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鋼管混凝土的簡(jiǎn)介

  摘要:介紹了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀及其工程應(yīng)用,探討了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究方向。

  關(guān)鍵詞:鋼管混凝土

  近20年來(lái),鋼管混凝土結(jié)構(gòu)逐漸被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)尤其是在高層建筑結(jié)構(gòu)中,隨著建筑物高度的增加,鋼管高強(qiáng)混凝土和鋼管超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也將會(huì)得到快速的發(fā)展。一般的,我們把混凝土強(qiáng)度等級(jí)在c50以下的鋼管混凝土稱為普通鋼管混凝土;混凝土強(qiáng)度等級(jí)在c50以上的鋼管混凝土稱為鋼管高強(qiáng)混凝土;混凝土強(qiáng)度等級(jí)在c100以上的鋼管混凝土稱為鋼管超高強(qiáng)混凝土。

  鋼管混凝土結(jié)構(gòu)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)。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠更有效地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點(diǎn)。近年來(lái),隨著理論研究的深入和新施工工藝的產(chǎn)生,工程應(yīng)用日益廣泛。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。

  1.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

  眾所周知,混凝土的抗壓強(qiáng)度高。但抗彎能力很弱,而鋼材,特別是型鋼的抗彎能力強(qiáng),具有良好的彈塑性,但在受壓時(shí)容易失穩(wěn)而喪失軸向抗壓能力。而鋼管混凝土在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起,可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài),其抗壓強(qiáng)度可成倍提高.同時(shí)由于混凝土的存在,提高了鋼管的剛度,兩者共同發(fā)揮作用,從而大大地提高了承載能力。鋼管混凝土作為一種新興的組合結(jié)構(gòu),主要以軸心受壓和作用力偏心較小的受壓構(gòu)件為主,被廣泛使用于框架結(jié)構(gòu)中(如廠房和高層)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展是由于它具有良好的受力性能和施工性能,具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:

  1.1 承載力高、延性好,抗震性能優(yōu)越

  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?,?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。

  塑性是指在靜載作用下的塑性變形能力。鋼管混凝土短柱軸心受壓試臉表明,試件壓縮到原長(zhǎng)的2/3,縱向應(yīng)變達(dá)30%以上時(shí),試件仍有承載力。剝?nèi)ヤ摴芎?,?nèi)部混凝土雖已有很大的鼓凸褶皺,但仍保持完整,并未松散,且仍有約5%的承載力,用錘敲擊后才粉碎脫落??拐鹦阅苁侵冈趧?dòng)荷載或地震作用下,具有良好的延性和吸能性。在這方面,鋼管混凝土構(gòu)件要比鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)得多。在壓彎反復(fù)荷載作用下,彎矩曲率滯回曲線表明,結(jié)構(gòu)的吸能性能特別好,無(wú)剛度退化,且無(wú)下降段,和不喪失局部穩(wěn)定性的鋼柱相同,但在一些建筑中,鋼柱常常要采用很厚的鋼板以確保局部穩(wěn)定性。但還常發(fā)生塑性彎曲后喪失局部穩(wěn)定。因此,鋼管混凝土柱的抗震性能也優(yōu)于鋼柱。

  1.2 施工方便,工期大大縮短

  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。

  1.3 有利于鋼管的抗火和防火

  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1/3一2/3甚至更多,隨著鋼管直徑增大,節(jié)約涂料也越多。

  1.4 耐腐蝕性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)

  鋼管中澆注混凝土使鋼管的外露面積減少,受外界氣體腐蝕面積比鋼結(jié)構(gòu)少得多,抗腐和防腐所需費(fèi)用也比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省。鋼管混凝土構(gòu)件的截面形式對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能、施工難易程度、施工工期和工程造價(jià)都有很大的影響。圓鋼管混凝土受壓構(gòu)件借助于圓鋼管對(duì)其內(nèi)部混凝土有效的約束作用,使鋼管內(nèi)部的混凝土處于三向受壓狀態(tài),使混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度。但是圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工難度大,施工成本較高。相比之下,方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工較為方便,但鋼管混凝土受到的約束作用較小,結(jié)構(gòu)的承載力較低。

  1.5 施工方面

  鋼管混凝土柱的零件較少,焊縫少,構(gòu)造簡(jiǎn)單,柱腳常采用在棍凝土基礎(chǔ)上預(yù)留杯口的插人式柱腳,因而工廠制造比較簡(jiǎn)單,同時(shí)構(gòu)件自重較小,運(yùn)輸和吊裝也較易,施工很簡(jiǎn)便,而且鋼管餛凝土柱采用板材卷制,板材厚度都不大,一般在40m以內(nèi),無(wú)論工廠焊接和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接,都沒(méi)有什么困難。同時(shí),與鑰筋混凝土柱相比,鋼管混凝土柱的外皮鋼管具有鋼筋的功能,兼有縱向鋼筋和橫向箍筋的作用,所以管內(nèi)沒(méi)鋼筋,省了鋼筋下料和綁扎鋼筋等一系列工藝,又由于柱外皮鋼管本身就是耐側(cè)壓的模板,同時(shí)也省了支模和拆模等工序。近年來(lái),泵送磚相當(dāng)普遍,現(xiàn)場(chǎng)澆灌并無(wú)困難,我國(guó)創(chuàng)造并廣泛使用的高位拋落不振搗混凝土的施工方法,更簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)灌混凝土的工序,簡(jiǎn)便了施工。也有在管柱下部開(kāi)臨時(shí)澆灌孔,用混凝土泵自下而上灌注混凝土的方法,既快,又保證澆灌質(zhì)量。而且,在澆筑后,鋼管內(nèi)處于相當(dāng)穩(wěn)定的濕度條件,水分不易蒸發(fā),省去澆水養(yǎng)護(hù)工序,簡(jiǎn)化了混凝土的養(yǎng)護(hù)工藝。

  在鋼管構(gòu)件的制作、安裝要求方面:①鋼管混凝土柱用的鋼管,焊接、制作要求較高。一般應(yīng)優(yōu)先采用螺旋焊管,無(wú)螺旋焊接管時(shí),也可以用滾床自行卷制鋼管,但卷管的方向應(yīng)與鋼板壓延方向垂直且對(duì)管的內(nèi)徑有一定的要求。焊接時(shí)除一般鋼結(jié)構(gòu)的制作要求外要嚴(yán)格保證管的平、直,不得有翹曲、表面銹蝕和沖擊痕跡。特別是它對(duì)鋼管內(nèi)壁的除銹要求??赡軙?huì)增加鋼管的制作周期②在構(gòu)件制作過(guò)程中,鋼管的對(duì)接是一個(gè)難點(diǎn)。結(jié)構(gòu)要求焊后的管肢要平直,這就需要在焊接時(shí)采取相應(yīng)的措施和特別注意焊接的順序以及考慮到焊接變形的影響。管肢對(duì)接焊接前,對(duì)于小直徑鋼管應(yīng)采用點(diǎn)焊定位.對(duì)于大直徑鋼管應(yīng)另用附加鋼筋焊于鋼管外壁作臨時(shí)固定聯(lián)焊。在鋼管對(duì)接焊過(guò)程中,如發(fā)現(xiàn)點(diǎn)焊定位處的焊縫出現(xiàn)微裂縫,則該微裂縫部位必須全部鏟除重焊。為了確保聯(lián)接處的焊縫質(zhì)量,在現(xiàn)場(chǎng)拼接時(shí),在管內(nèi)接縫處必須設(shè)置附加襯管。對(duì)于格構(gòu)式柱要求往的肢管和各種腹桿的組裝連接尺寸和角度必須準(zhǔn)確。特別是腹桿與肢管聯(lián)接處的間隙,應(yīng)采用自動(dòng)切管機(jī)按照相接面管的直徑和角度切割成空間相交曲線的管端。如無(wú)自動(dòng)切割機(jī)時(shí)應(yīng)按板金展開(kāi)圖進(jìn)行放樣切割。在高層建筑中常常采用變徑的鋼管,變徑管的對(duì)接就又是一個(gè)施工難點(diǎn),變徑處節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較為復(fù)雜,無(wú)疑會(huì)影響到施工的進(jìn)度。

  2.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

  20世紀(jì)60年代之前,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究對(duì)象主要是圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。從60年代后半期以后,開(kāi)始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。目前,圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果,很多國(guó)家制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范或規(guī)程,如歐洲標(biāo)準(zhǔn)ec4(1996)、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)din18800(1997)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)aci319-89、sslc(1979)和lrfd(1997)、日本標(biāo)準(zhǔn)aij(1980,1997)。在我國(guó),鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要集中在圓鋼管中填充素混凝土的內(nèi)填型圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu),最早開(kāi)展研究工作的是原中國(guó)科學(xué)院哈爾濱土建研究所。1968年以后,中國(guó)建筑科學(xué)研究院、冶金部冶金建筑科學(xué)研究院等單位也先后對(duì)鋼管混凝土基本構(gòu)件的工作性能、設(shè)計(jì)方法、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和施工技術(shù)等方面展開(kāi)了系統(tǒng)的研究。進(jìn)入80年代后,研究工作進(jìn)一步深入,通過(guò)大量的試驗(yàn)研究和理論分析,對(duì)構(gòu)件的承載力和變形性能及其影響因素進(jìn)行了全面的研究,得到了實(shí)用的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。與此同時(shí),鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)也在迅猛發(fā)展,涌現(xiàn)出很多新的施工工藝和施工方法,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)得到了更加充分的發(fā)揮。近十幾年來(lái),我國(guó)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用都取得了令人矚目的成就。目前已經(jīng)先后有國(guó)家建材局、中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)、國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)和解放軍總后勤部頒布發(fā)行了有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)程。為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)的推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種大型建筑工程和交通運(yùn)輸工程中。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在近十年的時(shí)間里得到了飛速的發(fā)展。

  我國(guó)對(duì)于矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究工作開(kāi)展得較晚,1985年鄭州工學(xué)院開(kāi)始進(jìn)行方鋼管混凝土軸壓短柱的研究,其后同濟(jì)大學(xué)等單位也進(jìn)行了方鋼管混凝土構(gòu)件的研究,取得了一定的成果,而我國(guó)的矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工規(guī)程尚在制定中。

  3.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

  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%。法國(guó)巴黎居民區(qū)的第一座摩天大樓采用了鋼管混凝土框架柱,比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%。前蘇聯(lián)在一些吊車棧橋(跨度達(dá)48m)中采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),比全鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材12%-28%,降低造價(jià)28%,比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)省鋼9%,降低造價(jià)56%。日本、瑞士等國(guó)在輸電跨越塔中采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu),也都取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

  在20世紀(jì)60年代以前,由于鋼管內(nèi)澆注混凝土的施工工藝尚未得到很好的解決,現(xiàn)場(chǎng)的施工操作顯得繁瑣,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工性能方面的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到應(yīng)有的發(fā)揮。到80年代后期,由于泵送混凝土工藝的發(fā)展,解決了現(xiàn)場(chǎng)鋼管內(nèi)部澆灌混凝土的工藝問(wèn)題,加上現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土需要用鋼管約束來(lái)克服其脆性。因此,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在美國(guó)和澳大利亞等國(guó)的高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用,被認(rèn)為是高層建造技術(shù)的一次重大突破。

  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,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。在我國(guó),鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于以下的領(lǐng)域中。

  3.1 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。

  3.2 大跨度橋梁工程

  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115米的我國(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420米,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)。

  近年來(lái),在斜拉橋和梁式橋中也開(kāi)始采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),同樣取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。例如,廣東南海市紫洞大橋、湖北秭歸縣向家壩大橋和四川萬(wàn)縣萬(wàn)洲大橋都采用了鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu),減輕了結(jié)構(gòu)恒載,提了結(jié)構(gòu)承載力利用系數(shù),同時(shí)采用與之相適應(yīng)的、合理的施工工藝,簡(jiǎn)化了施工程序,減少了施工設(shè)備,加快了施工進(jìn)度,降低了工程造價(jià)。在對(duì)廣東南海市紫洞大橋主橋進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,主橋采用鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)與采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)方案相比較,可以節(jié)省混凝土44%,節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材62%,增加普通鋼材23%。加上施工設(shè)備、臨時(shí)設(shè)施和施工工期等方面的因素,主橋的經(jīng)濟(jì)效益就更為可觀。鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)適用于多種橋型,如系桿拱橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)等,推廣其應(yīng)用必將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

  3.3 地鐵車站工程

  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。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。

  3.4 單層和多層工業(yè)廠房柱

  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。

  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蝗?984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。

  4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展方向

  4.1 高強(qiáng)度材料的應(yīng)用

  采用高強(qiáng)混凝土可以減輕結(jié)構(gòu)自重、降低工程造價(jià)。隨著混凝土強(qiáng)度的提高,其延性下降,這阻礙了它在實(shí)際工程中的應(yīng)用。將高強(qiáng)混凝土灌入鋼管中形成高強(qiáng)鋼管混凝土,由于受到鋼管的約束作用,混凝土處于三向受壓狀態(tài),其延性將大為提高,而其構(gòu)件的承載力也得到了相應(yīng)的提高。因此,高強(qiáng)鋼管混凝土具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/FONT>

  近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土構(gòu)件的研究表明;高強(qiáng)鋼管混凝土的力學(xué)性能與普通鋼管混凝土有所不同,其設(shè)計(jì)不能套用普通鋼管混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)公式。而我國(guó)現(xiàn)行的鋼管混凝土設(shè)計(jì)施工規(guī)范和規(guī)程只適用于普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu),因此必須加大高強(qiáng)鋼管混凝土的研究力度,盡快制定出相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范和觀察。

  4.2 節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能的研究

  節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部位,也是施工的難點(diǎn)。對(duì)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn),其合理與否直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和整個(gè)工程的造價(jià)。鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)可以分為兩種;鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)和鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)靜力性能的研究較多,而對(duì)于節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能的研究報(bào)導(dǎo)還較少。

  4.3 耐火性能的研究

  我國(guó)還沒(méi)有制定針對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的防火規(guī)定。對(duì)于已經(jīng)建成的鋼管混凝土結(jié)構(gòu),有的采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要求外包混凝土,有的按照鋼結(jié)構(gòu)的要求涂防火材料,都沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定和科學(xué)的依據(jù)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者就鋼管混凝土的耐火性能問(wèn)題進(jìn)行了研究,已經(jīng)取得了可喜的成績(jī);應(yīng)盡快編制出適合我國(guó)國(guó)情的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)防火規(guī)范。

  4.4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系抗震性能的研究

  在對(duì)采用鋼管混凝土柱及鋼筋混凝土柱的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能的對(duì)比試驗(yàn)研究;并從理論上分析比較了兩種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能,得出了鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的結(jié)論。但目前對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的研究,主要還是集中在基本構(gòu)件方面,而對(duì)于鋼管混凝土整體結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究還不多。應(yīng)開(kāi)展這方面充分的研究,以提供合理的抗震設(shè)計(jì)參數(shù),便于工程應(yīng)用。

  4.5 矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究

  矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中,鋼管對(duì)于其內(nèi)部混凝土的約束作用相對(duì)較弱,但是它具有節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單,便于施工等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者對(duì)矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已進(jìn)行了大量的研究,制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)程,在工程應(yīng)用上也取得了很大的進(jìn)展。我國(guó)的矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工規(guī)程尚在制定中。

  與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種相對(duì)年輕的結(jié)構(gòu)形式。隨著其理論研究的深入和完善,新型施工工藝的產(chǎn)生和高性能材料的應(yīng)用,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。

  4.6 鋼管混凝土施工方面的研究

  鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工中也有一些問(wèn)題不容忽視。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接構(gòu)造方面:①當(dāng)鋼管混凝土柱與混凝土梁連接時(shí),就必須借助于柱上的牛腿和加強(qiáng)板。如果用暗牛腿、會(huì)給澆注混凝土帶來(lái)不便,影響施工進(jìn)度②當(dāng)鋼管混凝土柱與無(wú)梁蓋連接時(shí),尤其是采用升板法施工時(shí),板與柱的連接構(gòu)造是相當(dāng)復(fù)雜的,會(huì)直接影響到施工的進(jìn)度③為了能夠充分發(fā)揮鋼管混凝土的承載力,鋼管混凝土的連接應(yīng)盡可能地將連接力可靠地傳遞到核心混凝土上。常采用柱頂蓋板、柱腳底板和層間隔板、穿心板等來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然前提條件必須是應(yīng)保證管內(nèi)混凝土的密實(shí),做到這一點(diǎn)也是不易的。橫隔板和上、下柱的連接是比較縈瑣的,尤其是對(duì)于小直徑管,特別不便于施工。穿心板的制作也很麻煩,而且還會(huì)妨礙管內(nèi)混凝土的澆注和振搗。一般僅在大直徑鋼管混凝土中使用。

  4.7 預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土方面的研究

  實(shí)際上,隨著鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛,鋼管混凝土還常用于結(jié)構(gòu)的受拉部位,如鋼管混凝土空間桁架的下弦及受拉腹桿、大跨度拱橋的水平拉桿和擋土墻的錨桿等。因此,本文提出了預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu),即對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力,以提高結(jié)構(gòu)的承載力。預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不僅有效地拓展了鋼管混凝土的應(yīng)用范圍(鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍不再局限于軸心受壓短柱,可擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)的受拉部位),而且改善了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的性能,也充分發(fā)揮了組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。另外,預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用于斜拉橋的斜拉索亦是一種有益的嘗試,可改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能,減小斜索垂度的影響,提高索的耐久性和抗腐蝕能力。

  4.8薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

  薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是介于鋼筋混凝土環(huán)形桿和鋼管桿之間的一種新型鋼—砼復(fù)合結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)既可以充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的物理力學(xué)性能,又可避免這兩種材料在各自單獨(dú)實(shí)用條件下的弱點(diǎn),具有良好的共同工作和力學(xué)性能。我國(guó)從1984年起,開(kāi)始該結(jié)構(gòu)研究試驗(yàn),目前關(guān)于該種結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算理論、技術(shù)規(guī)程、制造工藝以及施工及驗(yàn)收規(guī)程均圖#以編制出版,已形成較為完整的體系。

  該種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)缺點(diǎn):(1)與鋼筋混凝土電桿相比,其優(yōu)點(diǎn)為:在使用鋼材相同的情況下,可減小斷面,減輕重量;簡(jiǎn)化制造工藝,不需要鋼模,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率;抗震和抗沖擊能力強(qiáng),運(yùn)輸、安裝破損少,搬運(yùn)及立塔施工方便;可解決混凝土桿所普遍存在的裂縫問(wèn)題,延長(zhǎng)使用壽命;不需預(yù)埋件、抱箍等附件,連接方便;提高了構(gòu)件及工程的美觀效果。(2)與鋼管結(jié)構(gòu)或普通鋼結(jié)構(gòu)相比,其優(yōu)點(diǎn)為:節(jié)省25-50%的鋼材,降低造價(jià)20-40%左右;提高局部穩(wěn)定性;解決鋼管內(nèi)壁防腐問(wèn)題。


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