薄壁鋼管再生混凝土結構的特點及應用研究

縱 超 （廈門工學院土木工程系，福建 廈門 361000）

1 引言

鋼管混凝土構件指的是把混凝土填充到圓形或方形鋼管中，在受力時，鋼管和其中的混凝土可以發(fā)揮材料各自特點，以共同承受外力的一種新型的鋼-混凝土組合構件。

2 薄壁鋼管再生混凝土結構的產生

近些年來，隨著鋼管混凝土結構的研究深入，它也開始得到越來越廣泛的應用。國內外很多高層建筑開始使用鋼管混凝土結構來取代普通混凝土結構，取得了很好的經濟效益。良好的使用效果使其應用范圍正向超高層建筑延伸，這正得益于普通鋼管混凝土的優(yōu)點很多。它的承受荷載的能力強，具有良好的延性，在施工中操作簡單，火災下可以持續(xù)較長時間受力，地震作用下性能好，能夠很好的節(jié)約工程成本[1]。學術界的關注越來越多，借鑒之前的研究經驗，人們開始把目光轉向中低層建筑結構[2-7]。對于中低層建筑，其受力要求較低，所以可相應減少用鋼量，改用壁厚較薄的鋼管，這樣一種新型結構—薄壁鋼管混凝土就應運而生了。

新型結構可以更好的適用于中低層建筑，也達到節(jié)省鋼材的效果。隨著環(huán)境保護的理念深入人心，國內外學者開始著眼于替換掉鋼管中的混凝土，用建筑垃圾處理后的再生骨料取代之。薄壁鋼管內填入處理后的建筑垃圾，薄壁鋼管再生混凝土結構便產生了。隨著城鎮(zhèn)化的進展，一些七八十年代的房子開始逐漸被淘汰、拆遷，我國建筑業(yè)每年產生大量的建筑垃圾；另外，在施工過程中建筑材料的損耗也是相當多的[8]。目前，我國建筑垃圾在城市垃圾中的占比較高，建筑垃圾的起初并未引起人們的重視，垃圾的回收處理不夠恰當，城市郊區(qū)建筑垃圾堆積如山。隨著國家可持續(xù)發(fā)展的理念的提出，越來越多的學者呼吁建筑垃圾的再利用，也為新型結構的發(fā)展提供了一個契機。

圖1 生活中的建筑垃圾

3 薄壁鋼管混凝土結構的特點及應用

薄壁鋼管混凝土與普通鋼管混凝土相同，同樣有圓形矩形等各種截面。所以對薄壁鋼管混凝土柱結構進行設計時，應根據結構本身的特點和受力情況來確定矩形鋼管混凝土寬厚比（B/t）限值及鋼管局部屈曲對鋼管與內填混凝土共同作用的影響。

薄壁鋼管混凝土結構主要特點是壁厚與普通鋼管混凝土有差異，雖然國內外還沒有相關的規(guī)范和規(guī)程，但是我們可以根據這個特點查詢已有規(guī)范和規(guī)程中關于圓形截面鋼管混凝土的徑厚比（D/t）或矩形截面鋼管混凝土的寬厚比（B/t）的界定，考慮已有規(guī)范和規(guī)程的適用性。

各國界定尺度不一，ACI（1999）、AISC-LRFD(1999)、BS5400（1979）和 EC4（1994）中對 D/t或 B/t限值的規(guī)定與對應受壓構件中空鋼管局部穩(wěn)定限值取法相同。而AIJ（1997）和福建省工程建設地方標準DBJ13-51-2003[9]中對D/t或B/t限值的規(guī)定是按對應受壓構件中空鋼管局部穩(wěn)定限值的1.5倍確定。當鋼管尺寸超過相應的界定時，我們可以認為結構即為薄壁鋼管混凝土。

國外相關規(guī)程：

①美國規(guī)程ACI 318-02[10](2002)、AISC-LRFD[11](1999)和英國規(guī)BS5400[12](1979)其中，對于ACI 318-02 和 AISC-LRFD，Es=200，000MPa；對于 BS5400，Es=206，000MPa。

②日本規(guī)程AIJ[13](1997)

其中，F=min（fy，0.7fu）

③歐洲規(guī)范EC4[14](1994)

查找鋼結構設計規(guī)范（GB50017-2003），規(guī)范規(guī)定表中在計算AIJ(1997)限值時，Q235鋼的取值為fu=375.75 N/mm2；Q345 鋼的取值為 fu=470 N/mm2；Q390鋼的取值為fu=490 N/mm2；Q420鋼的取值為fu=520 N/mm2。

國內相關規(guī)程

①中國JCJ01-89規(guī)程[15]

鋼管混凝土桿件的含鋼率，對于3號鋼宜采用ρ=0.04～0.16，對于 16Mn 鋼或 16Mnq 宜采用 ρ=0.04～0.12。一般情況下鋼管壁厚不宜小于4mm。

②行業(yè)標準《矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程》[16]（CECS 159：2004）

③矩形鋼管混凝土構件的截面最小邊尺寸不宜小于100mm,鋼管壁厚不宜小于4mm,

截面的高寬比b/h不宜大于2。

其中b，h分別是矩形鋼管截面的寬與高，Ψ=σ2/σ1，σ1，σ2分別為板件最外邊緣的最大，最小應力，壓應力為正，拉應力為負。

③福建省工程建設地方標準《鋼管混凝土結構技術規(guī)程》[9]（DBJ13-51-2003）

隨著薄壁鋼管混凝土柱的發(fā)展，此種結構被大量應用與中低層建筑中，將其與當前建筑結構中應用較為廣泛的鋼筋混凝土及鋼結構相比較，新型結構具有如下幾個方面的特點：

①承載力高

大量的試驗表明，薄壁鋼管與混凝土在單獨作用下的承載力之和是低于薄壁鋼管混凝土組合結構柱的承載力的，也就是說起到了整體大于局部之和的作用。這是因為薄壁鋼管中填充混凝土形成薄壁鋼管混凝土柱后，通過在薄壁鋼管的恰當位置設置縱向加勁肋，增強了約束作用，延緩其受壓時混凝土的縱向開裂，也延緩了薄壁鋼管發(fā)生局部屈曲的時間。在共同作用下，使得這兩種不同材料的缺點得以互補，而優(yōu)點卻得到了有效地發(fā)揮，使得組合后的結構承載能力高于鋼管和內填混凝土的各自的承載力的和，產生良好的效應。

②整體結構的延性較好

核心混凝土易發(fā)生脆性破壞，薄壁鋼管與混凝土之間的相互作用可以使其破壞形式由脆性轉為塑性，顯然構件的延性得到改善。將混凝土填入薄壁鋼管，內填的混凝土受到外面鋼管的約束，使得脆性破壞變成了延性破壞，并且組合柱受反復荷載作用時韌性得到一定程度的提高，大大提高了其抗震性能。

③簡化工序，方便施工

鋼筋混凝土柱施工過程中需要鋼筋的綁扎、模板的支拆等工序，但鋼管混凝土省掉了相關工序，給施工提供了便利。另外，近些年泵送混凝土和自密實混凝土等工藝在工程上被越來越多的使用，大大提高了薄壁鋼管混凝土的施工進度，使得混凝土的澆注更加快捷方便，同時鋼管可在工廠預制，具有可靠的質量同時省去了構件預制場地，而且空鋼管的重量較小，運輸起吊就位等操作較容易，節(jié)省了很多費用。利用鋼材可以標準化生產的優(yōu)點，鋼管混凝土中梁柱結構節(jié)點也開始標準化生產，甚至組合結構也開始標準化生產。這樣既可以節(jié)約大量的人力成本，又可以節(jié)省時間和工序，逐漸成為新的發(fā)展方向。

④耐火性能好，火災后易于維修

火災下的組合柱，由于內填混凝土的熱容量比鋼材的熱容量大，可吸收較大部分的熱量，內部混凝土升溫較慢仍可繼續(xù)承載一定的力，柱子的耐火時間在一定程度上得到了延長。和鋼結構相比，節(jié)約了大量的防火涂料。當火災過后，由于溫度隨之降低，混凝土雖然起不到多大的作用，但鋼材仍可承擔一定程度的力，使得組合柱的承載性能得到改善，具有優(yōu)良的火災后性能。當結構仍可使用而需要加固時，只要在以破壞的鋼管外面增加一套管，隨后在里面重新灌入混凝土，便可繼續(xù)使用。

⑤良好的經濟效益

薄壁鋼管混凝土的產生就是人們在工程實踐中不斷追求經濟效益的結果。薄壁鋼管混凝土與鋼筋混凝土和純鋼柱比較，不僅減少了大量的施工工序，加快了施工進度，而且具有良好的經濟效益。所以，隨著薄壁鋼管混凝土在中低層建筑物的廣泛使用，建筑材料的費用可大大節(jié)約。另外，和純鋼管柱相比，由于內填核心混凝土與鋼管內壁是緊密接觸的，省去內部防銹涂料的費用。所以，薄壁鋼管混凝土柱具有良好的經濟效益。

4 結語

因此，在國家可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保理念的指引下，新型結構有了越來越好的發(fā)展。將建筑垃圾回收處理并生產出再生骨料，填入薄壁鋼管中充分發(fā)揮各自的優(yōu)缺點，既可以達到廢物利用節(jié)約資源的效果，又可以產生巨大的經濟和環(huán)境效益。