论述钢管混凝土结构理论研究与应用

　　摘要:综述了钢管混凝土结构理论研究及应用的现状和新进展.对钢管混凝土的静力性能,长期荷载作用下的力学性能、动力性能及耐火性能等研究成果做了概述,并对其粘结性能研究、钢管高强高性能混凝土研究、火灾后剩余承载力研究等最新研究进展和关键技术进行了介绍.总结了钢管混凝土结构在拱桥和高层超高层建筑中的应用,并对其需要进一步深入研究的关键技术问题进行了探讨.

　　关键词:钢管混凝土结构 力学性能 工程实践 研究进展

　　Abstract: reviewed the theory research of concrete filled steel tubular structure and application of the present situation and new progress. Of the concrete filled steel tube of static performance, long-term load the mechanical properties, the dynamic performance and refractory properties research results is given, and the bond properties research, steel tube high strength of the high performance concrete research, after expoure to research the latest research progress and key technology are introduced in this paper. The concrete filled steel tube structure in the summary arch bridge and top tall building, the application of the need to be further studied are the key technical problems are discussed.

　　Keywords: steel tube concrete structure mechanics performance engineering practice research development

　　中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

　　钢管混凝土结构是指在钢管中填充混凝土而成的构件,按照截面形式的不同分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土构件等.它利用了钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互之间的组合作用,充分发挥了两种材料的优点,不仅使混凝土的强度大大提高,塑性和韧性大为改善,而且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲,从而使钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好以及施工方便等优点.

　　1　钢管混凝土结构理论研究现状及进展

　　1.1　钢管混凝土统一理论组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受力过程中的相互作用是形成钢管混凝土具有一系列优越的力学性能的关键.也正是由于对这种相互作用的研究出发点不同,形成了不同的研究方法,其区别在于如何估算钢管和混凝土之间相互约束而产生的“效应”.这种效应的存在,形成了钢管混凝土构件的固有特性,从而导致了其力学性能的复杂性.哈尔滨工业大学(原哈尔滨建筑大学)经过多年研究率先提出把两种材料组成的构件作为统一体来研究其综合性能的“统一理论”[5,6],使得钢管混凝土结构研究成为理论完整的新体系,改变了传统方法,并给设计带来了许多方便.“统一理论”的基本思想为:分别确定钢材和核心混凝土的应力-应变关系模型,然后利用数值分析方法计算出各类构件(如轴压、轴拉、纯弯曲、纯扭转和纯剪切)的综合荷载-变形全过程关系曲线,由这些关系曲线推导出钢管混凝土的各种综合力学性能指标(如轴压和轴拉模量、轴压和轴拉强度指标、抗弯模量和抗弯刚度、剪切模量和剪切刚度等).由于计算时采用的钢材及核心混凝土的应力-应变关系模型中已包含了钢材和混凝土二者相互作用的效应,因而在钢管混凝土结构的综合力学性能指标中自然也就包含了这种效应.利用这些指标和构件的几何性质参数(如截面积、抗弯和抗扭抵抗矩及惯性矩等)可直接计算构件的承载力,概念清楚,计算方便.对于各种复杂受力(如压弯、弯扭、压弯扭等)的情况,同样可以计算出不同加载路径下的荷载-变形全过程关系曲线,并基于此推导各种荷载作用下的极限准则,利用所获得的综合力学性能指标推导各种荷载作用下各自相应的承载力计算公式,并使其相互衔接起来,概念清楚,符合实用原则,最终形成了钢管混凝土统一理论,并用统一理论的思想指导钢管混凝土的研究.在该理论的指导下,还可以进行钢管高强度混凝土的力学性能与设计方法以及钢管混凝土耐火性能与防火设计方法的研究.

　　1.2　钢管混凝土的静力性能近几十年来,国内外对钢管混凝土构件在静力作用下的力学性能进行了大量的试验研究和理论分析,取得了丰富的成果,基本都反映在各国的设计规范中.我国的研究者在大量试验研究和参数分析的基础上,建立了基于统一理论的钢管混凝土轴压构件、弯曲构件、偏压(压弯)构件等的设计方法和计算公式,并且在圆钢管、方钢管和矩形钢管混凝土构件方面都取得了相应的成果,已应用在电力规范(DL/T 5085—1999)、国家军用标准(GJB 4142—2000)和正在编制的《矩形钢管混凝土结构设计规程》之中.

　　1.3　长期荷载作用下钢管混凝土柱力学性能徐变和收缩是混凝土在长期荷载作用下的固有特性.由于核心混凝土的压缩徐变与收缩,将导致混凝土模量的降低,同时在钢管和核心混凝土之间产生内力重分布,使钢管应力增加,从而导致钢材应力进入塑性阶段,钢管发生局部屈曲.因此,核心混凝土的徐变与收缩现象将影响到整个钢管混凝土构件的刚度和承载力.在长期荷载作用下,核心混凝土的工作具有以下特点:一是核心混凝土处于密闭状态,和周围环境基本没有湿度交换;二是核心混凝土的收缩会受到其外包钢管的限制作用;三是在受力过程中,当核心混凝土的泊松比大于钢管的泊松比时,将会受到钢管的有效约束而处于复杂受力状态.这些都会影响到混凝土的徐变和收缩变形,从而使得钢管混凝土的徐变与收缩性能更为复杂.国内学者曾研究过圆钢管混凝土在长期荷载作用下的力学性能,鉴于钢管混凝土的收缩与徐变相比影响较小且在以往钢管混凝土计算公式中已考虑了早期收缩,故研究着重于徐变问题.研究结果显示:对于轴压短柱或偏压短柱,无论荷载比的高低,徐变对构件的承载力都没有显著影响.

　　1.4　钢管混凝土的动力性能近些年,国内外学者对钢管混凝土的动力性能进行了大量的试验研究,我国也进行了一些相关研究,但目前国内外对钢管混凝土的动力性能研究基本上只限于试验研究,尚没有提供可供规范使用的计算理论和设计公式.由于钢管混凝土柱的抗震性能(延性和耗能性能)优于钢筋混凝土柱,因此,在没有进行更多的专门研究之前,对由钢管混凝土柱和钢筋混凝土横梁组成的框架结构,其抗震等级的划分和计算参数暂按钢筋混凝土结构的有关规定执行[3],这样的处理显然是偏于安全的,但也是比较粗糙的.

　　2　钢管混凝土结构研究的关键技术

　　2.1　钢管混凝土中钢与混凝土粘结问题的研究组成钢管混凝土的钢和混凝土材料在受力过程中的相互作用,是钢管混凝土具有一系列优越力学性能的根本原因,也正是由于这种相互作用,构成了钢管混凝土力学性能的复杂性.“统一理论”的基本假定也是建立在钢管与混凝土能够共同工作的基础之上的.钢管混凝土中钢与混凝土粘结强度是保证这种组合材料共同工作的前提.初步研究表明:保证核心混凝土密实和构件两端加盖板焊接密封是二者共同工作的关键,对于钢管混凝土并不需要采用其他措施来加强其二者的共同作用.另一方面,粘结强度的大小是荷载传递的关键,钢管混凝土构件的截面形状、混凝土的养护龄期,尤其浇注方式等对粘结强度影响较大.混凝土的浇注质量对其粘结性能的影响也是需要继续进行研究的一个主要方向.

　　2.2　钢管高强高性能混凝土的研究高强混凝土具有耐久、高强度和变形小等优点,目前在桥梁工程、房屋建筑工程、港口海洋工程、地下工程等方面都有较为广泛的应用.然而,高强混凝土具有脆性大、延性比普通混凝土差的缺点.单轴受压下,其应力-应变关系在达到峰值后急剧下降,尤其在复杂受力状态下,将由脆性破坏控制,其工作的可靠性大大降低.如果将高强度混凝土灌入钢管中形成钢管高强度混凝土,高强度混凝土受到钢管的有效约束,其延性将大为增强.此外,在复杂受力状态下,钢管具有很大的抗剪和抗扭能力.这样,通过二者的组合,可以有效地克服高强混凝土脆性大、延性差的弱点,使高强混凝土的工程应用得到扩展.近年来对钢管高强混凝土构件力学性能的理论分析和实验研究结果表明,钢管高强混凝土构件的基本力学性能与钢管普通强度混凝土有所不同,在设计时,不能简单地套用钢管普通强度混凝土结构的设计方法.随着现代高强混凝土技术的开发与发展,仅仅以高强度为目标已不能满足工程的需要,对高强混凝土的工作性能提出了更多更高的要求,从而开始以混凝土的高强度和拌合物的高工作度作为共同目标.钢管高强高性能混凝土结构由于承载力高,构件尺寸较小,也使得对其中的混凝土的工作性能有了新的要求,免振捣的自密实高性能混凝土是钢管高强高性能混凝土结构的很好选择.目前国内外对钢管高强混凝土结构和高性能混凝土的研究较多,而对于二者的结合———钢管高强高性能混凝土的力学性能的研究不多.由于混凝土性能的改变,必然对钢管高性能混凝土的力学性能产生影响,鉴于当前钢管高性能混凝土结构广阔的应用前景,对其极限承载力的研究也是十分必要和迫切的.

　　2.3　钢管混凝土火灾后剩余承载力的研究由于钢管混凝土结构具有良好的耐火性能,通过采取合理的计算方法和防火构造可以满足结构所需要的耐火极限.国内外学者对在高温、恒高温、标准升温曲线等不同情况下钢管混凝土结构的耐火性能和耐火极限做了大量的研究,我国的相关抗火设计规程也在编制之中.由于钢管混凝土耐火性能好,建筑物在遭受火灾后往往还具有一定的承载能力,如何评估和维修加固火灾后的结构是工程中面临的新问题,因此很有必要研究火灾后钢管混凝土结构的承载力,建立其剩余承载力的计算理论和方法,为合理制定火灾后该类结构的修复加固提供决策的依据.以往国内外尚缺乏这方面的资料,福州大学进行了一系列火灾后钢管混凝土柱的剩余承载力的试验研究,包括圆形截面、方形截面和矩形截面,并取得了相关成果.

　　3　钢管混凝土的工程应用钢管混凝土结构宜用作轴心受压或偏心较小的受压柱,偏心较大时宜采用格构式柱.目前,钢管混凝土已在单层和多层工业厂房、地下工程、高炉和锅炉构架、各种支架及送变电构架、地铁站台柱结构等方面得到较为广泛应用,全国采用钢管混凝土的重大工程项目已有200多项.根据其自身的特点,钢管混凝土结构对拱桥和高层、超高层建筑尤为适用,由于其具有良好的耗能性能,适宜于地震区的建筑物和构筑物.近些年,钢管混凝土结构在拱桥和高层、超高层建筑中的应用取得了长足的发展.

　　3.1　钢管混凝土在拱桥中的应用将钢管混凝土用于拱桥,符合拱桥设计中要求材料高强、拱圈无支架施工及轻型化的发展方向.我国采用钢管混凝土拱桥是从上个世纪80年代开始的,四川旺苍县东河大桥是国内第一座采用钢管混凝土拱肋的公路拱桥,净跨度为115 m,为下承式拱.近十几年以来,钢管混凝土拱桥在我国公路和城市桥梁中发展十分迅速.钢管混凝土拱桥一般分为两类,一种是将钢管混凝土直接用作拱桥结构的主要受力部分,同时也作为结构施工时的劲性骨架,截面设计由前者控制;另一种是先将钢管用于施工时的劲性骨架,然后再内灌混凝土并与外包混凝土共同形成断面,钢管混凝土参与拱桥建成后的受力、截面设计以及施工阶段控制.

　　3.2 钢管混凝土在高层和超高层建筑中的应用钢管混凝土用于高层和超高层建筑的柱结构和抗侧力体系,可使构件截面减小,节约建筑材料,增加使用空间,且构件自重减轻,从而可减小基础的负担和造价.同时,钢管混凝土抗震性能好,耐火性能优于钢结构,相对于钢结构可降低防火造价.由于钢管混凝土中的钢管可作为施工期间的支架,从而可采用“逆作法”或“半逆作法”的施工方法,大大加快施工速度,降低施工费用.

　　4综上所述,国内外学者对钢管混凝土的工作机理和力学性能研究方面已取得了一系列的重要成果,为进一步深入研究创造了条件.目前钢管混凝土构件的研究中需要进一步解决的主要关键问题有:1)钢管混凝土承载力计算中采用理想弹塑性模型的假设,这对抗变形能力很强的钢管混凝土是不合理的;2)圆钢管混凝土根据定值侧压力的实验结果得到纵向承载力与侧压力的关系从而确定其承载力,这和核心混凝土的工作状态不符;3)把钢管普通混凝土和钢管高强混凝土机械地分开进行研究; 4)对钢管混凝土在动力荷载作用下的性能研究主要以实验为主,这不利于深入系统地了解动力荷载作用下的性能.为了更安全地推广使用钢管混凝土结构,还应进行以下几个方面的研究:1)钢管混凝土防火设计规程的制定及防火设计方法的推广;2)钢管混凝土施工力学的研究;3)钢管混凝土中核心混凝土质量问题的控制和检测;4)钢管混凝土的徐变、疲劳及动力性能的进一步深入研究;5)钢管混凝土构件及其与梁连接节点制造及构造的标准化和工业化.以上这些问题也是钢管混凝土结构使用和设计中的关键技术问题.钢管混凝土中由于钢管及核心混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,使其具备了一系列优越的力学特性,也构成了其力学性能的复杂性,与钢筋混凝土结构和钢结构相比,钢管混凝土结构是一种相对较新的结构体系,因此还有必要对钢管混凝土的性能进行更深入更系统的研究.

　　参考文献:

　　[1]　JCJ 01—89,钢管混凝土结构设计与施工规程[S].

　　[2]　CECS 28:90,钢管混凝土结构设计与施工规程[S].

　　[3]　DL/T 5085—1999,钢-混凝土组合结构设计规程[S].

　　[4]　GJB 2000,战时军港抢修早强型组合结构技术规程[S].

　　[5]　韩林海.钢管混凝土结构[M].北京:科学出版社,2000.

　　[6]　钟善桐.钢管混凝土统一理论[J].哈尔滨建筑工程学院学报,1994,(6):21-27.