钢管混凝土

钢管混凝土

陈思煌

广东省重工建筑设计院有限公司广东广州510000

摘要：钢管混凝土作为一种介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的钢—混凝土组合结构，近些年来得到了广泛的关注与应用。本文回顾了钢管混凝土的发展研究现状及目前存在的问题，提出了若干改进意见，以推广钢管混凝土的应用发展。

关键词：钢管混凝土，局部屈曲，三向受压

0前言

钢管混凝土作为一种介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的钢—混凝土组合结构，近些年来得到了广泛的关注与应用。钢管混凝土是钢管套箍混凝土的简称。它是由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍混凝土的一种特殊形式[1][2][3]。

1钢管混凝土的发展研究现状

国外有关学者最早对钢管混凝土进行了研究。英国早在1879年在钢管内填充混凝土作为赛文铁路桥桥墩。美国在1897年在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱。

1916年塞列格尔、1932年恩百格尔对长细比小的轴心受压短柱进行了研究，指出钢管混凝土的承载力是钢截面的承载力与混凝土有效截面的承载力的和。

1969年聶基等人基于对钢管混凝土三向受压时强度提高的研究，提出了考虑钢管对混凝土约束效应钢管混凝土柱承载力的计算方法。

1998年BrainUy对10个方钢管混凝土试件进行了实验，研究轴心受压时钢管的局部屈曲问题，指出钢管混凝土钢管局部屈曲大大滞后于空钢管。

1999年，J.Brauns研究分析了钢管混凝土柱在轴压下的应力状态，确定了各部分材料的应力-应变关系。

2002年Bradford等对轴心受压圆钢管混凝土构件局部屈曲和后屈曲进行了研究，指出在钢管中填充混凝土不仅可提高构件截面的强度，而且可延缓钢管屈曲的发生。

2002年Shanmugam有效宽度法对已做试验进行分析，并对比了试验结果，指出有效宽度法能准确预测出钢管混凝土极限承载力。

在这方面最早开展工作的是原中国科学院哈尔滨土建研究所。

2007年韩林海、杨有福对钢管内表面焊接纵向刚性元件的薄壁钢管混凝土柱进行了试验，指出刚性元件能有效的推迟钢管的局部屈曲[8]。

钢管混凝土的应用

（1）单层和多层工业厂房柱。由于相对于钢筋混凝土柱和普通钢柱，钢管混凝土组合有许多优势，钢管混凝土柱被广泛用做厂房柱。

（2）设备构架柱。钢管混凝土被广泛用做设备构架柱。

（3）地铁站台柱。地下铁道的站台柱承受的压力很大，采用钢管混凝土柱时，可以减小柱截面，扩大使用空间，具有良好经济效益。

（4）送变电杆塔。档距大的高压输电杆塔或微波塔，采用钢管混凝土构件作立柱，可取得良好的经济效果。

（5）空间结构。建成于1998年的日本北九州市多目的赛车场，建筑面积94835m2，地上8层，地下1层，地上1~8层采用了钢管混凝土柱和钢结构梁，充分发挥了钢管混凝土刚性大、强度高、抗变形能力强和耐火特性好等特点，取得了良好的建筑效果和经济效果[9]。

（6）高层建筑。钢管混凝土承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能较好、抗震性能好，在高层建筑中采用钢管混凝土具有良好经济效益。

（7）拱桥结构。拱桥主要承受轴向压力，当跨度很大时，拱肋承受很大的轴向压力，因此采用钢管混凝土具有良好经济效益。

2钢管混凝土的优点及存在问题

钢管混凝土有以下优点：

（1）抗压强度高。在混凝土外套箍钢管形成钢管混凝土，由于钢管约束了混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压，提高了混凝土的承载能力。

（2）塑性性能好。在混凝土外套箍钢管形成钢管混凝土，由于钢管约束了混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压，延缓了其纵向开裂。

（3）减少建筑自重。钢管混凝土柱相比于普通钢筋混凝土柱，截面面积较小，节省材料，减轻建筑自重。

（4）充分利用材料。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土，混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈曲，可以更充分发挥钢材的强度，利用材料。

（5）制作和施工方便。钢管可以作为浇筑钢管混凝土核心混凝土的模板。相对于钢筋混凝土，可以节省模板费用，加快施工进度。

（6）经济效果好。有研究表明，采用钢管混凝土作为承压构件比普通钢筋混凝土节省混凝土约70%，比纯钢结构节省钢材约50%[8]。

（7）耐火性好。相比于钢管，在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土，混凝土的存在可以吸收一部分外围钢管的温度，延缓钢管的升温，可以较好的控制钢管在高温下承载能力迅速下降；相比于混凝土，在混凝土外套箍钢管形成钢管混凝土，可以限制混凝土在高温后的崩裂情况。

目前对钢管混凝土的研究仍存在如下不足之处：

（1）基于理想弹性塑性体假设计算钢管混凝土承载力，这对抗变形能力很强的钢管混凝土并不合理；

（2）通过由定值侧压力的实验结果得到的纵向承载力与侧压力的关系确定圆钢管混凝土承载力，与核心混凝土的工作状态并不相符；

（3）计算钢管混凝土构件耐火极限时不考虑钢和混凝土间的相互作用，和材料的实际工作状态不符，得到的计算结果也不准确；

（4）主要以实验对钢管混凝土在动力荷载作用下性能进行研究，不利于深入系统地了解动力荷载作用下的性能。

3钢管混凝土的改进意见

（1）施工力学问题有待进一步研究。在进行钢管混凝土构件施工时，当采用泵送顶升法工艺对核心混凝土进行施工时，将在先安装的空钢管内产生动压力，导致在钢管局部产生应力集中现象。

（2）钢管混凝土疲劳性能有待进一步研究。关于钢管混凝土疲劳性能，当前国内外并没有合理的设计方法；关于这方面的研究也比较少，并且主要是试验研究。

（3）关于构件及其与梁连接节点制造标准化问题有待进一步研究。虽然当前钢管混凝土构件及与梁连接节点制造有向标准化发展的趋势，但关于这方面的研究还是偏少，仍然有待进一步研究

（4）残余应力对钢管混凝土的影响有待进一步研究。现实中，钢管混凝土钢管是焊接而成的，因此会产生焊接残余应力。关于焊接残余应力对钢管混凝土有什么影响，以往的研究还不够深入系统，有待进一步研究。

（5）关于钢管混凝土结构体系分析方法有待进一步研究。目前，国内外关于由钢管混凝土构件组成的空间结构体系的分析方法的研究偏少，应进一步研究钢管混凝土结构体系的分析方法，编制便于实际应用的分析软件和设计软件，为在实际工程中更为合理地推广应用钢管混凝土结构创造条件。

参考文献：

[1]蔡绍怀.钢管混凝土结构的计算与应用.北京：中国建筑工业出版社，1989

[2]蔡绍怀.钢管混凝土结构.北京：中国建筑科学研究院，1992

[3]蔡绍怀.钢管混凝土结构.钢与混凝土组合结构设计施工手册（周起敏、姜维山、潘泰华主编）第5章.北京：中国建筑工业出版社，1993

[4]陈立祖.深圳赛格广场大厦钢管混凝土柱工程介绍.哈尔滨建筑大学学报（中国钢协钢-混凝土组合结构协会第六次年会论文集），1997，30（5）：14~16

[5]钟善桐.钢管混凝土统一理论-研究与应用.清华大学出版社，2006：73~116

[6]何保康，周天华.矩形钢管截面b/t、h/t的限值确定.钢结构，2001年第2期第16卷总第52期

[7]韩林海.钢管混凝土结构〔M〕.北京：科学出版社，2001

[8]韩林海，杨有福.现代钢管混凝上结构技术.北京：中国建筑工业出版社，2007