钢管混凝土的受力特性及其应用中的优缺点(1)

330江西化工2008年第4期钢管混凝土的受力特性及其应用中的优缺点王焕林(广东省广州市设计院)摘要:本文简单的介绍了钢管混凝土结构的发展及其在工程实践上的广泛应用。根据国内外对钢管混凝土的研究,介绍了钢管混凝土结构的发展和特点、钢管与混凝土的共同工作、钢管混凝土构件的受力性能及其有关计算理论;并从抗震性能、经济效果、构造做法以及施工等方面与钢结构和钢筋混凝土结构进行了详细的比较,通过分析有关资料及大量的统计数据阐述了钢管混凝土在应用中的优、缺点。1引言心受压短试件的强度承载力计算方法可归纳为2类:钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构确定极限承载力。件,按截面形式不同,分为方钢管混凝土、圆钢管混凝Nu=fcAc+%slAs+kfyAs(1)土和多边形钢管混凝土,由于圆钢管混凝土是最为常用也是性能最优的一种形式,所以本文以圆钢管混凝土为研究对象,以下文中提到钢管混凝土如无说明均为圆钢管混凝土。式中%sl为钢管纵向应力,式(1)中第2项是极限荷载时钢管的纵向承载力,第3项是混凝土因钢管约束而提高的承载力部分。进入塑性工作阶段的承载力进入塑性阶段承载2钢管混凝土的应用和发展力。早在十九世纪八十年代钢管混凝土就已经被人类No=fcAc+kpAc+%slAs(2)设计应用。在国外,1939年建成的前苏联!∀河铁式中,第1项和第2项之和是三向受压核心混凝土路拱桥,跨度140m,矢高2119m,拱架上、下弦之间的距离1为6m,上、下弦杆均采用了钢管混凝土结构。1989年建的现位于美国西雅图的美国太平洋第一中心大厦,建筑层数44层,它的核心筒就是由8根#2.3m的粗钢管组成,管内填充了圆柱体强度为124MPa的高强混凝土。在国内,二十世纪六十年代开始了这种结构的研究并首先用于首都地铁工程中。七十年代以后,在许多工业厂房,高炉和锅炉构架以及输、变电塔架中的极限承载力,第3项是双向受力钢管的极限承载力,%sl是钢管进入塑性状态时的纵向应力。3.1.2轴心受压时的稳定承载力钢管混凝土轴心受压时的临界力计算可归纳为2种方法:应用欧拉公式确定临界力认为构件的临界力是钢管和混凝土的欧拉临界力之和,表达式如下:均得到了广泛应用。特别是工业厂房都采用了钢管混凝土。随着时代的发展,科技的进步,钢管混凝土结构Ncr=l22(EsIs+EcIc(3)在公路、城市拱桥以及高层建筑中都得到了广泛应用。式(3)只适用于弹性阶段稳定临界力的计算3钢管混凝土的受力特点与性能根据实验结果回归稳定系数钢管混凝土构件的内部混凝土与外包钢管形成整体,共同受力,其受力性能优于这两种材料性能的简单为中国建筑科学研究院结构所推荐的经验稳定系数叠加。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后,随着∋1=1-0.115L/D-4(4)轴心受压荷载的增大,核心混凝土的泊松比∃c逐渐超过了钢管的泊松比∃s,两者之间产生了渐增的相互作用力,使得核心混凝土处于3向受压状态,延缓了受压时的纵向开裂,从而使钢管混凝土具有很高的承载力,大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之和。将混凝土灌入钢管中形成钢管混凝土,核心混凝土在钢管的约束下,不但在使用阶段改善了它的弹性性质,而且在破坏时具有很大的塑性变形。3.1轴心受压3.1.1轴心受压时的强度承载力,对钢管混凝土轴式中,L和D分别是构件的计算长度和外直径,此式的优点是计算简单,但∋1-((!4L/D)的关系为下凹曲线,对于弹塑性失稳的构件过分偏于安全,且和实验值相比,差别也较大。3.1.3纯弯曲以往,对钢管混凝土受弯构件的研究不多,有关抗弯承载力的确定依据也不尽相同,例如有学着认为可以定义截面塑性充分发展(截面2/3以上范围达到屈服),而钢管最外边缘纤维尚未强化的点为试件的抗弯极限,有的学着则认为比较合理的极限荷载,应是钢管&-----------------------------------------------------Page1-----------------------------------------------------2008年12月钢管混凝土的受力特性及其应用中的优缺点331套箍效应充分发挥,而又尚未进入强化阶段时的最大荷载,亦即钢管纵向纤维开始进入强化阶段的荷载3.1.4压弯(包括偏压)钢管混凝土偏心受压时,承载力(包括稳定承载力)的计算方法可归纳为4种:采用最大荷载理论,根据临界状态时危险截面的内外力平衡条件、几何关系及变形协调条件获得截面平均应力与杆中挠度之间的关系,取极值即得临界应力,计算公式为:刚度退化,抗震性能大大优越于钢筋混凝土结构。4.3经济效果显著据有关数据表明,和钢柱相比可节约钢材50%左右,造价大幅度降低。和钢筋砼柱相比可节约混凝土70%左右,减轻自重70%,节省模板100%,而用钢量相等或略多。4.4施工简单,可以大大缩短工期4.5在高层建筑中,与钢筋混凝土和钢结构相比钢管砼的优越性显得更为突出。N∋eEu(5)4.5.1钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高偏压构件稳定系数:∋e=Ncr/Nu=f(fc,fcu,),(,e/r)系数∋e与钢号、混凝土强度等级、含钢率、构件长细比及偏心率e/r等有关。轴力与弯矩相关方程,可采用直线相关方程(公式中没有考虑截面的塑性发展)和圆的相关方程,采用相关方程的优点是计算简便,形式简单,计算公式和轴压及抗弯承载力计算公式相衔接。∀增大偏心率法。#经验系数法,国外采用经验稳定系数时,和轴压构件一样用单一稳定系数,根据试验结果回归出稳定系数,表达式为N∃∋1∋eN0(6)式中,∋1和∋e分别是长细比影响系数(即轴心受压稳定系数)和偏心率影响系数,二系数相乘得偏心受压稳定系数,即:∋p=∋1∋e(7)由式(7)可知,当e/r固定时,∋e值就固定,这说明荷载偏心对各种长细比构件的影响都一样,这和实验结果及理论分析结果都不一致。经实验证明,抗压承载力为混凝土柱的一倍以上,同时抗剪承载力也比钢筋砼柱高许多。和钢柱相比,抗压承载力虽略低,但却无局部失稳问题。而且钢管混凝土的塑性性能好,防止了管内砼的脆性破坏。在高层建筑中可以做到不限制轴压比。这是钢筋混凝土结构无法做到的。在截面上可以比砼结构构件减小50%以上。深圳赛格广场大厦的受力最大柱,受轴向力N=90000KN,采用钢管砼柱为#1600%28,如采用钢筋混凝土柱要做到2400%2200mm,减少了63%的截面。4.5.2扩大了使用空间由于钢管混凝土柱的承载力高,不但柱子截面小,而且还可以采用大柱网,大空间的框架结构体系。经有关专家测算在高层建筑中采用钢管混凝土柱比采用钢筋混凝土结构增加使用面积3%~6%,以深圳赛格广场大厦为例,总建筑面积16万平方米,按5%计算就可以增加使用面积8000平方米,相当于多建出一个中型写字楼。4.5.3柱子截面减小对结构抗震有利和钢筋混凝土柱相比,钢管混凝土柱的自重大幅度减小,地震作用引起的地震反应也将减小。具有关资料分析,高层建筑中采用钢管混凝土柱和钢梁等结4钢管混凝土的优点构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少1/3~1/正是由于混凝土在钢管的约束下处于三向受压状态,这样一来使混凝土的性能发生了变化,大大提高了混凝土的抗压强度,同时塑性性能得到了很大的改善。在工作性质上起了质的变化。由原来的脆性材料转变为塑性材料,这一转变决定了钢管混凝土这种结构形式的基本性质和特点。所以使得钢管混凝土相比普通的钢筋混凝土结构有着更多的优点:4.1承载力大大提高经有关专家实验和理论分析证明钢管混凝土受压构件强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和的117~210倍。4.2具有良好的塑性和抗震性能据有关实验数据表明:钢管混凝土轴向压缩到原长的2/3,构件表面已褶曲,但仍有一定的承载能力。可见塑性之好。在压弯剪循环荷载作用下,水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满,吸能能力很好,基本无2,地震作用可以减小一半,相当于设防烈度下降一度。做为搞结构的人都明白这将意味着结构构件截面的再进一步减小。4.5.4柱子截面减小,降低了地基基础的造价采用钢筋混凝土的高层建筑,其自重一般为1.15t/m~2t/m(不包括基础)而采用钢管混凝土柱钢梁结构时,一般自重都小于1t/m,在国外,有低达0.15t/m~0.16t/m的例子。显然,和采用钢筋混凝土结构相比,采用钢管混凝土柱可以减小地基上单位面积荷载25%以上,自然,基础尺寸也相应减少,降低了基础工程造价。4.5.5钢管混凝土柱的钢管较薄,简化了施工在高层建筑和超高层建筑中采用钢管混凝土柱时,钢管厚度一般不超过40mm,而采用钢结构时,需要的钢板厚度可达80~100mm甚至更大。这样的厚板,目前国内的产品质量保证率很低,大部分需要国外进口。同时对厚板制作和对接焊接质量要求也很高,特-----------------------------------------------------Page2-----------------------------------------------------332江西化工2008年第4期别是现场进行柱段对接焊接相当困难,有时可能成为阻碍现场施工进度的一个复杂工序。4.5.6钢管砼柱的耐火性能好由于钢管内灌有混凝土,能吸收大量的热能,因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀,增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明:达到一级耐火三小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/2~2/3甚至更多,随着钢管直径增大,节约涂料也越多。4.5.7全可靠地采用高强度混凝土从近几年看来,C60混凝土的应用已较为普遍,C70和C80甚至更高标号的混凝土也已能生产投入使用。用钢管混凝土,不但构造简捷,施工方便且能达到防止高强混凝土脆性破坏的目的;能够真正发挥高强混凝土的作用,同时并不多费钢材。也是存在弊端的5.4.1钢管混凝土柱管内混凝土的浇注属于隐蔽工程,无论从质量检测还是完善施工质量都是较为费工的。5.4.2必须有严密的施工组织管理。6总结钢管混凝土结构在我国应用和研究的时间还不长,随着今后我国高层和超高层建筑的迅速发展,钢管混凝土结构应用会越来越多,但正如我们上面所提到的,我们不难发现尽管钢管混凝土结在许多方面还存在着这样那样的弊端和问题,但它的优点大大多于缺点,确实是其它结构形式所不及的。随着科技水平的不断提高及新材料的出现以及不断的深入研究,尤其是在对钢管高强混凝土结构的加强这方面的研究和应用同时,解决钢管混凝土结构中关键技术的连接构造5钢管混凝土的缺点问题我相信钢管混凝土的弊端会被进一步改善,优点尽管钢管混凝土结构的优点很多,但是由于它自身的特性决定了它尚存在的一些弊端。下面就让我们来看看钢管混凝土结构究竟有什么样的局限。5.1使用范围有限从现已建成的众多建筑来看,钢管混凝土的使用范围还仅限于柱、桥墩、拱架等。5.2从结构构件的连接构造上讲,钢管混凝土结构也有许多缺点,而这是钢管混凝土结构在应用中最大的问题。5.2.1当钢管混凝土柱与混凝土梁连接时,就必须借助于柱上的牛腿和加强板。如果与柱连接的梁较多且不在同一标高时,就会有许多的牛腿和加强板如果采用明牛腿可能在美观上会受到影响。如果用暗牛腿,又会或多或少地给浇灌混凝土带来不便,影响施工进度。5.2.2当钢管混凝土柱与无梁盖连接时,尤其是采用升板法施工时,板与柱的连接构造是相当复杂的,会直接影响到施工的进度。5.2.3为了能够充分发挥钢管混凝土的承载力,钢管混凝土的连接应尽可能地将连接力可靠地传递到核会体现出来,成为一种更完善的结构形式。参考文献[1]李俊峰.浅谈钢管混凝土结构的应用与优缺点,1009-5438,(2001),03-0092-04.[2]韩林海,陶忠.钢管混凝土研究与应用中的若干关键问题,(福州大学土木建筑工程学院,福州,350002).[3]钟善桐,钢管混凝土结构讲座.建筑结构,1998,(10):55~591[4]韩林海,钟善桐.钢管混凝土压扭、弯扭构件承载力相关方程,哈尔滨建筑工程学院学报,1994,(4):32237.[5]蔡绍怀.我国钢管混凝土结构技术的