ,發展前景廣闊。在高層建筑結構中 ,鋼管混凝土柱具有很強的相容性 ,它既可在混凝土結構體系中因時因地制宜地取代部分鋼筋混凝土柱 ,以解決高層建筑底部的胖柱 ”問題和鋼筋高強混凝土柱的脆性破壞問題 ;也可在鋼結構體系中取代鋼柱 ,以減少鋼材用量和減輕風致振動等。在大跨橋梁建設中 ,鋼管混凝土這種高強輕質便于施工的高效結構材料 ,單位重量的承載力與鋼材相近 ,甚至可

6、能比鋼材還要強 ,其鋼管兼具安裝架設階段的勁性骨架、灌注混凝土階段的模板和鋼筋、 以及運營階段對核心混凝土的套箍約束等多種功能 ,較全面地解決了橋梁結構所要求的用料省、安裝重量輕、施工方便、承載能力大等 諸多矛盾 ,是建造大跨度拱橋的一種比較理想的結構材料。鋼管混凝土能適應現代工程結構向大跨、高聳、重載發展和承 受惡劣條件的需要 ,符合現代施工技術的工業化要求 ,正被越來越廣泛地用于工業廠房、高層和超高層建筑、橋梁和地下等結構中 ,取得了良好的經濟效益和建筑效果 ,已成為結構工程科學的一個重要發展方向。四、鋼管混凝土結構的發展現狀在國外,1907年美國的Lally公司首次給出了鋼管混凝土的承

7、載力公式，A1A1 Gvozdev教授闡述了鋼管套箍混凝土的工作機理，采用極限平衡法推導了鋼管混凝土軸壓短柱極限承載力的理論計算 公式。20世紀60年代前后 ,鋼管混凝土技術在蘇聯、西歐、北美、日本等國家受到重視 ,并對其力學性能和設計方法進行大量試驗研究和理論分析 ,取得豐碩成果。對于鋼管混凝土構件編制了多種規范如歐洲規范EC4 (1994)、英國標準委員會：BS5400(1979)、德國標準委員會:DIN18800 (1997)、美國混凝土協會：ACI318 - 99 (1999)、美國鋼結構協會:SSLC(1979)和LRFD (1997)、日本標準AIJ (1980 ,1997) 等。

8、在我國鋼管混凝土的研究主要集中在圓鋼管中填充素混凝土的 內填型圓鋼管混凝土結構 ,最早開展研究工作的是原中國科學院哈爾濱土建研究所。通過許多學者多年的研究積累 ,已制定了相應的設計規范:中國工程建設標準化協會標準鋼管混凝土結構設計與施工規 程(CECS28 :2012)、中華人民共和國經濟貿易委員會鋼-混凝土組合結構設計規程 (DL/T5085 -1999) 等。目前 ,鋼-混凝土組合結構已被列入國家科技成果重點推廣項目 ,為進一步在實際工程中推廣應用鋼管混凝土結構創造了條件。我國鋼管混凝土結構技術的開發和應用已有近 40年的歷史。1966年鋼管混凝土結構應用于北京地鐵站工程 ,20世紀70年

9、代在單層工業廠房、重型構架中得到了成功的應用。近 10年來 ,鋼管混凝土結構在我國高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中 得到了卓有成效的應用 ,推動了建造技術的發展。在我國 ,鋼管混凝土結構主要應用于以下領域中。1）高層和超高層建筑工程將鋼管混凝土結構應用到高層、超高層建筑中可節約建筑材料 增加使用空間。鋼管混凝土結構自 20世紀 80年代末開始被逐漸應用于高層建筑中 ,僅十年 ,從局部柱子采用鋼管混凝土發展到大部分柱子采用 ,又發展到全部柱子采用 ,由在近百米高度的高層建筑中被采用發展到被近三百米高度的超高層建筑所采用 ,發展前途廣闊。2）大跨度橋梁工程在拱橋結構中 ,鋼管混凝土構件

10、主要用來承受軸向壓力。拱橋的跨度很大時 ,拱肋承受很大的軸向壓力 ,采用鋼管混凝土構件非常合理 ;鋼管還可以作為橋梁安裝架設階段的勁性骨架和灌注混凝土的模板。近年來 ,在斜拉橋和梁式橋中也開始采用鋼管混凝土結構 ,同樣取得了良好的經濟效益。鋼管混凝土空間桁架組合梁式結構適用于多種 橋型,如系桿拱橋結構、特大跨徑斜拉橋結構、特大跨徑懸索橋結構 等,推廣其應用必將帶來顯著的經濟效益和社會效益。3）其他工程鋼管混凝土在其他工程中應用最多的是單層和多層工業廠房柱、 高爐構架柱、鍋爐構架柱、送變電構架柱、地鐵站臺柱、桁架壓桿 等。五、鋼管混凝土結構的研究展望綜上所述 ,鋼管混凝土結構的研究與應用已取得較

11、大的成就 ,但在有些方面的研究上還比較薄弱 ,要在實際工程中廣泛應用這種結構 ,尚有很多工作要做。1）動力性能的研究目前,對鋼管混凝土動力性能的研究主要集中在試驗研究階段 且大都只能從滯回性能定性地得出鋼管混凝土抗震性能好的結論 ,缺乏相應的理論推導 ,尚未形成可供規范使用的計算理論和設計公式。尤其對結構進入彈塑性后的動力特性 （如阻尼比等的變化規律 ）、結構的耐疲勞性能、鋼管混凝土組合柱的動力特性及基于性能的鋼管 混凝土抗震設計方法等的研究幾乎沒有。為了合理且安全地在地震 區推廣這類結構 ,必須深入進行其動力特性的研究 ,尤其對于高層結構。2）構造要求為滿足構造的合理性、工程的實踐性 ,避免截面配置不合理 ,材料強度匹配出現問題 ,防止局部失穩 ,設計矩形鋼管混凝土構件必須滿足截面尺寸及高寬比、鋼管壁寬厚比、管內混凝土受壓的工作承 擔系數等方面