淺談鋼管混凝土結構的特點和應用

郭遠宏 李 芳

1 鋼管混凝土結構的研究現狀

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20世紀60年代后半期以后,開始比較系統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取得了豐碩的成果,很多國家制定了相應的設計和施工規范或規程,如歐洲標準EC4(1996年),德國標準 DIN18800(1997年),美國標準ACI 319-89,SSLC(1979年)和LRFD(1997年),日本標準AIJ(1980年,1997年)。自二十世紀五六十年代以來,我國的研究者也進行了鋼管混凝土力學性能和設計方面的研究工作,已先后頒布發行了有關設計規程,進入20世紀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。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就。

2 鋼管混凝土結構的特點

1)構件承載力高。整個鋼管混凝土構件的承載力約為鋼管和核心混凝土單獨承載力之和的1.7倍～2.0倍。2)有利于有效利用高強混凝土。鋼管混凝土是有效利用高強混凝土的最經濟的形式,這是因為:a.高強混凝土強度高但脆性也大。而鋼管對混凝土的套箍(約束)作用能有效的克服高強混凝土的脆性,充分發揮其承載力。b.鋼管外沒有混凝土保護層,能充分發揮高強混凝土的強度承載力。c.鋼管兼有縱筋和箍筋的作用,比普通的鋼筋混凝土節省。d.鋼管內沒有鋼筋骨架,便于澆筑混凝土,避免了柱與梁板交錯澆筑的麻煩。3)塑性和韌性好,抗震性能優越。鋼管混凝土構件破壞時,完全沒有脆性破壞的特征。據有關資料分析,高層建筑中采用鋼管混凝土柱結構體系比采用鋼筋混凝土結構自重可以減少 1/3～1/2,地震作用可減小1/2。4)施工簡便,可大大縮短工期。鋼管混凝土柱不需綁扎鋼筋、支模和拆模且鋼管內無鋼筋、混凝土澆灌工藝迅速發展都使其施工簡便、迅速。5)耐火性能較好。核心混凝土吸收大量的熱能,在遭受火災時增加柱子的耐火時間且一旦鋼柱屈服,混凝土可以承受大部分的軸向荷載,防止結構倒塌。實驗數據表明:達到一級耐火3 h要求和鋼柱相比可節約防火涂料1/3～2/3甚至更多,隨著鋼管直徑增大,節約涂料也越多。6)耐腐蝕性能優于鋼結構。鋼管中澆筑混凝土使鋼管的外露面積減小,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省。7)經濟效益好。大量工程實際表明:采用鋼管混凝土的承壓構件可節約混凝土約50%,減輕結構自重50%左右。與鋼結構相比可節約鋼材50%。當鋼管中填充混凝土時,鋼管混凝土的造價與鋼筋混凝土相比略高。隨著建筑層數的增加,鋼管混凝土的造價與鋼筋混凝土基本持平。

3 鋼管混凝土結構的應用

3.1 鋼管混凝土在高層建筑中的應用

鋼管混凝土在高層建筑工程中,主要是作為受壓管柱的建筑構件使用,與鋼梁和梁柱節點等共同構成建筑物的框架結構體系。在高層建筑中,鋼管混凝土的特征與優勢如下:1)鋼管混凝土柱的抗壓和抗剪承載力高,相當于鋼管和混凝土二者之和的2倍以上;2)鋼管混凝土柱截面比鋼筋混凝土柱可減少60%以上,輪廓尺寸也比鋼柱小,擴大了建筑物的使用空間和面積;3)柱子截面減小,自重減小,有利于結構抗震,相當于設防烈度下降一級;4)鋼管混凝土柱自重減小,減輕了地基承受的荷載,相應降低了地基基礎造價;5)鋼管壁薄便于選材、制造與現場焊接,是施工最為快捷的建筑結構;6)鋼管混凝土柱內的混凝土可大量吸收熱能,其耐火性優于鋼柱,從而比鋼柱可節省耐火涂料50%以上;7)鋼管混凝土具有的核心混凝土三向受壓特性,利于剛剛問世的C60～C80高強度混凝土安全可靠地推廣應用鋼管混凝土。

我國采用或部分采用鋼管混凝土的高層建筑主要有:福建泉州郵電大廈(高87.5 m)、福建廈門阜康大廈(高86.5 m)、福建廈門金源大廈(高96.0 m)、福建福州僑益大廈(高 115.7 m)、天津今晚報大廈(高137 m)和廣州的好世界等。深圳賽格廣場的柱結構及抗側力體系的內筒全采用了鋼管混凝土柱,共70層,地上部分高為278.8 m。在國外,也有很多采用鋼管混凝土的高層建筑,例如美國西雅圖的Two Union Square和Pacific First Center等。

3.2 鋼管混凝土在拱橋中的應用

將鋼管混凝土用于拱橋,符合拱橋建設中要求材料高強和拱圈無支架施工及輕型化的發展方向。鋼管混凝土拱橋一般可分為兩種:一種是將鋼管混凝土直接用作拱橋結構主要受力部分,同時也作為結構施工時的勁性架,截面設計由前者控制;另一種是先將鋼管用于施工時的勁性骨架,然后再內灌混凝土并與外包混凝土共同形成斷面,鋼管混凝土參與拱橋成型后的受力,截面設計以施工階段控制。

目前,鋼管混凝土用于拱橋結構的工程如雨后春筍般地不斷涌現,尤其以我國的應用最為廣泛,1991年建成的四川省旺蒼縣東河大橋是我國采用鋼管混凝土的第一座公路拱橋,跨度115 m,拱肋由上下兩根鋼管2φ 800×10組成啞鈴形,內填C30混凝土,Q235鋼材。1998年建成的廣西三岸邕江大橋,跨度達270 m,是迄今我國和世界上跨度最大的鋼管混凝土中承式拱橋。拱肋用兩對2φ 1 020×16橫向設置的鋼管混凝土啞鈴形截面組成四邊形,管內充填C50混凝土,截面寬2.4 m,高 5.6 m,腹桿用φ 400×12空鋼管,鋼材皆采用Q345。

此外,以鋼管混凝土做勁性骨架而組成拱橋的工程也有不少。其中最著名的是重慶市萬州區長江大橋,L=420 m,上承式拱橋。采用了10根鋼管組成空間桁架(10φ 402×16,Q345鋼材),吊裝成拱后,向管內灌C60混凝土,然后掛模板澆筑混凝土,成為高7 m、寬15.6 m的單箱三室箱形截面拱肋,橋面總寬24 m。這是迄今為止全世界跨度最大的以鋼管混凝土為勁性骨架的公路拱橋。

3.3 鋼管混凝土在地鐵車站工程中的應用

地鐵車站是我國最早采用鋼管混凝土結構的工程項目。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,按照從頂到底的順序進行施工。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,因此是最好的選擇。

3.4 鋼管混凝土在單層工業廠房中的應用

單層工業廠房的柱屬于偏心受壓構件,為了充分發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,把偏心彎矩轉變為軸心力。

4 鋼管混凝土結構的發展方向

1)鋼管混凝土結構體系抗震性能的研究。目前,對鋼管混凝土抗震性能的研究主要集中在基本構件方面,而對由鋼管混凝土柱和鋼或鋼筋混凝土等形式的梁組成的框架結構的抗震性能則很少涉及。今后應開展這方面的研究工作,并在充分考慮結構空間作用的基礎上,提供合理的鋼管混凝土框架柱和節點的抗震技術參數,便于工程應用。2)在防火設計方面,要簡化鋼管混凝土防火極限的設計方法,制定鋼結構(鋼管混凝土結構)住宅建筑的防火設計規范。只有這樣,才能有助于推廣鋼管混凝土在住宅建筑中的應用。3)鋼管混凝土結構在火災后的性能研究。火災后鋼管混凝土結構的性能有其特點,應當合理地評估其強度,為該類結構的維修加固提供科學的依據。4)節點動力性能的研究。節點是結構設計中的關鍵部位,也是施工的難點。對于鋼管混凝土節點,其合理與否直接關系到結構的安全性和整個工程的造價。5)結合實際工程,進一步完善鋼管混凝土住宅建筑的設計理論、不同類型結構設計規范和施工規程,盡快編制各類構件的配套圖集。

此外,鋼結構住宅對施工隊伍的施工技術要求比較高,而國內大部分地區主要進行混凝土結構的施工建設,因此應該加強對鋼結構專業施工隊伍的培訓,進一步促進鋼管混凝土在住宅中的發展與應用。

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