薄壁鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用研究

縱 超 （廈門工學(xué)院土木工程系，福建 廈門 361000）

1 引言

鋼管混凝土構(gòu)件指的是把混凝土填充到圓形或方形鋼管中，在受力時(shí)，鋼管和其中的混凝土可以發(fā)揮材料各自特點(diǎn)，以共同承受外力的一種新型的鋼-混凝土組合構(gòu)件。

2 薄壁鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生

近些年來(lái)，隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究深入，它也開(kāi)始得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外很多高層建筑開(kāi)始使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)取代普通混凝土結(jié)構(gòu)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。良好的使用效果使其應(yīng)用范圍正向超高層建筑延伸，這正得益于普通鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)很多。它的承受荷載的能力強(qiáng)，具有良好的延性，在施工中操作簡(jiǎn)單，火災(zāi)下可以持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間受力，地震作用下性能好，能夠很好的節(jié)約工程成本[1]。學(xué)術(shù)界的關(guān)注越來(lái)越多，借鑒之前的研究經(jīng)驗(yàn)，人們開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向中低層建筑結(jié)構(gòu)[2-7]。對(duì)于中低層建筑，其受力要求較低，所以可相應(yīng)減少用鋼量，改用壁厚較薄的鋼管，這樣一種新型結(jié)構(gòu)—薄壁鋼管混凝土就應(yīng)運(yùn)而生了。

新型結(jié)構(gòu)可以更好的適用于中低層建筑，也達(dá)到節(jié)省鋼材的效果。隨著環(huán)境保護(hù)的理念深入人心，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始著眼于替換掉鋼管中的混凝土，用建筑垃圾處理后的再生骨料取代之。薄壁鋼管內(nèi)填入處理后的建筑垃圾，薄壁鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)便產(chǎn)生了。隨著城鎮(zhèn)化的進(jìn)展，一些七八十年代的房子開(kāi)始逐漸被淘汰、拆遷，我國(guó)建筑業(yè)每年產(chǎn)生大量的建筑垃圾；另外，在施工過(guò)程中建筑材料的損耗也是相當(dāng)多的[8]。目前，我國(guó)建筑垃圾在城市垃圾中的占比較高，建筑垃圾的起初并未引起人們的重視，垃圾的回收處理不夠恰當(dāng)，城市郊區(qū)建筑垃圾堆積如山。隨著國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的理念的提出，越來(lái)越多的學(xué)者呼吁建筑垃圾的再利用，也為新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了一個(gè)契機(jī)。

圖1 生活中的建筑垃圾

3 薄壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

薄壁鋼管混凝土與普通鋼管混凝土相同，同樣有圓形矩形等各種截面。所以對(duì)薄壁鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)和受力情況來(lái)確定矩形鋼管混凝土寬厚比（B/t）限值及鋼管局部屈曲對(duì)鋼管與內(nèi)填混凝土共同作用的影響。

薄壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是壁厚與普通鋼管混凝土有差異，雖然國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范和規(guī)程，但是我們可以根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)查詢已有規(guī)范和規(guī)程中關(guān)于圓形截面鋼管混凝土的徑厚比（D/t）或矩形截面鋼管混凝土的寬厚比（B/t）的界定，考慮已有規(guī)范和規(guī)程的適用性。

各國(guó)界定尺度不一，ACI（1999）、AISC-LRFD(1999)、BS5400（1979）和 EC4（1994）中對(duì) D/t或 B/t限值的規(guī)定與對(duì)應(yīng)受壓構(gòu)件中空鋼管局部穩(wěn)定限值取法相同。而AIJ（1997）和福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ13-51-2003[9]中對(duì)D/t或B/t限值的規(guī)定是按對(duì)應(yīng)受壓構(gòu)件中空鋼管局部穩(wěn)定限值的1.5倍確定。當(dāng)鋼管尺寸超過(guò)相應(yīng)的界定時(shí)，我們可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)即為薄壁鋼管混凝土。

國(guó)外相關(guān)規(guī)程：

①美國(guó)規(guī)程ACI 318-02[10](2002)、AISC-LRFD[11](1999)和英國(guó)規(guī)BS5400[12](1979)其中，對(duì)于ACI 318-02 和 AISC-LRFD，Es=200，000MPa；對(duì)于 BS5400，Es=206，000MPa。

②日本規(guī)程AIJ[13](1997)

其中，F(xiàn)=min（fy，0.7fu）

③歐洲規(guī)范EC4[14](1994)

查找鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003），規(guī)范規(guī)定表中在計(jì)算AIJ(1997)限值時(shí)，Q235鋼的取值為fu=375.75 N/mm2；Q345 鋼的取值為 fu=470 N/mm2；Q390鋼的取值為fu=490 N/mm2；Q420鋼的取值為fu=520 N/mm2。

國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)程

①中國(guó)JCJ01-89規(guī)程[15]

鋼管混凝土桿件的含鋼率，對(duì)于3號(hào)鋼宜采用ρ=0.04～0.16，對(duì)于 16Mn 鋼或 16Mnq 宜采用 ρ=0.04～0.12。一般情況下鋼管壁厚不宜小于4mm。

②行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[16]（CECS 159：2004）

③矩形鋼管混凝土構(gòu)件的截面最小邊尺寸不宜小于100mm,鋼管壁厚不宜小于4mm,

截面的高寬比b/h不宜大于2。

其中b，h分別是矩形鋼管截面的寬與高，Ψ=σ2/σ1，σ1，σ2分別為板件最外邊緣的最大，最小應(yīng)力，壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。

③福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[9]（DBJ13-51-2003）

隨著薄壁鋼管混凝土柱的發(fā)展，此種結(jié)構(gòu)被大量應(yīng)用與中低層建筑中，將其與當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛的鋼筋混凝土及鋼結(jié)構(gòu)相比較，新型結(jié)構(gòu)具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

①承載力高

大量的試驗(yàn)表明，薄壁鋼管與混凝土在單獨(dú)作用下的承載力之和是低于薄壁鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)柱的承載力的，也就是說(shuō)起到了整體大于局部之和的作用。這是因?yàn)楸”阡摴苤刑畛浠炷列纬杀”阡摴芑炷林?，通過(guò)在薄壁鋼管的恰當(dāng)位置設(shè)置縱向加勁肋，增強(qiáng)了約束作用，延緩其受壓時(shí)混凝土的縱向開(kāi)裂，也延緩了薄壁鋼管發(fā)生局部屈曲的時(shí)間。在共同作用下，使得這兩種不同材料的缺點(diǎn)得以互補(bǔ)，而優(yōu)點(diǎn)卻得到了有效地發(fā)揮，使得組合后的結(jié)構(gòu)承載能力高于鋼管和內(nèi)填混凝土的各自的承載力的和，產(chǎn)生良好的效應(yīng)。

②整體結(jié)構(gòu)的延性較好

核心混凝土易發(fā)生脆性破壞，薄壁鋼管與混凝土之間的相互作用可以使其破壞形式由脆性轉(zhuǎn)為塑性，顯然構(gòu)件的延性得到改善。將混凝土填入薄壁鋼管，內(nèi)填的混凝土受到外面鋼管的約束，使得脆性破壞變成了延性破壞，并且組合柱受反復(fù)荷載作用時(shí)韌性得到一定程度的提高，大大提高了其抗震性能。

③簡(jiǎn)化工序，方便施工

鋼筋混凝土柱施工過(guò)程中需要鋼筋的綁扎、模板的支拆等工序，但鋼管混凝土省掉了相關(guān)工序，給施工提供了便利。另外，近些年泵送混凝土和自密實(shí)混凝土等工藝在工程上被越來(lái)越多的使用，大大提高了薄壁鋼管混凝土的施工進(jìn)度，使得混凝土的澆注更加快捷方便，同時(shí)鋼管可在工廠預(yù)制，具有可靠的質(zhì)量同時(shí)省去了構(gòu)件預(yù)制場(chǎng)地，而且空鋼管的重量較小，運(yùn)輸起吊就位等操作較容易，節(jié)省了很多費(fèi)用。利用鋼材可以標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，鋼管混凝土中梁柱結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)也開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，甚至組合結(jié)構(gòu)也開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。這樣既可以節(jié)約大量的人力成本，又可以節(jié)省時(shí)間和工序，逐漸成為新的發(fā)展方向。

④耐火性能好，火災(zāi)后易于維修

火災(zāi)下的組合柱，由于內(nèi)填混凝土的熱容量比鋼材的熱容量大，可吸收較大部分的熱量，內(nèi)部混凝土升溫較慢仍可繼續(xù)承載一定的力，柱子的耐火時(shí)間在一定程度上得到了延長(zhǎng)。和鋼結(jié)構(gòu)相比，節(jié)約了大量的防火涂料。當(dāng)火災(zāi)過(guò)后，由于溫度隨之降低，混凝土雖然起不到多大的作用，但鋼材仍可承擔(dān)一定程度的力，使得組合柱的承載性能得到改善，具有優(yōu)良的火災(zāi)后性能。當(dāng)結(jié)構(gòu)仍可使用而需要加固時(shí)，只要在以破壞的鋼管外面增加一套管，隨后在里面重新灌入混凝土，便可繼續(xù)使用。

⑤良好的經(jīng)濟(jì)效益

薄壁鋼管混凝土的產(chǎn)生就是人們?cè)诠こ虒?shí)踐中不斷追求經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)果。薄壁鋼管混凝土與鋼筋混凝土和純鋼柱比較，不僅減少了大量的施工工序，加快了施工進(jìn)度，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。所以，隨著薄壁鋼管混凝土在中低層建筑物的廣泛使用，建筑材料的費(fèi)用可大大節(jié)約。另外，和純鋼管柱相比，由于內(nèi)填核心混凝土與鋼管內(nèi)壁是緊密接觸的，省去內(nèi)部防銹涂料的費(fèi)用。所以，薄壁鋼管混凝土柱具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

因此，在國(guó)家可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保理念的指引下，新型結(jié)構(gòu)有了越來(lái)越好的發(fā)展。將建筑垃圾回收處理并生產(chǎn)出再生骨料，填入薄壁鋼管中充分發(fā)揮各自的優(yōu)缺點(diǎn)，既可以達(dá)到廢物利用節(jié)約資源的效果，又可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。