鋼管混凝土構件綜述

蘆偉鵬（廣州大學土木工程學院）

鋼管混凝土構件綜述

蘆偉鵬
（廣州大學土木工程學院）

為了有效降低傳統結構工程的耗材量，提高工程經濟效益，鋼管混凝土結構應運而生。本文講述了鋼管混凝土的發展歷史以及在近年來的發展趨勢，分析了鋼管混凝土結構的受力機理、強度、剛度、延性等相關性質。最后總結了鋼管混凝土設計時的關鍵點，并介紹了幾種具有發展潛力的新型鋼管混凝土結構。

鋼管混凝土；抗震性；強度；剛度；耐久性；抗沖擊

1　引言

改革開放以來，我國進入了飛速發展的年代。大跨度橋梁、大型標志性建筑物以及深埋地下結構等如雨后春筍出現在祖國各地，給結構工程師帶來了新的挑戰。這要求結構工程學科必須與時俱進，在完成各項建設重任的同時，堅持理論上的創新，并用新理論指導施工的更高效進行。從過去的磚混結構、混凝土結構、鋼結構，到如今的預應力混凝土結構、鋼-混凝土結構，乃至各種特殊空間結構，無不體現了現代結構工程學科的巨大進步和超越創新。［2］鋼管混凝土在工程應用中已有百年歷史，但由于理論的局限，過去并未能顯現出其獨有的優勢。然而，從20世紀80年代開始，鋼管混凝土結構技術在大跨度建筑和高層建筑中得到有效的應用，有力地推動了這一項技術的進步。1990年國家頒布了《鋼管混凝土結構設計與施工規程》，為該技術的應用實踐提供了技術保障。近10年間，鋼管混凝土技術日趨成熟，并廣泛用于各種工程中。深圳賽格廣場大廈、重慶世界貿易中心、重慶萬縣長江公路大橋等大型建筑都運用了鋼管混凝土技術，并取得了良好的成效。［5］

2　鋼管混凝土受力機理

鋼管混凝土是將混凝土填入薄壁圓形鋼管內而形成的組合材料。套入鋼管的目的主要是依靠鋼管的約束作用，使管內混凝土處于三向受壓狀態，從而提高其抗壓承載力；混凝土是一種非勻質材料，因為其組成成分——水泥、骨料之間的構件尺寸、性質等都有很大的差異，以及它們之間往往存在著空隙。有時在水泥硬化的過程中，還會由于其它因素而造成骨料分布不勻?；炷恋倪@一性質，導致其內部產生細微裂紋。在混凝土受壓的情況下，這些細微裂紋會成為薄弱處而率先破壞；鋼管的約束作用，就是在軸向受壓的混凝土構件中施加側向壓力，使沿軸方向的裂縫受到限制。也就是只有在更高的軸向壓力下，混凝土構件才會出現破壞，從而使混凝土的抗壓強度得到了提高。［3］

工程中常用約束指標（λt）來表示鋼管對混凝土的約束程度：

其中：As為鋼管的截面積，Ac為核芯混凝土的截面積，fy為鋼管的抗壓強度，fc為混凝土的抗壓強度。

工程中一般取λt=0.2～0.4［4］

隨著約束指標的提高，鋼管混凝土的極限抗壓強度亦隨之提高。

式中：

Ac——核芯混凝土的截面面積；

As——鋼管的截面面積；

Nu——作用在混凝土上的極限軸力；

σcp——在極限軸力Nu下，核心混凝土的縱向壓應力；

σzp——在極限軸力Nu下，鋼管的縱向壓應力。

工程上常用經驗公式：

3　鋼管混凝土的抗震性能

鋼管對混凝土的約束作用大大提高了核心混凝土的抗壓強度，另一方面，混凝土的存在也使鋼管的穩定性有了提高，塑性和韌性大大增加，對結構抗震有利。下面對圓鋼管混凝土邊框剪力墻的抗震性能進行研究分析。

SW-1為普通鋼筋混凝土剪力墻；

SW-2為鋼管混凝土剪力墻；

CCFT-1為鋼管混凝土柱。

3.1 荷載

表1數據說明：

表1　開裂荷載、明顯屈服荷載、極限荷載實測值［8］

圓鋼管混凝土邊框剪力墻相對于普通邊框剪力墻，開裂荷載提高了29.59%，屈服荷載提高了53.84%，極限荷載提高了57.43%，體現了圓鋼管剪力墻具有較高的水平承載能力［8］。

3.2 剛度

表2　剛度實測值［8］

表2數據說明：

分析可知，鋼管混凝土框架的水平側移一般較小，水平抗力較大，且在彈塑性階段的強度和剛度衰減較慢，滯回曲線沒有明顯的捏縮現象，其抗震性能明顯優于普通鋼筋混凝土框架結構；同時鋼管混凝土能夠滿足“強柱弱梁”關系，達到延性框架的要求，比鋼框架結構具有明顯的優勢。

在進行鋼管混凝土框架設計時，由于地震波的方向不確定，所以應盡量保證結構在水平兩個方向的剛度一致。［12］

3.3 延性

表3　位移及延性系數實測值［8］

其中：

Uc——與Fc對應的開裂位移；

Uy——與Fy對應的屈服位移；

Ud——彈塑性最大位移，其取值為荷載下降至極限荷載的85%時所對應的位移；

μ=Ud/Uy，為試件的延性系數；

sp——試件的彈塑性位移角。

上述數據說明：

圓鋼管混凝土柱框架結構CFST-1的延性較好，因此在和普通混凝土剪力墻組合以后，普通混凝土剪力墻延性差的缺點得到了改善。SW-2的彈塑性最大位移比SW-1提高了38.70%，SW-2的延性系數比SW-1提高了20.00%。圓鋼管混凝土邊框剪力墻的彈塑性變形能力和延性比普通混凝土剪力墻明顯提高。［7］

4　鋼管混凝土優越性能

4.1 良好的耐火性能

相對于鋼結構，鋼管混凝土除了擁有較好的強度和延性，更擁有突出的耐火性能，另外，溫度降低后，處于屈服的鋼管強度可以得到恢復，使截面的力學性能比高溫下有所改善。

4.2 經濟效果好

相比起普通鋼筋混凝土承壓構件，鋼管混凝土承壓構件可以節約50%左右的混凝土，使自重大幅度降低，從而降低鋼材用量，使造價下降。［15］

4.3 優越的穩定性能

鋼管混凝土結構的阻尼比，介于鋼結構和鋼筋混凝土結構之間，在高層建筑中具有優于鋼結構的動力性能，能減輕風致擺動。［8］

4.4 方便施工

鋼管是勁性承重骨架，其焊接工作量比一般型鋼少，質量輕，易于吊裝，因此可簡化施工工藝、節省腳手架、縮短工期等。［11］

5　鋼管混凝土設計

為切合建筑抗震的要求，鋼管混凝土設計必須符合抗震的概念設計原則——強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件。因此在鋼管混凝土設計中必須注意以下要點：

5.1 節點

節點設計是抗震設計的關鍵。鋼管混凝土的梁柱節點主要有鉸接節點、半剛接節點、剛接節點這幾類。而粘結強度則是衡量節點的重要因素之一。設計人員務必保證作用在節點上的荷載強度不大于節點的粘結強度，同時保證結構的破壞發生在梁端節點。具體做到以下幾點措施：

⑴在地震區采用鋼梁加強環節點或內隔板節點；

⑵遵循《建筑抗震設計規范》GB 50011；

⑶節點加強環板的加工應保證外形曲線光滑、無裂紋、刻痕，管段與柱段間的水平焊縫應與母材等強，加強環板與鋼梁翼緣的對接，應采用剖口焊；

⑷可能產生塑性鉸的最大應力區內，避免布置焊接焊縫。［14］

5.2 構件

鋼管與核心混凝土的協同工作，保證了混凝土具有較高的抗震性能，其抗震性能與其它因素密切相關，具體表現為：

⑴含鋼量越高，鋼材強度越大，延性越好；

⑵混凝土強度越大，柱軸壓比越小，長細比越小，延性越好；

5.3 結構體系

鋼管混凝土結構體系，是由幾種不同的結構構件混合而成的機構體系，它是在充分考慮了各結構構件的特性后，進行的合理地混合。這樣能充分發揮各自的優勢和特點，起到協同互補、共同工作的特點，達到“強強聯合”，使結構體系具有優越的整體力學特征。［15］

6　新型鋼管混凝土結構

隨著建筑事業的發展，在傳統普通鋼管混凝土結構的基礎上，近些年國內外開始出現了一些新型的鋼管混凝土結構，主要有高性能鋼管混凝土結構、薄壁鋼管混凝土結構、FRP約束鋼管混凝土結構等。

6.1 高性能鋼管混凝土結構

采用高性能材料，如高強鋼材、高強高性能混凝土的鋼管混凝土，起到了節約鋼材、減小構件截面面積和減輕結構自重等目的，常用于高層建筑、地下工程和大跨度結構。

表4是相關學者在此領域內的研究概況。

表4　高性能鋼管混凝土研究概況［13］

6.2 薄壁鋼管混凝土

薄壁鋼管混凝土是相對通常管壁較厚的普通鋼管混凝土而言的。采用薄壁鋼管混凝土，可以減少鋼材用量，減輕焊接工作量，達到降低工程造價的目的。

薄壁鋼管混凝土構件的承載力會受到局部屈曲的影響。主要體現在：

⑴屈曲部分的鋼管部分截面提前退出工作；

⑵降低里鋼管對混凝土的約束作用。

因此，在對薄壁鋼管混凝土結構的設計時，根據其自身的工作原理，應合理確定薄壁鋼管的徑厚比D/t，以考慮鋼管局部屈曲對鋼管與核心混凝土組合作用的影響。同時亦可采用約束拉桿的形式，在鋼管的對邊按一定的間距設置約束拉桿，借助約束拉桿的拉結作用使鋼管壁的外向屈曲變形減少，以增強鋼管壁的穩定性和延性。［16］

6.3 FRP約束鋼管混凝土

FRP約束鋼管混凝土是在鋼管混凝土外包FRP材料，從而使鋼管內的核心混凝土處于FRP和鋼管的雙重約束之下。FRP約束鋼管混凝土是FRP約束混凝土和鋼管混凝土二者的有機結合，不僅提高鋼管混凝土的承載力，還能利用鋼管混凝土延性較好的特點，彌補FRP約束混凝土這方面的不足［14］。

但是，隨著鋼管混凝土的不斷推廣運用，其發生火災的危害性也日益增加；此外，由于腐蝕等其它環境因素的影響，也對鋼管混凝土的修復加固提出了新的要求。目前，FRP鋼管混凝土是國內外土木工程界的研究熱點，發展空間很大。

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