浅谈钢管混凝土结构在建筑工程中的应用与前景

　　【摘要】钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构，由于其具有巨大的优越性，现已经被广泛应用。本文对钢管混凝土结构在结构工程中的应用进行了相关论述及研究，列举并讨论了铜管混凝土结构的结构特点、研究进展和应用现状，最后阐述了其在一些工程建筑方面的应用状况。

　　【关键词】钢管混凝土   建筑工程    应用   趋势

　　【 Abstract 】 Steel tube concrete structure is a concrete fill in the steel pipe inside of the formation of a new type composite structure, since it has great superiority, now has been widely used. In this paper, the structure of concrete filled steel tube in structure engineering applications of the relevant discussion and research which, it was enumerated and discussed the structure characteristics of copper tube concrete structure, research progress and application situation, finally expounds its in some engineering application status in the field of architecture.

　　【 Key words 】 steel tube concrete building engineering application trend

　　中图分类号： TV331           文献标识码：A             文章编号：

　　前言

　　钢管混凝土作为一种较为年轻的结构形式，因其具有的高承载力、良好的延性和塑性、较好的防火性能、较人的经济效益的优点，受到较多工程师的青睐。相信随着固民经济的快速发展以及对钢管混凝土结构研究的深入，钢管混凝土结构形式必将有更为广阔的发展前景。

　　一、钢管混凝土结构及其特点

　　1、钢管混凝土结构的概念及分类

　　钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的组合构件，是一种将钢管和钢筋混凝土的优点相结合而发展起来的新型组合结构形式，利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂的应力状态之下，不但提高了混凝土的抗压强度，而且还使其塑性和韧性性能得到了改善，不仅弥补了两种材料各自的缺点，而且还能充分发挥二者的优点。

　　依据构件截面形式的不同，钢管混凝土构件可分为圆形截面、方形截面、矩形截面和多边形截面构件等。其中，圆形截面、方形截面和矩形截面钢管混凝土构件的应用最为广泛。

　　2、钢管混凝土结构的特点

　　1)施工简便

　　钢管本身为耐侧压的模板，因而浇灌混凝土时可省去支模、拆模等工序和模板，并可适应先进的泵灌混凝土工艺。同时钢管在施工阶段可起劲性钢骨架作用，其焊接工作量远比一般型钢骨架少，从而可以简化施工安装工艺、节省脚手架、缩短工期、减少施工用地。

　　2)良好的耐火性能。

　　钢管内混凝土相对钢材具有较大的热容量，能吸收大量的热量。在遭受火灾时，外部钢管虽然升温较快，但内部混凝土升温滞后，仍具有一定的承载力，因而增加了钢管的耐火时间，相对传统钢结构可以大量节约防火涂料。

　　3)良好的塑性和韧性。

　　混凝土破坏通常表现为脆性特征。当受压钢管混凝土构件中的核心混凝土处于三向受压状态时，材料呈现塑性性状。钢管混凝土破坏时形成显著的鼓曲状态，具有良好的耗能能力和延性，表现出较好的韧性。

　　4)良好的承载力。

　　在钢管中填充混凝土，随着受压荷载的增大，钢管由弹性工作状态进入塑性工作状态。由于受压钢管混凝土构件中的核心混凝土处于三向受压应力状态，混凝土的抗压强度和变形能力显著增强，因而受压构件的承载力得到大大提高。

　　5)良好的抗震性能。

　　钢管和混凝土之间的相互作用使内填混凝土的破坏由脆性变为塑性，构件的延性明显改善，耗能能力显著提高。在压弯反复荷载作用下，钢管混凝土结构的吸能性能好，基本无刚度退化和强度衰减现象，与不发生局部失稳的钢构件基本相同，且无局部屈曲发生。与钢筋混凝土柱相比，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。

　　6)经济效果显著。

　　钢管混凝土结构可充分发挥两种材料各自的优势，不仅承载力高，而且与钢结构相比，采用钢管混凝土柱可节约钢材50％左右，造价也可以降低。与钢筋混凝土柱相比可节约混凝土50％以上，减轻结构自重50％以上，其耗钢量和造价略为偏高或基本持平。如前苏联的Herb河铁路桥与钢拱桥相比节约钢材52％，降低造价20％。

　　二、钢管混凝土结构在建筑工程中的应用

　　1、钢管混凝土结构在我国应用研究发展概况

　　我国最早主要集中研究在钢管浇灌素混凝土的内填型钢管混凝土结构，60年代,，中期钢管混凝土开始在一些厂房柱和地铁工程中采用。进入70年代后这类结构在冶金、造船、电力等行业的工业厂房得到广泛的推广应用。1978年钢管混凝土结构被列入国家科学发展规划，使这一结构在我国的发展进入一个新阶段,，无论是科学研究还是设计施工都取得较大进展，取得了良好的经济效益和社会效益。

　　2、建筑工程中钢管混凝土施工工艺

　　（1）工艺流程：铆管柱制作→钢管柱柱脚定位环板及附件安装→钢管柱的现场安装→钢管混凝土柱环梁施工→钢管混凝土施工。

　　（2）制作钢管柱。钢管柱要求各部件的制作、焊接尺寸、位置、标高必须准确。为减少现场工作量．保证质量，钢管及内衬管、环形封顶板、抗剪环箍、柱脚定位环板及螺栓配件等的制作、组焊集中在工厂内完成，经检验合格运至现场安装。

　　（3）钢管柱的拼接组装

　　①构件除锈、防腐处理

　　②钢管的长度，可根据运输条件和吊装条件确定，一般以不长于12m为宜，也可根据吊装条件，在现场拼接加长。

　　③钢管对接时应严格保持焊后肢管的平直。焊接时，除控制几何尺寸外，还应注意焊接变形对肢管的影响．焊接宜采用分段反向顺序，分段施焊应保持对称。

　　④接前，对小直径钢管可采用点焊定位；对大直径钢管可另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定，固定点的间距可取300mm左右．且不得少于3点。钢管在焊接过程中如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝，则该微裂缝部位须全部铲除重焊。

　　⑤为确保连接处的焊接质量．可在管内接缝处设置附加衬管，其宽度为20mm，厚度为3mm，与管内壁保持0．5mm的膨胀间隙，以确保焊缝质量。

　　（4）钢管柱的吊装安装

　　（5）钢管混凝土柱环梁钢筋的制作安装与施工

　　3、钢管混凝土结构在建筑工程中的应用

　　钢管混凝土结构能适应现代工程结构向人跨、高耸、重载发展和受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而被越来越广泛地应用于单层和多层工业厂房、各种支架、地铁站台柱、设备构架柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、空间结构、高层和超高层建筑以及桥梁结构中，并取得了良好的经济效果和建筑效果。在我国，采用钢管混凝上的大工程已有200项左右。我国钢管混凝土结构技术的开发和应用也已有近40年的历史。在我国，钢管混凝土结构主要应用于以下领域中

　　（1）单层和多层工业厂房柱

　　钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱及普通钢柱相比，其突出优点是比较轻巧，因而被广泛地用做厂房柱。单层工业厂房柱多属于偏心受压构件，为了充分发挥钢管混凝上结构特点，多数工程的柱子设计成格构式组合柱，如双肢柱、三肢柱、四肢柱。

　　（2）高层和超高层建筑

　　钢管混凝土结构应用于高层和超高层建筑，具有抗压、抗扭和抗剪性能好，承载力高、抗震性能优越、延性好的优点。此外所用钢板厚度小，取材容易，价格低，制造和安装都很方便。施工简单，可为逆作法施工创造条件，钢管混凝上的耐火性能也优于钢结构。另外当采用高强混凝上时，可有效地防止高强混凝上的脆性破坏，能充分发挥高强混凝土的承载力。如表1，列举了我国采用钢管混凝土工艺建造的高层建筑

　　表1.国内采用钢管混凝土建造的部分高层建筑

　　（3）大跨度桥梁工程

　　在拱桥结构中，钢管混凝上构件主要用来承受轴向压力，拱桥的跨度很大时。拱肋将承受很大的轴向压力，采用钢管混凝上构件是非常合理的。除了用作受压构件，钢管还可以作为桥梁安装架设阶段的劲性骨架和灌注混凝土的模板。将钢管混凝上用于拱桥，符合拱桥建设中要求材料高强和拱圈无支架施工及轻型化的发展要求，因而深受桥梁工程师的青睐。钢管混凝上拱桥一般可分为两种：一种是拱桥结构的主要受力直接由钢管混凝上来承担，同时钢管混凝上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上共同形成断面，钢管混凝上参与拱桥建成后的受力，截面设计以施工阶段控制。

　　三、管混凝土结构研究的发展趋势

　　1、高强度材料的应用

　　将高强混凝土灌入钢管中形成高强钢管混凝土，由于受到钢管的约束作用，混凝土处于三向受压状态，其延性将大为提高，而其构件的承载力也得到了相应的提高。因此，高强钢管混凝土具有很大的发展潜力。

　　2、耐火性能的研究

　　我国还没有制定针对钢管混凝土结构的防火规定。对于已经建成的钢管混凝土结构，有的采用钢筋混凝土结构的要求外包混凝土，有的按照钢结构的要求涂防火材料，都没有统一规定和科学的依据。近年来，国内学者就钢管混凝土的耐火性能问题进行了研究，已经取得了可喜的成绩，应尽快编制出适合我国国情的钢管混凝土结构防火规范。

　　3、节点动力性能的研究

　　节点是结构设计中的关键部位，也是施工的难点。对于钢管混凝土节点，其合理与否直接关系到结构的安全性和整个工程的造价。钢管混凝土节点可以分为两种；钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点和钢管混凝土柱与钢梁的连接节点。目前，国内对于钢管混凝土节点静力性能的研究较多，而对于节点动力性能的研究报导还较少。

　　4、钢管混凝土结构体系抗震性能的研究

　　在对采用钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱的框架结构进行了抗震性能的对比试验研究，并从理论上分析比较了两种结构的动力性能，得出了钢管混凝土框架结构的抗震性能明显优于钢筋混凝土框架结构的结论。但目前对钢管混凝土结构抗震性能的研究，主要还是集中在基本构件方面，而对于钢管混凝土整体结构的抗震性能的研究还不多。应开展这方面充分的研究，以提供合理的抗震设计参数，便于工程应用。

　　结语

　　近20年来。钢管混凝士结构逐渐被应用于建筑结构尤其是在高层建筑结构中，随着建筑物高度的增加，钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土结构的应用也将会得到快速的发展。随着钢管混凝土技术的日益完善．钢管混凝土势必成为高层建筑和大跨度桥梁等建筑工程中应用高性能混凝土的一种最有效和最经济的结构形式。

　　参考文献：

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　　[4]王晓锋，郭长青，张喜娥．钢管混凝土应用与分析．国外建材科技，2006。27(3)．