鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

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鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

目前，在建筑結(jié)構(gòu)中應用比較普遍的柱結(jié)構(gòu)主要有鋼筋混凝土，型鋼混凝土和鋼結(jié)構(gòu)等。衡量一種柱構(gòu)件技術(shù)上的優(yōu)越性可以總體上從考察以下幾個指標來進行，即構(gòu)件截面尺寸和自重、抗震性能、耐火性能和施工性能等。下表給出了鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土、型鋼混凝土和鋼結(jié)構(gòu)柱等的比較情況：

柱結(jié)構(gòu)的性能比較

項目

鋼筋混凝土

型鋼混凝土

鋼結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土

截面尺寸

大

較大

較小

較小

抗震性能

較差

較好

好

較好

耐火性能

好

好

較差

較好

施工性能

一般

一般

好

好

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)。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，同時克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點。一般的，混凝土強度等級在C50以下的鋼管混凝土稱為普通鋼管混凝土；混凝土強度等級在C50以上的鋼管混凝土稱為鋼管高強混凝土；混凝土強度等級在C100以上的鋼管混凝土稱為鋼管超高強混凝土。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)應用較廣。

混凝土的抗壓強度高，但抗彎能力很弱，而鋼材，特別是型鋼的抗彎能力強，具有良好的彈塑性，但在受壓時容易失穩(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)，其抗壓強度可成倍提高。同時由于混凝土的存在，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)為以下幾個方面：

一、承載力高

鋼管混凝土柱中，鋼管對其內(nèi)部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可延緩混凝土受壓時的縱向開裂，提高了混凝土的抗壓強度；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。兩種材料相互彌補了彼此的弱點，卻可以充分發(fā)揮各自的長處，從而使鋼管混凝土具有很高的承載能力。研究表明，鋼管混凝土柱的承載力高于相應的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。

二、塑性和韌性好，抗震性能優(yōu)越

混凝土的脆性相對較大，對于高強度混凝土更是如此。如果將混凝土灌入鋼管中形成鋼管混凝土，核心混凝土在鋼管的約束下，不但在使用階段改善了它的彈性性質(zhì)，而且在破壞時具有較大的塑性變形。此外，這種結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載和振動荷載時，也具有很大的韌性。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)樗苄云茐模瑯?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。

三、耐火性能較好

火災下，由于核心混凝土可吸收鋼管傳來的熱量，從而使其外包鋼管的升溫滯后，這樣鋼管混凝土中鋼管的承載力損失要比純鋼結(jié)構(gòu)相對更小，而鋼管也可以保護混凝土不發(fā)生崩裂現(xiàn)象?；馂淖饔孟?，隨著外包鋼管溫度的不斷升高，其承載能力會不斷降低，并把卸下的荷載傳遞給升溫較慢、且具有較高承載能力的核心混凝土。這樣由于組成鋼管混凝土的鋼管和其核心混凝土之間具有相互貢獻、協(xié)同互補和共同工作的優(yōu)勢，使這種結(jié)構(gòu)具有較好的耐火性能。

四、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。

五、施工方面

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時，鋼管可以做為勁性骨架承擔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)護時間的影響；鋼管混凝土柱的零件較少，焊縫少，構(gòu)造簡單，柱腳常采用在混凝土基礎(chǔ)上預留杯口的插人式柱腳，因而工廠制造比較簡單；同時構(gòu)件自重較小，運輸和吊裝也較易，施工很簡便；而且鋼管混凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在40mm以內(nèi)，無論工廠焊接和現(xiàn)場進行對接，都沒有什么困難。同時，與鋼筋混凝土柱相比，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，同時也省了支模和拆模等工序。在澆筑混凝土后，鋼管內(nèi)處于相當穩(wěn)定的濕度條件，水分不易蒸發(fā)，省去澆水養(yǎng)護工序，簡化了混凝土的養(yǎng)護工藝。

鋼管混凝土的施工主要包含鋼管的制作、安裝及混凝土的施工兩個方面的內(nèi)容，下面就從這兩個方面談一下鋼管混凝土施工中的一些問題。

1. 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。一般應優(yōu)先采用螺旋焊管，無螺旋焊接管時，也可以用滾床自行卷制鋼管。焊接時除一般鋼結(jié)構(gòu)的制作要求外要嚴格保證管的平、直，不得有翹曲、表面銹蝕和沖擊痕跡。特別是它對鋼管內(nèi)壁的除銹要求?？赡軙黾愉摴艿闹谱髦芷?/span>。

2) 在構(gòu)件制作過程中，鋼管的對接是一個難點。結(jié)構(gòu)要求焊后的管肢要平直，這就需要在焊接時采取相應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。管肢對接焊接前，對于小直徑鋼管應采用點焊定位。對于大直徑鋼管應另用附加鋼筋焊于鋼管外壁作臨時固定聯(lián)焊。在鋼管對接焊過程中，如發(fā)現(xiàn)點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)場拼接時，在管內(nèi)接縫處必須設(shè)置附加襯管。

3) 鋼管構(gòu)件在吊裝時應控制吊裝荷載作用下的變形，吊點的設(shè)置應根據(jù)鋼管構(gòu)件本身的承載力和穩(wěn)定性經(jīng)驗算后確定。吊裝時應將管口包封，防止異物落入關(guān)內(nèi)。鋼管構(gòu)件吊裝就位后，應立即進行校正，采取可靠固定措施以保證構(gòu)件的穩(wěn)定性。

2. 混凝土的澆筑

鋼管混凝土核心混凝土的配合比除了應滿足有關(guān)力學性能指標的要求外，尚應注意混凝土塌落度的選擇。鋼管內(nèi)混凝土澆灌工作，宜連續(xù)進行，若間歇時，時間不應超過混凝土的終凝時間，需留施工縫時，應將管口封閉，防止水、油污和異物等落入?；炷潦┕で皯星袑嵖尚械氖┕そM織計劃。

管內(nèi)澆注可采用以下幾種方法：

1) 人工逐層澆筑法

2) 導管澆筑法

3) 高位拋落免振搗法

4) 泵送頂升澆筑法