摘 要:鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展較快的結(jié)構(gòu)類型。本文就鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和工程應(yīng)用兩方面作了介紹,使讀者對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有更詳細(xì)的了解。

     關(guān)鍵詞:鋼管混凝土  特點(diǎn) 工 程應(yīng)用

     中圖分類號(hào):TU528         文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A

     鋼管混凝土是在勁性鋼筋混凝土和螺旋鋼筋,混凝土的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來(lái)的,是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過(guò)程中的相互作用,即鋼管對(duì)混凝土的約束作用使混凝土處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)之下,使混凝土的強(qiáng)度得以提高。同時(shí),由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲, 可以保證其材料性能的充分發(fā)揮。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)按照截面形式的不同可以分為矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和多邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等,其中矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣。

     鋼管混凝土柱中,鋼管對(duì)其內(nèi)部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài),提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度;鋼管內(nèi)部的混凝土又可以有效地防止鋼管發(fā)生局部屈曲。研究表明,鋼管混凝土柱的承載力高于相應(yīng)的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?構(gòu)件的延性性能明顯改善,耗能能力大大提高具有優(yōu)越的抗震性能。

     鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí),鋼管可以做為勁性骨架承擔(dān)施工階段的施工荷載和結(jié)構(gòu)重量,施工不受混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響;由于鋼管混凝土內(nèi)部沒(méi)有鋼筋, 便于混凝土的澆注和搗實(shí);鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí),不需要模板,既節(jié)省了支模、拆模的材料和人工費(fèi)用, 也節(jié)省了時(shí)間。

    由于鋼管內(nèi)填有混凝土,能吸收大量的熱能,因此遭受火災(zāi)時(shí)管柱截面溫度場(chǎng)的分布很不均勻,增加了柱子的耐火時(shí)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(jié)構(gòu)倒塌。組合梁的耐火能力也會(huì)提高,因?yàn)殇摿旱臏囟葧?huì)從頂部翼緣把熱量傳遞給混凝土而降低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:達(dá)到一級(jí)耐火3 小時(shí)要求和鋼柱相比可節(jié)約防火涂料1/3-2/3 甚至更多,隨著鋼管直徑增大,節(jié)約涂料也越多。

     鋼管混凝土作為一種較合理的結(jié)構(gòu)形式,采用鋼管混凝土可以很好的發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料的特性和潛力,使材料得到更為從分和合理的應(yīng)用,因此,鋼管混凝土具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。大量工程實(shí)際表明:采用鋼管混凝土的承壓構(gòu)件比普通鋼筋混凝土承壓構(gòu)件約可節(jié)省混凝土50%,減輕結(jié)構(gòu)自重50% 左右,鋼材用量略高或略相等;和鋼結(jié)構(gòu)相比,可以節(jié)省鋼材5 0 % 左右。早在19 世紀(jì)80 年代,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就已經(jīng)出現(xiàn)。例如,1879 年英國(guó)賽文(severn)鐵路橋的建造中采用了鋼管橋墩,在鋼管中灌了混凝土以防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。前蘇聯(lián)烏拉爾的伊謝特鐵路橋采用鋼管混凝土構(gòu)件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子,省鋼25％。1961 年比利時(shí)建造船塢時(shí),采用鋼管混凝土構(gòu)件做桁架的壓桿和立柱,比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%。我國(guó)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已有近40 年的歷史。1966 年鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于北京地鐵車站工程,20 世紀(jì)70 年代又在單層工業(yè)廠房、重型構(gòu)架中得到了成功的應(yīng)用。近10 年來(lái),隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成效地應(yīng)用,推動(dòng)了建造技術(shù)的發(fā)展。

2.1 高層建筑工程       
                

     在高層建筑結(jié)構(gòu)中,鋼管混凝土柱具有很大的優(yōu)勢(shì):具有承載力高,抗震性能好的特點(diǎn),既可以取代鋼筋混凝土柱,解決高層建筑結(jié)構(gòu)中普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部的“胖柱”問(wèn)題和高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中柱的脆性破壞問(wèn)題;也可以取代鋼結(jié)構(gòu)體系中的鋼柱,以減少鋼材用量, 提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。鋼管混凝土構(gòu)件的自重較輕,可以減小基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān),降低基礎(chǔ)的造價(jià)。全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”進(jìn)行施工,從而加快施工進(jìn)度;鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小, 取材容易、價(jià)格低。其耐腐蝕和防火性能也優(yōu)于鋼柱。鋼管混凝土柱不易倒塌,即使損壞,修復(fù)和加固也比較容易。

     隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,需要建造能夠跨越江河、海灣和山谷的,安全、經(jīng)濟(jì)且輕盈美觀的大跨度橋梁。在我國(guó),鋼管混凝土已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu)中,也開(kāi)始應(yīng)用于斜拉橋結(jié)構(gòu)中。在拱橋結(jié)構(gòu)中,鋼管混凝土構(gòu)件主要用來(lái)承受軸向壓力。拱橋的跨度很大時(shí),拱肋將承受很大的軸向壓力,采用鋼管混凝土構(gòu)件是非常合理的。另外,鋼管可以做為橋梁安裝架設(shè)階段的勁性骨架和灌注混凝土的模板。因此,鋼管混凝土被認(rèn)為是建造大跨度拱橋的一種比較理想的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。自1990 年在四川省旺蒼縣建成跨度為115m 的我國(guó)第一座鋼管混凝土拱橋以來(lái),在10 來(lái)年的時(shí)間里,我國(guó)已經(jīng)建成了100 多座鋼管混凝土拱橋,其中跨度在100 米以上的就有30 多座,尤其是重慶市萬(wàn)縣長(zhǎng)江公路大橋,跨度達(dá)到420m,一跨過(guò)江。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐,我國(guó)在鋼管混凝土拱橋建設(shè)上已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術(shù)。

     地鐵車站是我國(guó)最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程項(xiàng)目。早期的地鐵車站是深埋地下的多跨結(jié)構(gòu)用明挖法施工;采用鋼管混凝土柱主要是利用其承載力高的特點(diǎn),以減小柱子的截面尺寸,有效地利用空間。近年來(lái),在城市中心地區(qū)修建的地鐵車站多為淺埋式的、具有綜合功能的多層地下建筑。采用蓋挖逆作法施工,以盡量減少對(duì)城市正常生活的干擾以及對(duì)地面交通和鄰近建筑的影響。蓋挖逆作法,是先施工地下結(jié)構(gòu)的頂蓋,在頂蓋的保護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖, 按照從頂?shù)降椎捻樞蜻M(jìn)行施工。為此,必須在土方開(kāi)挖前設(shè)置好頂蓋的中間支撐柱,鋼管混凝土柱將施工階段的臨時(shí)柱和結(jié)構(gòu)的永久柱合二為一, 因此是最好的選擇。20 世紀(jì)90 年代以來(lái),北京地鐵的復(fù)八線工程中, 采用蓋挖逆作法建成了“天安門東站”、“大北窯站”和“永安里站”;在建中的南京地鐵的“三山街站”也是采用的蓋挖逆作法進(jìn)行施工。

      單層工業(yè)廠房的柱屬于偏心受壓構(gòu)件,為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),很多工程中的柱子設(shè)計(jì)成格構(gòu)式組合柱, 如雙肢柱、三肢柱和四肢柱,把偏心彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S心力。如1972 年建成的本溪鋼鐵公司二煉鋼軋輥鋼錠模車間采用了四肢柱;1980年建成的太原鋼鐵公司第一軋鋼廠第二小型廠的下柱采用雙肢柱;1982年建成的吉林種籽處理車間采用了三肢柱;1980年建成的武昌造船廠船體結(jié)構(gòu)車間采用了四肢柱。與鋼筋混凝土柱和普通鋼柱相比,鋼管混凝土組合柱顯得特別輕巧,節(jié)約鋼材,施工簡(jiǎn)便,同時(shí)剛度好。單層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱時(shí),鋼管中混凝土的澆注可以在全部主體結(jié)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行,所以大大縮短了工期。如1992 年建成的哈爾濱建成機(jī)械廠大容器車間,從破土動(dòng)工到竣工只用了15.5 個(gè)月;同年該廠又建成了容罐式汽車車間, 主體結(jié)構(gòu)的施工僅用了半年時(shí)間。20 世紀(jì)80 年代初,我國(guó)開(kāi)始在多層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱。多層工業(yè)廠房柱基本為偏心受壓?jiǎn)喂苤?如1984 年建成的上海特種基礎(chǔ)科研所的科研樓,1985年建成的柳州水泥廠窯尾加熱車間。