鋼管混凝土組合結構在建筑工程領域發展分析

都吉平

鋼管混凝土(即鋼管混凝土—CFST)是鋼—混凝土組合結構中的一種重要形式,就是在鋼管中充填素混凝土制成的建筑構件,是介于鋼管和混凝土之間的一種材料,由混凝土填入薄壁鋼管而形成的一種新型組合材料。

鋼管混凝土通過借助內填混凝土增強鋼管壁的穩定性,借助鋼管對核心混凝土的套箍(約束)作用,使核心混凝土處于三向受壓狀態,從而保證核心混凝土具有更高的抗壓強度和壓縮變形能力,更有效地發揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優點。

20世紀60年代～80年代,鋼管混凝土開始應用于工業與民用建筑。隨著規范圖集的日益完善及自身的特性優勢,鋼管混凝土被廣泛地應用于單層和多層工業廠房柱、空間結構,近10年又被應用于橋梁結構、高層和超高層建筑中,取得了良好的經濟效益和建筑效果,尤其是近年來隨著我國城市建設的加速發展,建筑物的高度和要求越來越高,作為高層和超高層建筑中推廣應用的新結構形式之一,鋼管混凝土組合結構將得到更廣泛的應用。

1 鋼管混凝土組合結構特點分析

1)承載力高、延性好,抗震性能優越。鋼管混凝土柱中,鋼管對其內部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態,提高了混凝土的抗壓強度;鋼管內部的混凝土又可以有效地防止鋼管發生局部屈曲,構件的延性性能明顯改善,耗能能力大大提高。2)施工方便,工期大大縮短。鋼管混凝土結構施工時,鋼管可以作為勁性骨架承擔施工階段的施工荷載和結構重量,施工不受混凝土養護時間的影響;由于鋼管混凝土內部沒有鋼筋,便于混凝土的澆筑和搗實;鋼管混凝土結構施工時,不需要模板,節省支模、拆模的材料和人工費用,也節省了時間。3)有利于鋼管的抗火和防火。鋼管混凝土的耐火極限時間比鋼材的要長,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。4)抗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省。5)工程經濟性好。相對于鋼材和鋼筋混凝土,鋼管混凝土經濟效益顯著。和鋼柱相比,可節約50%的鋼材,降低造價約45%;和鋼筋混凝土相比,可節約混凝土約70%,減少自重70%,節省模板100%,而用鋼量相等或略多。

2 鋼管混凝土組合結構設計和施工要點分析

當前我國鋼管混凝土組合結構的設計和施工主要依據CECS 28∶90鋼管混凝土結構設計與施工規程,06SG524鋼管混凝土結構構造,CECS 230∶2008高層建筑鋼—混凝土混合結構設計規程,GB 50017-2003鋼結構設計規范以及GB 50205-2001鋼結構結構施工質量驗收規范等專業規范,圖集指導實際工程。

2.1 鋼管混凝土組合結構設計要點分析

1)承載力計算。針對單肢柱和格構柱不同類型考慮構件的單肢承載力計算和整體承載力計算兩種情況進行計算分析,同時需要對鋼管柱的局部受壓承載力進行驗算。2)變形計算。鋼管混凝土柱的變形驗算可以按照一般結構力學的方法進行。3)節點設計與構造。鋼管混凝土節點構造措施對結構的安全性影響重大,節點構造的整體設計應該符合“構造簡單,整體性好,傳力明確,安全可靠,節約材料,施工方便”的原則。根據鋼管混凝土柱同混凝土梁或者型鋼梁,鋼骨梁的不同連接類型,應采用不同的節點措施,但均應必須滿足節點抗剪和抗彎的要求。4)柱腳設計。鋼管混凝土與柱腳連接形式主要包括插入式和端承式兩種,插入式柱腳的杯口設計和構造與預制鋼筋混凝土柱的基礎杯口應相同,柱腳插入深度不宜小于2倍鋼管直徑;端承式柱腳的設計和構造與鋼結構相同,但應驗算柱與基礎連接面的局部受壓強度;柱腳鋼管的端頭必須用封頭板封固。

2.2 鋼管混凝土組合結構施工要點分析

1)鋼管柱制作。鋼管混凝土制作的基本流程可以概括為:計算機輔助下料、調直→定型切割→螺旋鋼管卷制焊接→校正→剪力環、內襯管等構件組裝→完工報驗→打磨、刷漆、標記→檢驗合格出廠8個環節。在鋼管柱制作過程中,鋼管混凝土柱用的鋼管焊接、制作要求較高,一般應優先采用螺旋焊管,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,尤其要滿足設計圖紙對管壁的除銹要求。2)鋼管柱安裝。鋼管柱的安裝流程包括:測量鋼管柱軸線尺寸與標高→定位環板預埋→基礎節鋼管柱吊裝→基礎節安裝→鋼柱軸線、垂直度、標高校正→焊接及檢驗→管頂蓋板防護→檢查、驗收→混凝土澆筑→下一節起吊對接10個環節。在構件制作過程中,鋼管的對接是一個難點,在焊接時應注意焊接的順序,考慮焊接變形的影響;現場拼接時,在管內接縫處必須設置附加襯管;對于采用內環板或外環板式的鋼管混凝土梁柱節點,施工與普通鋼結構一致。3)鋼管柱混凝土澆灌。鋼管混凝土澆筑方法:可采用泵送頂升澆筑、立式手工澆筑、高位拋落無振搗法三類。

3 未來鋼管混凝土組合結構發展對策分析

1)在防火設計方面,要簡化鋼管混凝土防火極限的設計方法,制定鋼管混凝土結構住宅建筑的防火設計規范,更有利的推廣鋼管混凝土在住宅建筑中的應用。2)加強鋼管混凝土住宅建筑在火災后的殘余力學性能評估與災后的維修、加固措施的研究。3)鋼結構住宅的關鍵在于外墻板的價格、質量、防水、耐久性及接縫的處理等。應該大力開發價廉物美、輕質高強且具有耐久性的外墻板與相應的配套構件。4)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指導實際工程。5)鋼結構住宅對施工隊伍的施工技術要求比較高,而國內大部分施工隊伍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。6)對于節點的構造設計。鋼管混凝土結構中應注意鋼梁—鋼管混凝土柱節點的構造設計,必須注意保證強柱、弱梁、節點更強的原則;符合計算的簡圖;節點中傳力明確、簡潔;構造簡單,制作方便且節約鋼材,這也是保證結構安全可靠的關鍵。

4 結語

鋼管混凝土組合結構順應了社會發展的需求,正在被日益廣泛的重視。針對與鋼管混凝土組合結構相關的各種形式,尤其在民用建筑住宅體系中的應用,我國鋼結構企業,科研院所正在進行積極的探索,已經建立了試點示范,并取得了一定的經濟效益,積累了一定的經驗,相信隨著我國鋼管混凝土相關規范的逐漸完善。

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