談鋼管混凝土結構在大型構筑物中的應用

熊 浩 李穎超

0 引言

鋼管混凝土是“鋼管套箍混凝土”的簡稱(STCC)，它是將混凝土填入圓形鋼管內而形成的組合結構材料，是套箍混凝土的一種特殊形式，是一種具有承載力高、塑性和韌性好、節(jié)省材料、方便施工等特點的新型組合結構材料。

1 工程概況

河北某軋鋼廠100 m3事故水塔，由4根φ377×16(材質為Q235B)鋼管柱支撐著上部的鋼結構水箱，水箱頂部標高為58.860。鋼管柱共分為四節(jié)，第一節(jié)為 ±0.000～15.000，第二節(jié)為15.000 ～30.000，第三節(jié)為 30.000 ～45.000，第四節(jié)為45.000 ～53.000，相鄰兩鋼管柱由10.9級扭剪型高強度螺栓連接，其中每根鋼管柱29.000以下灌注C30無收縮混凝土。

2 鋼管混凝土柱的結構特點

鋼管混凝土結構的工作機理是利用鋼管內的混凝土增加鋼管柱的穩(wěn)定性，并同時利用鋼管對混凝土的約束作用，使核心混凝土處于三向受力狀態(tài)，提高核心混凝土的抗壓強度和變形能力。鋼管混凝土柱是充分利用了鋼結構和混凝土結構的一種新結構，該結構具有如下優(yōu)點:

1)承載力高。

當鋼管混凝土柱受壓時鋼管處于雙向應力狀態(tài)，管內混凝土處于三向受壓狀態(tài)。

以該水塔φ377×16鋼管混凝土柱為例，分別計算鋼管柱和管內混凝土的承載力，然后與鋼管混凝土結構的承載力進行比較。

鋼管柱的承載力N鋼管=fa·Aa。

鋼管柱內混凝土的承載力N混凝土=fc·Ac。

其中，No為鋼管混凝土軸心受壓短柱的承載力設計值;fc為混凝土的抗壓強度設計值，fc=15 N/mm2;Ac為鋼管內混凝土的橫截面面積，Ac=93482.02 mm2;fa為鋼管的抗拉、抗壓強度設計值，fa=215 N/mm2;Aa為鋼管的橫截面面積，Aa=18145.84 mm2;θ為鋼筋混凝土的套箍指標，θ=fa·Aa/(fc·Ac)=215×18145.84/(15×93482.02)=2.782250248。

a.鋼管柱的承載力:N鋼管=fa·Aa=215×18145.84=3901355.6 N。

b.鋼管柱內混凝土的承載力:N混凝土=fc·Ac=15×93482.02=1402230.3 N。

No/(N鋼管+N混凝土)=7642517.073/5303585.9=1.44 倍。

通過上述計算可知，鋼管混凝土柱受力時是將兩種不同材料的受力特性的綜合利用，大大提高了結構的承載能力，而不是鋼管與混凝土兩種結構承載力的簡單疊加。

2)有良好的塑性。

混凝土在無約束的情況下的破壞屬于脆性破壞。核心混凝土在鋼管的約束下當在正常受力時接近于彈性工作的，當破壞時還將產生較大的塑性變形，處于鋼管中的核心混凝土由脆性破壞變?yōu)樗苄云茐模故芰Y構表現出彈性破壞的特性。

3)鋼管混凝土結構的鋼管還同時兼作模板，較混凝土結構省去了模板的安裝與拆除工作。

由于鋼管混凝土柱具有上述的優(yōu)點，也使該結構有利于提高抗震性能，決定了該結構在大型構筑物中的廣泛應用。

3 鋼管混凝土的施工

3.1 鋼管柱制作、安裝

3.1.1 鋼管柱制作、拼裝

采用成品φ377×16(材質為Q235B)的螺旋焊接鋼管，每根鋼管標準長度12 m，鋼管對接按照設計要求開坡口焊接，橫梁、支撐及系桿也為管狀，節(jié)點構造按1∶1展開放樣。按照設計要求，焊縫質量需符合GB 50205-2001鋼結構工程施工及驗收規(guī)范二級焊縫質量標準要求，制作焊縫按規(guī)范要求在制作場做無損檢測，合格后除銹、刷漆;拼裝焊縫按規(guī)范要求在拼裝現場做無損檢測，合格后補刷油漆。

為安裝時找正方便，故第一節(jié)鋼管柱的柱腳底板先不與柱焊接，以上各節(jié)鋼管柱的下法蘭也不與柱焊接。因該事故水塔較高，為了減少大型吊車的使用臺班，先用小型吊車將每節(jié)的4根鋼管柱、橫梁、支撐、平臺及爬梯在安裝現場拼裝成空間結構，上一節(jié)柱的下法蘭在拼裝時先與下節(jié)柱的上法蘭采用一半4.8級普通螺栓和一半的10.9級扭剪型高強度螺栓連接。

3.1.2 鋼管柱安裝

為保證鋼管內壁與核心混凝土的緊密粘結，在安裝前清除鋼管內雜物。

拼裝后的第一節(jié)柱結構呈“上口小、下口大”的空間結構形式，先將柱腳底板固定于地腳螺栓上，第一節(jié)柱結構整體安裝時經找中心、找正后與柱腳底板相焊接;第二節(jié)柱結構整體安裝時找中心、找正后與已經固定于第一節(jié)柱結構上的法蘭焊接;以上各節(jié)柱結構的安裝方法類推。按照設計要求，連接兩節(jié)鋼管柱為10.9級扭剪型高強度螺栓，將預先固定上節(jié)柱下法蘭的一半4.8級普通螺栓全部換成10.9級扭剪型高強度螺栓，并按照規(guī)范要求的時間內完成終擰。

安裝焊縫按規(guī)范要求在安裝后做無損檢測，合格后補刷油漆。

3.2 混凝土的澆筑

混凝土經有資質和有成熟經驗的試驗室作出C30自密實無收縮混凝土配合比，并由有成熟經驗的商品混凝土公司配制該混凝土。

該工程鋼管混凝土采用高位拋落無振搗法澆筑，分別在每根鋼管柱標高16.000及標高31.500的位置開設φ120的灌漿孔?；炷敛捎没炷疗嚤帽盟停葘⒒炷镣ㄟ^汽車泵輸送管從鋼管柱標高16.000灌漿孔往下澆筑，當澆筑至標高16.000時轉移至下一根鋼管柱，在這過程中(停頓0.5 h)先將上一根鋼管柱內標高16.000以下澆筑的混凝土表面浮漿清除，用等強度的鋼板(從多余的φ377×16鋼管上切割)將標高16.000灌漿孔焊接封堵，以此類推，直至第四根鋼管柱標高16.000以下混凝土澆筑完成后，進行第一根鋼管柱內上部混凝土的澆筑。每根鋼管柱內上部混凝土通過汽車泵輸送管從標高30.500灌漿孔將混凝土灌注至標高30.500，0.5 h后將混凝土表面浮漿清除至設計標高29.000。

同條件試塊28 d混凝土抗壓強度平均值達119%，混凝土澆筑后30 d內鋼管內壁與混凝土間無可見縫隙，第31天將30.500灌漿孔用等強度的鋼板(從多余的φ377×16鋼管上切割)焊接封堵。

4 結語

兩個月后該事故水塔正式注水投入使用，至今已有兩年了，該水塔使用正常，為企業(yè)的正常生產起到了“保駕護航”作用。同時鋼管混凝土組合結構在滿足承載力條件下，相比鋼結構或混凝土結構截面小、用料省，解決了常規(guī)結構截面大、投資大的問題，也為其他大型構筑物中采用該新型組合結構積累了經驗。

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