二級結構工程師考試輔導：鋼管混凝土結構知識

1、級結構工程師考試輔導：鋼管混凝匕結構知識近20年來，鋼管混凝土結構逐漸被應用于建筑結構尤其是在高層建筑結構中，隨著 建筑物高度的增加，鋼管高強混凝土和鋼管超高強混凝土結構的應用也將會得到快速的發(fā)展。一般的，我們把混凝土強度等級在C50以下的鋼管混凝土稱為普通鋼管混凝土；混凝土強度等級在C50以上的鋼管混凝土稱為鋼管高強混凝土；混凝土強度等級在C100以上 的鋼管混凝土稱為鋼管超高強混凝土。鋼管混凝土結構是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型組合結構。由于鋼管混凝土 結構能夠更有效地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點，同時克服了鋼管結構容易發(fā)生 局部屈曲的缺點。近年來，隨著理論研究的深入和新施工工

2、藝的產(chǎn)生，工程應用日益廣泛。鋼管混凝土結構按照截面形式的不同可以分為矩形鋼管混凝土結構、圓鋼管混凝土結構和 多邊形鋼管混凝土結構等，其中矩形鋼管混凝土結構和圓鋼管混凝土結構應用較廣。1. 鋼管混凝土結構的特點眾所周知，混凝土的抗壓強度高。但抗彎能力很弱，而鋼材，特別是型鋼的抗彎能力 強，具有良好的彈塑性，但在受壓時容易失穩(wěn)而喪失軸向抗壓能力。而鋼管混凝土在結構 上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點結合在一起，可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，其抗壓強度可成倍提高。同時由于混凝土的存在，提高了鋼管的剛度，兩者共同發(fā)揮作用，從而大大地提高了承載 能力。鋼管混凝土作為一種新興的組合結構，主要以軸心受壓和作用力偏心較小的受壓

3、構 件為主，被廣泛使用于框架結構中（如廠房和高層）。鋼管混凝土結構的迅速發(fā)展是由于 它具有良好的受力性能和施工性能，具體表現(xiàn)為以下幾個方面:1.1 承載力高、延性好，抗震性能優(yōu)越鋼管混凝土柱中，鋼管對其內(nèi)部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高 了混凝土的抗壓強度；鋼管內(nèi)部的混凝土又可以有效地防止鋼管發(fā)生局部屈曲。研究表明, 鋼管混凝土柱的承載力高于相應的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。鋼管和混凝土之 間的相互作用使鋼管內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，構件的延性性能明顯 改善，耗能能力大大提高，具有優(yōu)越的抗震性能。塑性是指在靜載作用下的塑性變形能力。鋼管混凝土短柱軸心受壓試

4、臉表明，試件壓 縮到原長的 2/3 ，縱向應變達 30%以上時，試件仍有承載力。剝?nèi)ヤ摴芎?，?nèi)部混凝土雖5%的承載力，用錘敲擊后才粉已有很大的鼓凸褶皺，但仍保持完整，并未松散，且仍有約 碎脫落?？拐鹦阅苁侵冈趧雍奢d或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在這方面，鋼 管混凝土構件要比鋼筋混凝土構件強得多。在壓彎反復荷載作用下，彎矩曲率滯回曲線表 明，結構的吸能性能特別好，無剛度退化，且無下降段，和不喪失局部穩(wěn)定性的鋼柱相同， 但在一些建筑中，鋼柱常常要采用很厚的鋼板以確保局部穩(wěn)定性。但還常發(fā)生塑性彎曲后 喪失局部穩(wěn)定。因此，鋼管混凝土柱的抗震性能也優(yōu)于鋼柱。1.2 施工方便，工期大大縮短鋼管混凝

5、土結構施工時，鋼管可以做為勁性骨架承擔施工階段的施工荷載和結構重量， 施工不受混凝土養(yǎng)護時間的影響；由于鋼管混凝土內(nèi)部沒有鋼筋，便于混凝土的澆注和搗 實；鋼管混凝土結構施工時，不需要模板，既節(jié)省了支模、拆模的材料和人工費用，也節(jié) 省了時間。1.3 有利于鋼管的抗火和防火由于鋼管內(nèi)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，減慢鋼柱的升溫速度，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。組合梁的耐火能力也會提高，因為鋼梁的溫度3 小時要會從頂部翼緣把熱量傳遞給混凝土而降低。經(jīng)實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：達到一級耐火 求和鋼柱相比可

6、節(jié)約防火涂料 1/3 一 2/3 甚至更多，隨著鋼管直徑增大，節(jié)約涂料也越多。1.4 耐腐蝕性能優(yōu)于鋼結構鋼管中澆注混凝土使鋼管的外露面積減少，受外界氣體腐蝕面積比鋼結構少得多，抗 腐和防腐所需費用也比鋼結構節(jié)省。鋼管混凝土構件的截面形式對鋼管混凝土結構的受力 性能、施工難易程度、施工工期和工程造價都有很大的影響。圓鋼管混凝土受壓構件借助 于圓鋼管對其內(nèi)部混凝土有效的約束作用，使鋼管內(nèi)部的混凝土處于三向受壓狀態(tài)，使混 凝土具有更高的抗壓強度。但是圓鋼管混凝土結構的施工難度大，施工成本較高。相比之 下，方鋼管混凝土結構的施工較為方便，但鋼管混凝土受到的約束作用較小，結構的承載 力較低。1.5 施

7、工方面鋼管混凝土柱的零件較少，焊縫少，構造簡單，柱腳常采用在棍凝土基礎上預留杯口 的插人式柱腳，因而工廠制造比較簡單，同時構件自重較小，運輸和吊裝也較易，施工很40m以內(nèi)，無論工廠焊簡便，而且鋼管餛凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在 接和現(xiàn)場進行對接，都沒有什么困難。同時，與鑰筋混凝土柱相比，鋼管混凝土柱的外皮 鋼管具有鋼筋的功能，兼有縱向鋼筋和橫向箍筋的作用，所以管內(nèi)沒鋼筋，省了鋼筋下料 和綁扎鋼筋等一系列工藝，又由于柱外皮鋼管本身就是耐側(cè)壓的模板，同時也省了支模和 拆模等工序。近年來，泵送磚相當普遍，現(xiàn)場澆灌并無困難，我國創(chuàng)造并廣泛使用的高位 拋落不振搗混凝土的施工方法，更簡化了現(xiàn)

8、場灌混凝土的工序，簡便了施工。也有在管柱 下部開臨時澆灌孔，用混凝土泵自下而上灌注混凝土的方法，既快，又保證澆灌質(zhì)量。而 且，在澆筑后，鋼管內(nèi)處于相當穩(wěn)定的濕度條件，水分不易蒸發(fā)，省去澆水養(yǎng)護工序，簡 化了混凝土的養(yǎng)護工藝。在鋼管構件的制作、安裝要求方面：鋼管混凝土柱用的鋼管，焊接、制作要求較高。般應優(yōu)先采用螺旋焊管，無螺旋焊接管時，也可以用滾床自行卷制鋼管，但卷管的方向 應與鋼板壓延方向垂直且對管的內(nèi)徑有一定的要求。焊接時除一般鋼結構的制作要求外要 嚴格保證管的平、直，不得有翹曲、表面銹蝕和沖擊痕跡。特別是它對鋼管內(nèi)壁的除銹要 求。可能會增加鋼管的制作周期；在構件制作過程中，鋼管的對接是一個

9、難點。結構要 求焊后的管肢要平直，這就需要在焊接時采取相應的措施和特別注意焊接的順序以及考慮 到焊接變形的影響。管肢對接焊接前，對于小直徑鋼管應采用點焊定位。對于大直徑鋼管 應另用附加鋼筋焊于鋼管外壁作臨時固定聯(lián)焊。在鋼管對接焊過程中，如發(fā)現(xiàn)點焊定位處 的焊縫出現(xiàn)微裂縫，則該微裂縫部位必須全部鏟除重焊。為了確保聯(lián)接處的焊縫質(zhì)量，在 現(xiàn)場拼接時，在管內(nèi)接縫處必須設置附加襯管。對于格構式柱要求往的肢管和各種腹桿的 組裝連接尺寸和角度必須準確。特別是腹桿與肢管聯(lián)接處的間隙，應采用自動切管機按照 相接面管的直徑和角度切割成空間相交曲線的管端。如無自動切割機時應按板金展開圖進 行放樣切割。在高層建筑中常

10、常采用變徑的鋼管，變徑管的對接就又是一個施工難點，變 徑處節(jié)點構造較為復雜，無疑會影響到施工的進度。2. 鋼管混凝土結構的研究現(xiàn)狀60 年20 世紀 60 年代之前，鋼管混凝土結構的研究對象主要是圓鋼管混凝土結構。從 代后半期以后，開始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結構。目前，圓鋼管混凝土結構的研 究已經(jīng)取得了豐碩的成果，很多國家制定了相應的設計和施工規(guī)范或規(guī)程，如歐洲標準EC4( XXXX、德國標準 DIN18800 (XXXX、美國標準 ACI319 89、SSLC (XXXX 和 LRFDXXXX 、日本標準 AIJ （XXXX，XXXX 。在我國，鋼管混凝土結構的研究主要集中在圓 鋼管中

11、填充素混凝土的內(nèi)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。XXXX年以后，中國建筑科學研究院、冶金部冶金建筑科學研究院等單位 也先后對鋼管混凝土基本構件的工作性能、設計方法、節(jié)點構造和施工技術等方面展開了 系統(tǒng)的研究。進入 80 年代后，研究工作進一步深入，通過大量的試驗研究和理論分析， 對構件的承載力和變形性能及其影響因素進行了全面的研究，得到了實用的設計計算公式。與此同時，鋼管混凝土結構的施工技術也在迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出很多新的施工工藝和施工方 法，鋼管混凝土結構的優(yōu)勢得到了更加充分的發(fā)揮。近十幾年來，我國鋼管混凝土結構的 科學研究和工程應用都取得了令人矚目的成

12、就。目前已經(jīng)先后有國家建材局、中國工程建 設標準化委員會、國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會和解放軍總后勤部頒布發(fā)行了有關鋼管混凝土結構 的設計規(guī)程。為鋼管混凝土結構在我國的推廣奠定了堅實的基礎，使鋼管混凝土結構廣泛 應用于各種大型建筑工程和交通運輸工程中。鋼管混凝土結構的應用在近十年的時間里得到了飛速的發(fā)展。我國對于矩形鋼管混凝土結構的研究工作開展得較晚，XXXX年鄭州工學院開始進行方鋼管混凝土軸壓短柱的研究，其后同濟大學等單位也進行了方鋼管混凝土構件的研究，取 得了一定的成果，而我國的矩形鋼管混凝土結構的設計施工規(guī)程尚在制定中。3. 鋼管混凝土結構的工程應用早在 19 世紀 80 年代，鋼管混凝土結構就已

13、經(jīng)出現(xiàn)。例如， 1879 年英國賽文（ severn 鐵路橋的建造中采用了鋼管橋墩，在鋼管中灌了混凝土以防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。前蘇 聯(lián)烏拉爾的伊謝特鐵路橋采用鋼管混凝土構件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子，省鋼 25%.XXXX年比利時建造船塢時，采用鋼管混凝土構件做桁架的壓桿和立柱，比鋼結構節(jié)省 鋼材 40%.法國巴黎居民區(qū)的第一座摩天大樓采用了鋼管混凝土框架柱，比鋼結構節(jié)省鋼材 40%.前蘇聯(lián)在一些吊車棧橋（跨度達 48m 中采用鋼管混凝土結構，比全鋼結構節(jié)省鋼材 12% 28%，降低造價 28%，比鋼筋混凝土結構省鋼 9%，降低造價 56%.日本、瑞士等國在輸 電跨越塔中采用了鋼管混凝

14、土結構，也都取得了顯著的經(jīng)濟效益。在 20 世紀 60 年代以前，由于鋼管內(nèi)澆注混凝土的施工工藝尚未得到很好的解決，現(xiàn) 場的施工操作顯得繁瑣，鋼管混凝土結構在施工性能方面的優(yōu)勢沒有得到應有的發(fā)揮。到 80 年代后期，由于泵送混凝土工藝的發(fā)展，解決了現(xiàn)場鋼管內(nèi)部澆灌混凝土的工藝問題， 加上現(xiàn)代高強混凝土需要用鋼管約束來克服其脆性。因此，鋼管混凝土結構在美國和澳大 利亞等國的高層建筑中得到了廣泛應用，被認為是高層建造技術的一次重大突破。我國鋼管混凝土結構技術的開發(fā)和應用已有近40年的歷史。XXXX年鋼管混凝土結構 應用于北京地鐵車站工程， 70年代又在單層工業(yè)廠房、重型構架中得到了成功的應用。近

15、10 年來，隨著國家經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，鋼管混凝土結構在我國的高層建筑工程、地鐵車站工 程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成效地應用，推動了建造技術的發(fā)展。在我國，鋼管混 凝土結構主要應用于以下的領域中。3.1 高層建筑工程在高層建筑結構中，鋼管混凝土柱具有很大的優(yōu)勢：具有承載力高，抗震性能好的特 點，既可以取代鋼筋混凝土柱，解決高層建筑結構中普通鋼筋混凝土結構底部的“胖柱” 問題和高強鋼筋混凝土結構中柱的脆性破壞問題；也可以取代鋼結構體系中的鋼柱，以減 少鋼材用量，提高結構的抗側(cè)移剛度。鋼管混凝土構件的自重較輕，可以減小基礎的負擔， 降低基礎的造價。全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“

16、半逆作法”進 行施工，從而加快施工進度；鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小，取材容易、價格低。其耐腐 蝕和防火性能也優(yōu)于鋼柱。鋼管混凝土柱不易倒塌，即使損壞，修復和加固也比較容易。3.2 大跨度橋梁工程隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，需要建造能夠跨越江河、海灣和山谷的，安全、經(jīng)濟且輕盈美 觀的大跨度橋梁。在我國，鋼管混凝土已經(jīng)被廣泛地應用于拱橋結構中，也開始應用于斜 拉橋結構中。在拱橋結構中，鋼管混凝土構件主要用來承受軸向壓力。拱橋的跨度很大時，拱肋將 承受很大的軸向壓力，采用鋼管混凝土構件是非常合理的。另外，鋼管可以做為橋梁安裝 架設階段的勁性骨架和灌注混凝土的模板。因此，鋼管混凝土被認為是建造大跨度拱橋的一種

17、比較理想的復合結構材料。自XXXX年在四川省旺蒼縣建成跨度為115米的我國第一 座鋼管混凝土拱橋以來，在 10 來年的時間里，我國已經(jīng)建成了 100 多座鋼管混凝土拱橋， 其中跨度在 100米以上的就有 30 多座，尤其是重慶市萬縣長江公路大橋，跨度達到 420 米，一跨過江。經(jīng)過多年的實踐，我國在鋼管混凝土拱橋建設上已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗， 形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術。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(jīng)濟效 益。例如，廣東南海市紫洞大橋、湖北秭歸縣向家壩大橋和四川萬縣萬洲大橋都采用了鋼 管混凝土空間桁架組合梁式結構，減輕了結構恒載，提了結構承

18、載力利用系數(shù)，同時采用 與之相適應的、合理的施工工藝，簡化了施工程序，減少了施工設備，加快了施工進度， 降低了工程造價。在對廣東南海市紫洞大橋主橋進行了技術經(jīng)濟分析，主橋采用鋼管混凝 土空間桁架組合梁式結構與采用預應力混凝土連續(xù)鋼結構方案相比較，可以節(jié)省混凝土 44%，節(jié)省預應力鋼材 62%，增加普通鋼材 23%.加上施工設備、臨時設施和施工工期等方 面的因素，主橋的經(jīng)濟效益就更為可觀。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(jīng)濟效益和社會效益。3.3 地鐵車站工程地鐵車站是我國最早采用鋼管混凝土結構的

19、工程項目。早期的地鐵車站是深埋地下的 多跨結構，用明挖法施工；采用鋼管混凝土柱主要是利用其承載力高的特點，以減小柱子 的截面尺寸，有效地利用空間。近年來，在城市中心地區(qū)修建的地鐵車站多為淺埋式的、 具有綜合功能的多層地下建筑。采用蓋挖逆作法施工，以盡量減少對城市正常生活的干擾 以及對地面交通和鄰近建筑的影響。蓋挖逆作法，是先施工地下結構的頂蓋，在頂蓋的保 護下進行開挖，按照從頂?shù)降椎捻樞蜻M行施工。為此，必須在土方開挖前設置好頂蓋的中 間支撐柱，鋼管混凝土柱將施工階段的臨時柱和結構的永久柱合二為一，因此是的選擇。90 年代以來，北京地鐵的復八線工程中，采用蓋挖逆作法建成了“天安門東站”、“大北

20、窯站”和“永安里站”;在建中的南京地鐵的“三山街站”也是采用的蓋挖逆作法進行施 工。3.4 單層和多層工業(yè)廠房柱單層工業(yè)廠房的柱屬于偏心受壓構件，為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結構的特點，很多工 程中的柱子設計成格構式組合柱，如雙肢柱、三肢柱和四肢柱，把偏心彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S心力。XXXX年建成的太原如XXXX年建成的本溪鋼鐵公司二煉鋼軋輥鋼錠模車間采用了四肢柱;鋼鐵公司第一軋鋼廠第二小型廠的下柱采用雙肢柱；XXXX年建成的吉林種籽處理車間采用 了三肢柱；XXXX年建成的武昌造船廠船體結構車間采用了四肢柱。與鋼筋混凝土柱和普通 鋼柱相比，鋼管混凝土組合柱顯得特別輕巧，節(jié)約鋼材，施工簡便，同時剛度好。單層工 業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱時，鋼管中混凝土的澆注可以在全部主體結構安裝完成后進行， 所以大大縮短了工期。如 XXXX年建成的哈爾濱建成機械廠大容器車間，從破土動工到竣 工只用了 15.5 個月；同年該廠又建成了容罐式汽車車間，主體結構的施工僅用了半年時 間。80 年代初，我國開始在多層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱。多層工業(yè)廠房柱基本為偏心受壓單管柱