钢管混凝土结构特点及应用
【摘要】在钢管中充填混凝土的结构称为钢管混凝土结构。

钢管混凝土结构是从型钢混凝土结构及螺旋箍柱发展而来的。

本文对钢管混凝土结构在建筑中广泛应用进行探讨。

【关键词】钢管混凝土结构;建筑;性能
0.前言
国外最早应用型钢混凝土结构,主要是用混凝土来保护钢结构,使之防火性能及防腐蚀性能得到大大改善,不必要进行经常性的、工作量很大的日常维护。

后来在结构中才主要利用混凝土来提高结构刚度,以减小结构的侧移。

将型钢混凝土用于高层、超高层及高耸钢结构中,以及用于地震区的建筑中,将使建(构)筑物的侧移大大减小。

一般在混凝土中再不配纵向钢筋与钢箍。

所用钢管一般为薄壁圆钢管或方钢管。

方钢管混凝土结构的研究与应用历史较短,尽管其与圆钢管混凝土相比有一定的优点,钢管的制作,节点的构造较为简单,对某些受力构件,大偏心受压构件比圆钢管受力性能要好,不必一定做成双肢或多肢柱。

1.钢管混凝土结构计算模型假设
对于实心钢管混凝土的研究，国内有学者提出钢管混凝土统一理论，即将钢和混凝土视为一种组合材料来研究其综合力学性能。

钢管混凝土统一理论有如下基本假设：
(1)钢管混凝土可视为一种组合材料。

可以由构件的工作曲线来研究其组合力学性能指标，由整个构件的形常数来计算其承载力。

(2)钢管混凝土构件在不同荷载组合作用下的性能变化是连续、统一的。

(3)钢管混凝土构件的性能随几何参数如长细比、含钢率等的变化是连续、统一的。

(4)钢管混凝土构件的性能变化随其截面形状如圆形、多边形、方形的改变是连续、统一的。

根据这些假设，统一理论研究的基本思路是：首先分别确定钢材和核心混凝土的应力－应变关系模型，再将应力—应变关系模型编入数值计算的程序当中，利用数值分析方法计算出构件受轴压（拉）、纯弯、纯扭或纯剪的荷载－变形关系曲线，进而由荷载－变形关系曲线导出钢管混凝土各项综合力学性能指标（如轴压模量及强度指标，抗弯刚度及抗弯模量等）。

由于计算时采用的核心混凝土的应力－应变关系模型中考虑了钢材对混凝土的约束作用，所以在综合荷载－变形关系中也就包含了这种作用效应，因而在各项综合力学性能指标中也包含了这种效应，比较符合实际应用。

2.钢管混凝土结构的优点
2.1受力合理
能充分发挥混凝土与钢材的特长,从而使构件的承载能力大大提高。

从另一方面而言,对于同样的负荷,钢管混凝土构件的断面将比钢筋混凝土构件显著减小。

对混凝土来说,由于钢管约束,改变了受力性能,变单向受压为三向受压,使混凝土抗压强度提高了几倍。

对钢管来说,薄壁钢构件对于局部缺陷特别敏感。

薄壁钢管也不例外,局部缺陷特别是不对称缺陷的存在,将使实际的稳定承载力比理论值小得多。

由于混凝土充填了钢管,保证了薄壁钢管的局部稳定,使其弱点得到了弥补。

2.2具有良好的塑性性能
混凝土是脆性材料,混凝土的破坏具有明显的脆性性质,即使是钢筋混凝土受压构件,尤其是轴心受压及小偏心受压构件的破坏,也是脆性破坏。

而且在实际工程中轴心受压、小偏心受压的情况往往实际上是不可避免的,甚至是大量的。

而钢管混凝土结构中,由于核心混凝土是处于三向约束状态,约束混凝土与普通混凝土不同,不仅改善了使用阶段的弹性性质,而且在破坏时产生很大的塑性变形,钢管混凝土柱的破坏,完全没有脆性特征,属于塑性破坏。

此外,这种结构具有良好的抗疲劳、耐冲击的性能。

2.3施工简单,缩短工期
钢管本身就是模板,因此比钢筋混凝土构件省去了模板。

钢管本身既是纵筋又是箍筋,这样便省去了模板的制作安装工作。

钢管的制作比钢筋骨架的制作安装也简单,并且钢管本身在施工阶段即可作为承重骨架,可以节省脚手架。

这些方面对施工都大为有利,不仅节省了大量施工中的材料,减少了施工工作量,而且大大减少了现场露天工作,改善了工作条件,同时也加快了施工、缩短工期。

2.4显著的经济效果
与钢结构相比,节约了大量钢材。

根据多项工程统计,钢管混凝土大约能节省钢材50%,因而相应地也降低了造价。

与钢筋混凝土结构相比,大约可减少混凝土量的一半,而用钢量大致相当。

这样随之带来的优越性是构件自身大大减轻、构件断面大大减小,减少了结构占地面积。

由于省去了大量的模板,节省了大量木材,降低了费用,因此其取得了显著的经济效果。

2.5良好的抗震性能
由于结构自重大大减轻,这对减小地震作用大为有利。

结构具有良好的延性,这在抗震设计中是极为重要的。

而对于一般钢筋混凝土柱,尤其是轴压和小偏心受压柱是难以克服的缺点。

2.6具有美好的造型与最小的受风面积
圆形柱不仅以其美好的造型而且因其无棱角,所以特别适用于公共建筑的门厅、大厅、车站\车库、城市立交桥以及露天塔架等高耸结构。

由于钢管混凝土结构具有一系列的优点,因此被广泛采用于多高层建筑、桥梁结构、地铁车站及各种重型、大跨的工业厂房以及高耸塔架等建筑物。

钢管混凝土结构在国外应用已有近百年历史,20世纪初,美国就在一些单层和多层房屋中采用钢管混凝土柱。

3.钢管混凝土结构在多层建筑中的应用
例如1984年在上海建成的基础公司特种基础研究所科研楼,地下2层,地上5层均为双跨钢管混凝土框架结构。

边柱与中柱分别为299与35l根钢管混凝土柱,可见柱断面及结构占地面积均比钢筋混凝土框架柱为小。

1992年泉州市邮电局大厦,高87.5m,采用框架剪力墙结构,底部三层的框架柱采用的钢管混凝土柱。

厦门信源大厦高96m,地下2层\地上28层。

地下至20层的全部框架柱及20～23层的四角柱采用了钢管混凝土。

厦门埠康大厦,高86.5m,地上25层,其中12层采用了钢管混凝土柱。

惠州嘉骏大厦28层,全部柱子采用钢管混凝土柱。

惠州富绅商住楼28层,地下2层、地上3层全部柱子采用了钢管混凝土柱。

这些高层建筑中采用钢管混凝土柱不仅节约材料、减轻自重、缩短工期,并且如果采用钢筋混凝土,柱断面尤其是底下数层柱的断面将会很大,结构占据了很大的使用面积,也给使用带来诸多不便。

4.钢管混凝土结构在公共建筑中的应用
在北京地铁车站站台中广泛采用了钢管混凝土柱,不仅充分发挥了其优良的
受力性能,也获得美好的景观,缩短了工期。

首钢陶楼展览馆,全部柱子也采用了钢管混凝土柱。

江西省体育馆的屋盖由跨度为88m的拱悬挂。

拱采用箱形截面,分别用四根钢管置于箱形截面的四角,用角钢做腹杆组成了箱形截面拱。

四角钢管中浇筑混凝土,以此箱形拱为依托,挂上模板,浇灌混凝土以形成钢筋混凝土箱形截面拱。

这样解决了如此高大拱体现场浇筑混凝土的困难。

充分体现了前述钢管可作为施工时承重骨架的优越性。

这一结构,实际上是钢管混凝土与空腹桁架配钢的型钢混凝土结构的巧妙结合与新的发展。

5.钢管混凝土结构在工业构筑物中的应用
钢管混凝土结构经常用于各种设备支架、塔架、通廊与仓库支柱等各种工业构筑物中。

工业构筑物支架柱常为轴心受压或接近轴心受压,塔架等构架的杆件常常以轴力为主,因此用钢管混凝土柱受力合理,尤其对于室外的高度较高的塔架或仓库等,用圆形柱减小了受风面积,对承受风力是理想的断面形式。

这些构筑物中比较典型的有江西德兴铜矿矿石贮仓柱。

圆筒贮仓高达42m,包括矿石在内总重达16000t,采用了16根钢管混凝土柱支承。

荆门热电厂锅炉构架1982年建成,锅炉及附属结构总重为4220t,构架高50m,由六根钢管混凝土平腹杆双肢柱支承。

构架跨度22.4m,柱距12m,柱顶标高47.93m。

柱肢采用令800mmXl2mm的钢管,显得非常轻巧。

另外笔者在莱钢2x60万吨水渣微粉项目中，立磨机框架高度52m，框架顶部工艺安置一台50吨行车，框架柱采用了钢管混凝土框架柱结构，较好解决整体框架结构顶部受力过大的问题。

华北电管局的微波塔于1988年建成,塔顶标高117m,塔身由20根令273mmX8mm无缝钢管内注C15混凝土的钢管辊凝土柱构成空心圆柱形结构。

华东电力设计院1979年设计的500kV门式变电构架采用钢管混凝土A形柱,构架高27.5m,采用420mmX6mm的钢管,取得较好的经济效果。

6.结论
由于钢管混凝土的合理受力性能,施工简便,可加速工期并取得一定经济效果,因此已广泛用于各种建构筑物及桥梁工程。

当然,根据其受力特点,主要用于以轴力为主尤其是以轴压为主的构件更显其优越性。

由于工程中各种类型构件均有,受力复杂,因此使用时应根据构件受力特点,可与钢结构/钢筋混凝土结构及其他组合结构结合使用,使各自发挥本身的特长而构成合理受力结构,而不可勉强地一定采用某种单一的结构体系。

【参考文献】
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