鋼管混凝土研究綜述

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 510000)

一、前言

鋼管混凝土(Concrete filled steel tube)是套箍鋼管混凝土的簡稱，是一種在鋼管中填充混凝土而形成的組合構(gòu)件,是同時(shí)把鋼筋混凝土和鋼管的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來而發(fā)展起來的一種新型的組合結(jié)構(gòu)型式。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是繼磚石結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之后逐漸發(fā)展起來的又一大結(jié)構(gòu)體系。鋼管混凝土在很多方面有很多優(yōu)點(diǎn)在和傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼材用的量比較省相比的情況下。

二、鋼管混凝土的分類及工作原理

(一)鋼管混凝土分類

鋼管混凝土構(gòu)件是通過在鋼管中填充一定量混凝土從而形成的。從截面形式來說，分為方鋼管混凝土、圓鋼管混凝土、矩形鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等。

(二)鋼管混凝土的工作原理

鋼管混凝土的基本原理：(1)在內(nèi)部混凝土的支撐作用下，使鋼管壁穩(wěn)定性得到增加，使空鋼管的失穩(wěn)狀態(tài)得到改變，進(jìn)而使它的承載能力提高。(2)在橫向鋼管的作用下，使混凝土受到側(cè)向約束，混凝土在三向受壓的狀態(tài)，使縱向裂縫的速度減緩，進(jìn)而使它的變形能力和抗壓強(qiáng)度得到提高。鋼管混凝土的強(qiáng)度的提高、韌性和塑性的改善是利用鋼管和混凝土在受力過程中的相互作用來達(dá)到的。

三、鋼管混凝土的優(yōu)、缺點(diǎn)

討論鋼管混凝土的優(yōu)、缺點(diǎn)，我們從以下不同的方面來研究。

在普通結(jié)構(gòu)中，承載能力得到了很大的提高，鋼管混凝土的承載能力甚至能達(dá)到鋼管和混凝土單獨(dú)承載力之和的兩倍。其次它的抗震性能和塑性都很好，抗震性能比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)很多。經(jīng)濟(jì)效益好，和鋼柱相比節(jié)省一半左右的預(yù)算，和鋼筋砼柱相比能節(jié)省更多的混凝土。在施工方面，它的操作很簡單，節(jié)省時(shí)間。和鋼結(jié)構(gòu)相比的話，它沒有鋼結(jié)構(gòu)那么復(fù)雜，焊縫也短，容易澆灌等很多優(yōu)勢。

在高層建筑中，鋼管混凝土柱的抗剪和抗壓的能力高。它的塑性也很好，甚至可以做到在高層建筑中不用限制軸壓比。其次鋼管混凝土柱子截面很小，承載能力高，擴(kuò)大了它在工程中的使用空間。

大空間和大柱網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)體系中也可以用它。柱子截面減小，自重降低，地震反應(yīng)也將減小。從地基基礎(chǔ)的預(yù)算來看，柱子截面減小，基礎(chǔ)尺寸也減少，工程造價(jià)也降低了。在施工方面，鋼管混凝土柱很薄，簡化了施工程序。在耐火方面，內(nèi)部的混凝土，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，吸收大部分的熱量，這樣有助于減緩房屋的破壞。

在拱橋中的使用中，抗震性能好、抗壓承載力很高，自重輕，做成拱肋能增加很大的跨度，施工方面很簡便，工程造價(jià)也能降低，像混凝土開裂的問題不會(huì)出現(xiàn)。

雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但肯定也有很多缺點(diǎn)。實(shí)用范圍就很有限，鋼管混凝土梁就很少成功，比較復(fù)雜同時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)效益也不好。在連接構(gòu)造上，它也存在很多缺點(diǎn)，比如牛腿的使用就會(huì)帶來不好的影響。在制作和安裝上具有一定的繁鎖和難度性，很不利于工程的進(jìn)度。從質(zhì)量檢查上來說，是沒有辦法直觀的去檢查混凝土的澆灌質(zhì)量的，在混凝土澆灌方面上要求很嚴(yán)格必須進(jìn)行配合比實(shí)驗(yàn)后才能澆注。

四、鋼管混凝土的研究現(xiàn)狀

雖然鋼管混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了100多年了，但是對(duì)它性能的研究和推廣起步很晚。這就造成它的很多力學(xué)性能還不是研究的很透。以下則是已經(jīng)研究出來的力學(xué)性能。

(1)鋼管混凝土的基本理論的研究：國內(nèi)外很多研究都進(jìn)行過研究，同時(shí)也取得了很多成果比如鐘善桐教授提出的“鋼管混凝土統(tǒng)一理論”等。

(2)鋼管混凝土的靜力性能研究：通過對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件在靜力作用下進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析，建立了統(tǒng)一理論和其它的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式。在很多方面同樣也取得了很多相應(yīng)的成果。

(3)鋼管混凝土的抗火研究:要根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的實(shí)際燃燒情況來考慮鋼管混凝土的承載力極限的抗火設(shè)計(jì)，同時(shí)也要考慮結(jié)構(gòu)在整體空間得作用。把不同的火災(zāi)模式，不同的鋼管混凝土以及它在燃燒時(shí)和燃燒后降溫的過程中都要進(jìn)行研究分析，只有在這些綜合的考慮下才能對(duì)鋼管混凝土的內(nèi)力和變形性能進(jìn)行整個(gè)過程的詳細(xì)的分析，通過這些才能建立更加合適的抗火設(shè)計(jì)方法。

(4)鋼管混凝土柱的抗震性能研究:在這個(gè)方面國內(nèi)外已經(jīng)做了大量的實(shí)驗(yàn)研究了，主要是集中在基本構(gòu)件方面，而對(duì)鋼管混凝土基本構(gòu)件的抗震性能研究的不是很多。

五、鋼管混凝土的研究趨勢

綜上所述，我國對(duì)鋼管混凝土方面的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了很大的成果。當(dāng)在實(shí)際工程中大量的用到鋼管混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，仍然有很多工作需要我們?nèi)パ芯拷鉀Q。以下就是未來我們需要研究的一些方向。

(1)動(dòng)力性能的研究：目前關(guān)于鋼管混凝土這個(gè)方面的研究還都在試驗(yàn)階段，幾乎沒有實(shí)際應(yīng)用，缺乏相應(yīng)的理論推導(dǎo)，尚未形成可供規(guī)范使用的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)公式等。

(2)薄壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究：以前研究的都是鋼管混凝土的管壁較厚的情況，而對(duì)薄壁鋼管混凝土的研究才剛剛開始沒多久，還處于摸索階段。

(3)方鋼管混凝土力學(xué)性能研究：和圓鋼管混凝土比較，方鋼管混凝土存在很多缺點(diǎn)，和國外相比，我們研究太少，國外已經(jīng)形成較為成熟的設(shè)計(jì)方法，而且在工程應(yīng)用方面也取得了很大的進(jìn)步，需要我們繼續(xù)加大研究，只有這樣才能盡快的用到實(shí)際工程中去。

六、結(jié)語

在如今的建筑工程中，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和建筑材料的要求已經(jīng)不斷增高。鋼管混凝土由于它的各種優(yōu)越性，所以能適應(yīng)現(xiàn)代的各種不同的結(jié)構(gòu)體系。因?yàn)殇摴芑炷两Y(jié)構(gòu)能夠符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)要求，所以在超高層建筑、高層和工業(yè)廠房、拱橋和地下結(jié)構(gòu)中這種結(jié)構(gòu)正被越來越廣泛地應(yīng)用。由于鋼管混凝土的應(yīng)用已經(jīng)帶來了很不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益和建筑效果，所以已經(jīng)是結(jié)構(gòu)工程科學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展方向。然而在我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用并不是很久，在許多方面還存在著各種弊端和問題，這些都需要繼續(xù)深入研究、實(shí)驗(yàn)、探索。