鋼管混凝土的力學(xué)性能及工程應(yīng)用

1、鋼管混凝土的力學(xué)性能及工程應(yīng)用目 錄（一）概述（二）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（三）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)（四）工程實(shí)例中的應(yīng)用（五）鋼管混凝土的脫空現(xiàn)象（六）主要存在的問(wèn)題（七）結(jié)束語(yǔ)首先的問(wèn)題是個(gè)人對(duì)鋼管混凝土的認(rèn)識(shí)，只有深入地了解它，才能更好地應(yīng)用它（一）概述 混凝土的抗壓強(qiáng)度高，抗彎能力差；而鋼材尤其是型鋼，抗彎能力強(qiáng)，有良好的彈塑性，但容易失穩(wěn)。 而鋼管混凝土在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)烧叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，可使混凝土處于受壓狀態(tài)，且抗壓強(qiáng)度顯著提高，同時(shí)可以提高鋼管的剛度。兩者結(jié)合，從而可大大的提高承載能力。 （二）鋼管混凝土的特點(diǎn)承載力高、延性好，抗震性能優(yōu)越施工方便，工期短有利于鋼管的抗火和防火耐

2、腐蝕性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力比常規(guī)結(jié)構(gòu)顯著提高，各方面的抗彎，抗剪能力強(qiáng)圓鋼管鋼骨砼柱示意圖鋼管混凝土核心柱示意圖（三）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)1.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)承載力大大提高 經(jīng)有關(guān)專家實(shí)驗(yàn)和理論分析證明鋼管混凝土受壓構(gòu)件強(qiáng)度承載力可以達(dá)到鋼管和混凝土單獨(dú)承載力之和的1720倍。具有良好的塑性和抗震性能 據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：鋼管混凝土軸向壓縮到原長(zhǎng)的23，構(gòu)件表面已摺曲，但仍有一定的承載能力?？梢娝苄灾谩Ｔ趬簭澕粞h(huán)荷載作用下，水平力與位移之間的滯回曲線十分飽滿，吸能能力很好，基本無(wú)剛度退化 抗震性能大大優(yōu)越于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)濟(jì)效果顯著據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，和鋼柱相比可節(jié)約鋼材

3、50左右，造價(jià)大幅度降低。和鋼筋砼柱相比可節(jié)約混凝土70左右，減輕自重70，節(jié)省模板100 ，而用鋼量相等或略多。這一點(diǎn)在已建成的諸多建筑中得到了充分證明，前蘇聯(lián)的Heerb河鐵路橋與鋼拱橋相比節(jié)約鋼材52，降低造價(jià)2o。大連造船廠船體裝配車間采用鋼管混凝柱與常規(guī)設(shè)計(jì)鋼柱相比，節(jié)省鋼材56。美國(guó)雙聯(lián)廣場(chǎng)大廈比通常的鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材50 ，總造價(jià)降低30。施工相對(duì)簡(jiǎn)單，可大大縮短工期 美國(guó)太平洋第一中心大廈建設(shè)速度達(dá)到了每周四層，速度之快是其它結(jié)構(gòu)無(wú)法相比的。該種結(jié)構(gòu)形式和鋼結(jié)構(gòu)相比零件少，焊縫短，可以采用構(gòu)造簡(jiǎn)單的插入式柱腳，免去了復(fù)雜的柱腳構(gòu)造。和鋼筋混凝土柱相比，由于鋼管本身就是耐側(cè)壓的

4、模板，因此在澆灌混凝土?xí)r可以免去支模、拆模等工和料。鋼管還是“鋼筋”，它兼有混凝土柱中縱向受拉、受壓鋼筋和橫向箍筋之作用。從施工過(guò)程講制作鋼管遠(yuǎn)比制作鋼筋骨架省工得多，而且便于澆灌。鋼管本身就是勁性結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在施工階段可以起勁性鋼骨架的作用，節(jié)省了許多支撐構(gòu)件和腳手架，簡(jiǎn)化了施工安裝工藝。在北方嚴(yán)寒地區(qū)，還可以冬季安裝空鋼管組成的框架或構(gòu)架。開春后再澆灌混凝土從而爭(zhēng)取了時(shí)間，加快了建設(shè)速度。在高層建筑中，與鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)相比鋼管混凝土的優(yōu)越性顯得更為突出。 鋼管混凝土柱的抗壓和抗剪承載力高 截面減小擴(kuò)大了使用空間 截面減小對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利 柱子截面減小，降低了地基基礎(chǔ)的造價(jià) 鋼管混凝土柱的鋼

5、管較薄，簡(jiǎn)化了施工 鋼管混凝土柱的耐火性能好 充分發(fā)揮高強(qiáng)混凝土的作用2.鋼管混凝土的缺點(diǎn) 使用范圍有限 從現(xiàn)已建成的眾多建筑來(lái)看，鋼管混凝土的使用范圍還僅限于柱、橋墩、拱架等。目前還很少有使用鋼管混凝土梁的先例。這是因?yàn)榱阂话愣甲龀删匦巍６匦蔚匿摴芑炷潦芰Ρ容^復(fù)雜而且構(gòu)造要求繁瑣，經(jīng)濟(jì)效益不佳。從結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接構(gòu)造上講，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)也有許多缺點(diǎn)從鋼管構(gòu)件的制作、安裝要求講也具有一定難度和繁瑣性從質(zhì)量檢查和施工方法上講，這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式也是存在弊端的（四）鋼管混凝土在工程實(shí)例中的應(yīng)用下面以沈陽(yáng)皇朝萬(wàn)鑫大廈為例來(lái)說(shuō)明鋼管混凝土在工程實(shí)例中的應(yīng)用 沈陽(yáng)皇朝萬(wàn)鑫大廈1 工程概況沈陽(yáng)皇朝萬(wàn)鑫大廈

6、工程位于沈陽(yáng)市青年大街和南二環(huán)路的交接處，建設(shè)用地北臨沈陽(yáng)皇朝萬(wàn)豪酒店，東臨青年大街，西側(cè)為南方航空公司家屬樓，南側(cè)為南二環(huán)路。該工程占地面積為10069，總建筑面積227859。地下三層，局部四層、五層，地上裙房部分八層，主樓由A座、B座、C座組成，整體建筑物呈“品”字形。其中A座是主塔樓，主體45層，結(jié)構(gòu)總高180m，B座、C座屬于副塔樓，主體40層，結(jié)構(gòu)總高150m。主樓由鋼管砼疊合柱和鋼筋砼核心筒構(gòu)成。地下室二層地上十四層采用鋼筋混凝土鋼管疊合柱，鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C100和C80，砼采用商品混凝土。主塔樓部分自地下二層-9.000米開始，至地上十四層56.5米標(biāo)高的柱子，總長(zhǎng)65

7、.5米，其中內(nèi)徑為D820*22為20根，副塔樓部分自地下二層-9.000米開始，至地上十三層58.5米標(biāo)高的柱子，總長(zhǎng)67.5米，其中內(nèi)徑為D667*22為32根。地下二層層高為5.1米，地下一層層高為4.2米，地上一層層高為5.7米，二層層高為5.4米，三層、四層、五層層高為4.5米，六層層高為6.0米，七層、八層層高為4.2米，C100混凝土總量為1050 m3。2 施工特點(diǎn)萬(wàn)鑫大廈鋼管柱砼施工較普通砼有較大的施工難度，第一鋼管內(nèi)砼強(qiáng)度等級(jí)高，C100，第二鋼管柱內(nèi)的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼筋密，梁主筋均穿過(guò)柱子，樓層高，砼運(yùn)輸困難。1）鋼管頂部懸空，混凝土難以輸送到位。鋼管比正常的樓層每層均高出2

8、米，澆注混凝土?xí)r澆注量少，而且混凝土強(qiáng)度等級(jí)高，采用泵送混凝土泵送的時(shí)間長(zhǎng)，影響混凝土的澆注質(zhì)量，另外也會(huì)造成混凝土的浪費(fèi)。考慮到鋼管內(nèi)混凝土的澆注量少，強(qiáng)度等級(jí)高等特點(diǎn)，采用借助塔吊來(lái)吊運(yùn)混凝土。合理安排施工工序，合理利用塔吊的垂直運(yùn)輸率，選擇在白天采用大型料斗通過(guò)塔吊進(jìn)行澆注鋼管內(nèi)混凝土。在裙房以下部分樓層的鋼管內(nèi)混凝土澆注采用48m臂長(zhǎng)的汽車泵直接布料，相對(duì)更加方便，并減少了高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的浪費(fèi)。2）鋼管混凝土振搗困難鋼管混凝土澆注深度為6m，梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)梁筋分布較密，使用插入式振搗器振搗相當(dāng)困難，無(wú)法保證振搗到位，故采用插入式振搗器加附著式振搗器相結(jié)合的振搗方式進(jìn)行混凝土振搗就會(huì)達(dá)

9、到振實(shí)混凝土的目的（后經(jīng)聲測(cè)管檢測(cè)顯示混凝土澆注質(zhì)量均合格）。個(gè)別部位附著式振搗器無(wú)法到位，采用間接振搗的方法進(jìn)行振搗混凝土。方法是先將預(yù)先選定的鋼筋插入鋼管內(nèi)無(wú)法振搗的部位，澆注混凝土?xí)r，把振搗器附著在鋼管柱的上口部位進(jìn)行振搗鋼筋，通過(guò)振搗鋼筋而達(dá)到振搗底部混凝土的目的。3）鋼管混凝土施工的特殊性鋼管混凝土施工時(shí)必須有操作人員在鋼管柱口外側(cè)控制混凝土料斗、振搗、控制澆注面標(biāo)高。考慮到整個(gè)鋼管外框筒的穩(wěn)定性以及方便后續(xù)鋼管安裝，鋼管內(nèi)的混凝土澆注面標(biāo)高必須合理控制。澆注高度控制在離鋼管上口2米處，保證混凝土自重不會(huì)造成鋼管偏位。而根據(jù)鋼管安裝要求，混凝土澆注面為鋼管口以下1.5米左右，保證有足

10、夠的操作空間。因此每次澆注前，由鋼結(jié)構(gòu)施工部門提供每個(gè)鋼管的澆注標(biāo)高，以管口往下距離作為控制。土建部門的混凝土澆注面標(biāo)高控制通過(guò)計(jì)算混凝土土方量或用強(qiáng)光手電筒在鋼管內(nèi)部目測(cè)得知（鋼管內(nèi)有環(huán)形勁板可作參照）。4）鋼管柱焊接連接的特殊性 由于鋼管柱的連接需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，因此鋼管柱的焊接質(zhì)量很難控制。鋼管柱安裝時(shí)要經(jīng)過(guò)吊裝就位調(diào)整固定焊接等工藝。鋼管柱吊裝就位后要由專業(yè)測(cè)量人員對(duì)鋼管柱的平面位置、標(biāo)高、垂直度等進(jìn)行一一檢測(cè)，保證平面位置和垂直高度滿足設(shè)計(jì)要求及施工規(guī)范要求的前提下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鋼管連接。鋼管柱與鋼管柱的連接采用內(nèi)襯板進(jìn)行連接。內(nèi)襯板和上下鋼管柱均進(jìn)行焊接。焊接時(shí)要由專人負(fù)責(zé)監(jiān)督檢查鋼管

11、柱的焊接質(zhì)量。每根鋼管柱焊接完成后均要做超聲波檢測(cè)。由專業(yè)的檢測(cè)部門對(duì)鋼管柱的焊縫進(jìn)行全數(shù)檢測(cè)，檢測(cè)合格并出具有資質(zhì)的檢測(cè)報(bào)告后才可進(jìn)行下道工序的施工。5）可施工時(shí)間短受施工現(xiàn)場(chǎng)塔吊的限制，鋼管柱吊裝工期緊，鋼管柱吊裝完畢后不能直接澆注混凝土，必須待鋼管柱焊接連接完畢，樓層處鋼筋混凝土梁及鋼管柱外側(cè)鋼筋混凝土柱的鋼筋全部安裝綁扎完畢形成整體后才能澆注。因此留給混凝土的澆注時(shí)間很短，導(dǎo)致混凝土施工異常緊迫?；炷翝沧⑶暗臏?zhǔn)備工作在鋼管柱吊裝和鋼管柱焊接連接的同時(shí)穿插進(jìn)行。只要現(xiàn)場(chǎng)全部的鋼管柱均做超聲波檢測(cè)合格，梁柱鋼筋和鋼管柱形成整體具備澆注條件，就立即澆注鋼管柱內(nèi)混凝土。每層基本8個(gè)小時(shí)即可澆

12、注完畢。后期，鋼管柱截面變小，樓層層高降低，鋼管柱內(nèi)混凝土量減少，便改為2層澆注一次，節(jié)省工期，方便施工。3 施工問(wèn)題混凝土容易結(jié)硬 鋼管混凝土澆注期間，出現(xiàn)幾次混凝土結(jié)硬現(xiàn)象，主要原因是混凝土放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、天氣溫度過(guò)高、混凝土運(yùn)輸路上堵車等因素。出現(xiàn)這種情況，混凝土做報(bào)廢處理。鋼管混凝土養(yǎng)護(hù) 鋼管內(nèi)混凝土澆注完成后，在鋼管口覆蓋一塊固定大小的模板，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)覆蓋，防止雜物等掉入鋼管內(nèi)難以清理。混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)直接在鋼管內(nèi)澆注水就可以，一般是先澆注10cm的養(yǎng)護(hù)水，待第二天再進(jìn)行檢查看是否需要再澆水養(yǎng)護(hù)，原則就是保證混凝土表面有1cm的水覆蓋為宜。4） 鋼管內(nèi)混凝土檢測(cè)施工之前設(shè)計(jì)單位擔(dān)心鋼管內(nèi)混凝

13、土澆注無(wú)法保證密實(shí)，采用在環(huán)形加勁板上開設(shè)直徑為2的冒漿孔，澆注混凝土?xí)r混凝土從上部澆注下去，可以保證鋼管底部空氣從此孔排出，防止死角，只要看到鋼管內(nèi)混凝土從此孔冒出就可以判斷混凝土已經(jīng)澆注密實(shí)。鋼管混凝土澆搗后的質(zhì)量采用敲擊鋼管的方法進(jìn)行初步檢查，并且現(xiàn)場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊和同條件養(yǎng)護(hù)試塊來(lái)反映實(shí)體質(zhì)量。另外在正式施工之前，在現(xiàn)場(chǎng)做模擬試驗(yàn)證明鋼管內(nèi)混凝土內(nèi)部不但密實(shí)，而且與鋼管接觸部分表面光潔，環(huán)形加勁板下方無(wú)空隙。（五）鋼管混凝土的脫空現(xiàn)象鋼管混凝土脫空產(chǎn)生的原因： 1.在混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生脫空； 2.在混凝土凝結(jié)硬化后產(chǎn)生脫空。解決鋼管混凝土脫空的措施： 1.預(yù)防：在混凝土施工階段避免

14、發(fā)生脫空或減少，消除脫空的影響； 2.補(bǔ)救：在鋼管混凝土服役階段對(duì)已發(fā)生的脫空進(jìn)行補(bǔ)救。 （六）主要存在的問(wèn)題盡管鋼管混凝土發(fā)展很快,但是其設(shè)計(jì)理論, 計(jì)算方法,規(guī)范制定等方面卻比較落后,具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: 鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系。由于鋼管混凝土力學(xué)行為的復(fù)雜性,迄今尚未建立起比較完善的本構(gòu)關(guān)系,特別是混凝土的本構(gòu)關(guān)系,現(xiàn)有的本構(gòu)關(guān)系雖然包括混凝土的彈性、彈塑性和屈服階段,但大都以回歸公式為主。鋼管與混凝土各自的本構(gòu)關(guān)系如何選取,才能使二者的結(jié)合最優(yōu),缺乏研究。由于核心混凝土的收縮,鋼管混凝土拱肋中出現(xiàn)鋼管與混凝土不密貼的現(xiàn)象。 尤其是在拱頂。工程中常采用壓漿或微膨脹混凝土來(lái)解決混凝土的收縮。但微膨脹混凝土的效果也缺乏細(xì)致的研究。 此外,有人認(rèn)為在日照下鋼管與