浅谈钢管混凝土结构的应用与优缺点r

李俊峰

(包钢(集团)公司设计院,内蒙古 包头 014010)

摘 要:简单介绍了钢管混凝土结构的兴起和发展;列举实例阐述了该种结构形式的广泛用途;从钢管混凝土短试件承受轴心压力作用的实验结果简单剖析了钢管混凝土柱最基本的受力特性;并针对该种结构的特点从承载力、抗震性能、经济效果、构造做法以及施工的难易程度等方面与钢结构和钢筋混凝土结构进行了详细的比较,通过分析有关资料及大量的统计数据阐述了钢管混凝土运用在具体工程中所体现出的优、缺点。

关键词:钢管混凝土柱;核心混凝土;塑性;抗震性能;经济效果;承载力;连接构造

中图分类号:TU392 3 文献标识码:B 文章编号:1009-5438(2001)03-0092-04

1 钢管混凝土的发展与应用

钢管混凝土做为一种结构构件形式早在十九世纪八十年代就已经被人类设计应用。起初仅仅是用做桥墩,然后随着科学技术水平的提高使它的应用范围得到了很大的扩展。

在国外,1939年建成的前苏联 !∀河铁路拱桥,跨度140m,矢高21 9m,拱架上、下弦之间的距离为6m,上、下弦杆均采用了钢管混凝土结构[1]。1966年建成的英国Almondsbury四层立交桥,最高部分达19 8m,它的桥墩和支柱也采用了钢管混凝土结构[1]。达到了建筑美观和保持最佳视野的效果。19年在建现位于美国西雅图的美国太平洋第一中心大厦,建筑层数44层,它的核心筒就是由8根 2.3m的粗钢管组成,管内填充了圆柱体强度为124MPa的高强混凝土。同是西雅图的美国双联广场大厦58层,核心筒也采用了4根直径3m的钢管混凝土柱组成[1]。

在国内,二十世纪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。七十年代以后,在许多工业厂房,高炉和锅炉构架以及输、变电塔架中均得到了广泛应用。特别是工业厂房,钢铁企业的本钢、鞍钢、首钢、宝钢、包钢等许多重工业厂房都采用了钢管混凝土结构。在一些厂房跨度很大,柱子很高,吊车起重量较大的结构中,钢管砼的优越性就表现的更为明显。大连造船厂船体装配车间柱顶标高25 4m,跨度2 36+42m的毗连三跨,双层吊车起重量分别为上层Q =100/20t,轨面标高21m,下层Q=12/5t,轨面标高12m 各二台。主厂房采用了结构式钢管混凝土排架结构,取得了明显的经济效果。湖北荆门市热电厂的锅炉构架高达50m,是迄今为止采用钢管混凝土柱最大的锅炉构架。葛洲坝至华东的500kv高压输电线塔柱也采用了钢管混凝土结构。江西德兴铜矿的万吨矿石贮仓,内径22m,高42m,包括矿石总重16000t,采用了16根钢管混凝土柱支承。这是一个在重荷结构中使用钢管混凝土的良好实例。随着时代的发展,科技的进步,钢管混凝土结构在公路、城市拱桥以及高层建筑中都得到了广泛应用。在近十几年的时间里国内已建和在建的钢管混凝土拱桥已达50~60座之多。1997年10月建成的四川万江大桥跨度达到了420m[2],这在桥梁史上也是少见的。据桥梁工程师们预测,采用钢管混凝土拱桥结构,单孔跨度有望达到500~600m。采用钢管混凝土柱建成的高层建筑也近二十座之多,其中最高的深圳赛格广场大厦地下四层,地上七十层,高度为278 8m,建筑面积达到了160000m2。是迄今为止全部采用钢管混凝土柱世界最高建筑。

第27卷第3期2001年9月

包 钢 科 技

Science&Technology of Baotou Steel(Group)Corporation

Vol.27,No.3

September,2001

收稿日期:2000-11-13

作者简介:李俊峰(1968-)男,山西省忻州市人,1990年毕业于西安冶金建筑学院工民建专业,工民建工程师,工学学士,现从事土建设计工作。

2 钢管混凝土结构的优、缺点

要研究钢管混凝土的优、缺点。我们不妨从它的受力特点谈起。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。据有关专家的大量实验表明如图1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 1S = S 3S , 1C = C 3C (式中的 3, 1分别为纵向、环向应变, 为材料的泊松比,角标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 3S = 3C 。钢材的泊松 S 在弹性阶段为一常数(0 283),进入塑性阶段(应力达屈服点fy 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 S > C ,故 1S > 1C 但 C 在很快赶上 S 则 S = C ,而 1S = 1C ,随后 C > S , 1C > 1S 。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 钢管混凝土在普通结构中应用的优点2 1 1 承载力大大提高

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的1 7~2 0倍。

2 1 2 具有良好的塑性和抗震性能

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,抗震性能大大优越于钢筋混凝土结构。2 1 3 经济效果显著

据有关数据表明,和钢柱相比可节约钢材50%左右,造价大幅度降低。和钢筋砼柱相比可节约混

凝土70%左右,减轻自重70%,节省模板100%,而

用钢量相等或略多。这一点在已建成的诸多建筑中得到了充分证明,前苏联的 !b 河铁路桥与钢拱桥相比节约钢材52%,降低造价20%。大连造船厂船体装配车间采用钢管混凝柱与常规设计钢柱相比,节省钢材56%。美国双联广场大厦比通常的钢框架结构节省钢材50%,总造价降低30%。2 1 4 施工简单,可以大大缩短工期

美国太平洋第一中心大厦建设速度达到了每周四层,速度之快是其它结构无法相比的。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。从施工过程讲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。在北方严寒地区,还可以冬季安装空钢管组成的框架或构架。开春后再浇灌混凝土,从而争取了时间,加快了建设速度。

图1 试件轴压时的内力状态

2 2 钢管混凝土在高层建筑中应用的优点在高层建筑中,与钢筋混凝土和钢结构相比钢管砼的优越性显得更为突出。

2 2 1 钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高

经实验证明,抗压承载力为混凝土柱的一倍以上,同时抗剪承载力也比钢筋砼柱高许多。和钢柱相比,抗压承载力虽略低,但却无局部失稳问题。而且钢管混凝土的塑性性能好,防止了管内砼的脆性破坏。在

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第3期 浅谈钢管混凝土结构的应用与优缺点

2 2 2 扩大了使用空间

由于钢管混凝土柱的承载力高,不但柱子截面小,而且还可以采用大柱网,大空间的框架结构体系。经有关专家测算在高层建筑中采用钢管混凝土柱比采用钢筋混凝土结构增加使用面积3%~6%,以深圳赛格广场大厦为例,总建筑面积16万平方米,按5%计算就可以增加使用面积8000平方米,相当于多建出一个中型写字楼。

2 2

3 柱子截面减小对结构抗震有利

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。具有关资料分析,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。做为搞结构的人都明白这将意味着结构构件截面的再进一步减小。

2 2 4 柱子截面减小,降低了地基基础的造价

采用钢筋混凝土的高层建筑,其自重一般为1 5t/m2~2t/m2(不包括基础)而采用钢管混凝土柱钢梁结构时,一般自重都小于1t/m2,在国外,有低达0 5t/m2~0 6t/m2的例子。显然,和采用钢筋混凝土结构相比,采用钢管混凝土柱可以减小地基上单位面积荷载25%以上,自然,基础尺寸也相应减少,降低了基础工程造价。

2 2 5 钢管混凝土柱的钢管较薄,简化了施工

在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,而采用钢结构时,需要的钢板厚度可达80~100m m甚至更大。这样的厚板,目前国内的产品质量保证率很低,大部分需要国外进口。同时对厚板制作和对接焊接质量要求也很高,特别是现场进行柱段对接焊接相当困难,有时可能成为阻碍现场施工进度的一个复杂工序。

2 2 6 钢管砼柱的耐火性能好

由于钢管内灌有混凝土,能吸收大量的热能,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。经实验统计数据表明:达到一级耐火三小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/2~2/3甚至更多,随着钢管直径增大,节约涂料也越多。

2 2 7 可安全可靠地采用高强度混凝土

近几看来,C60混凝土的应用已较为普遍,C70和C80甚至更高标号的混凝土也已能生产投入使用。据有关专家介绍为了防止高强混凝土构件(指C60以上的混凝土)的脆性破坏,箍筋率高达20%以上,这样大的箍筋率将造成截面箍筋密布,构造十分复杂,增加了施工的难度。用钢管混凝土,不但构造简捷,施工方便且能达到防止高强混凝土脆性破坏的目的;能够真正发挥高强混凝土的作用,同时并不多费钢材。

2 3 钢管混凝土结构的缺点

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 3 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 3 2 从结构构件的连接构造上讲,钢管混凝土结构也有许多缺点

(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,又会或多或少地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。

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2 3 3 从钢管构件的制作、安装要求讲也是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,也可以用滚床自行卷制钢管,但卷管的方向应与钢板压延方向垂直且对管的内径有一定的要求。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。

(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,在现场拼接时,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。如无自动切割机时应按板金展开图进行放样切割。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 3 4 从质量检查及施工方法上讲,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)从混凝土浇灌方面讲。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。这或许会比普通钢筋砼结构施工更需要管理。

3 结论

综上所述,我们不难发现尽管钢管混凝土结构在许多方面还存在着这样那样的弊端和问题,但是它的优点大大多于缺点,确实是其它结构形式所不及的。随着科技水平的不断提高及新材料的出现,我相信钢管混凝土的弊端会被进一步改善,优点充分体现出来,成为一种更完善的结构形式。

参 考 文 献

[1] 周起敬,姜维山,潘泰华 钢与混凝土组合结

构设计施工手册[M] 北京:中国建筑工业出

版社,1991 12

[2] 钟善桐 钢管混凝土结构讲座[J] 建筑结构,

1998,(10):55~59

On application of steel pipe concrete structure and its merits and fau lts

LI Jun -f eng

(Design Institute o f Baotou Steel (Group )Corporation,Baotou 014010,China)

Abstract:A brief introduction is given on rise,development and wide utilization of steel tube concrete structure.The test re -sult of short parts ax ial pressure shows the basic stress property of colu mn.This structure is compared with steel structure and ce -men t structure from aspects of bearing capacity ,anti-earthquake,economic benefi t,manufacture method and construction.Some advantages and disadvantages of it are also presented on much relative i nformation and lots of statistics.

Key words:steel tube concrete column;cement core;plastici ty;earthquake-resis tance property;economic effect;bearing capacity;joint structure

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