钢管混凝土结构的特征及应用

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摘要：简要介绍了钢管混凝土结构的研究现状，具体阐述了钢管混凝土结构的特点，分别论述了钢管混凝土结构在高层建筑、拱桥、地铁车站工程中的应用，并对钢管混凝土结构今后的发展方向进行了分析，以期促进钢管混凝土结构的应用与推广。

关键词：钢管混凝土；发展状况；特点；问题；应用；

中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：

0 引言

钢管混凝土即在薄壁钢管内填充普通混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构， 它是将钢管结构和钢筋混凝土结构的优点结合在一起而发展起来的新型结构。钢管混凝土作为一种结构构件形式最早在十九世纪八十年代被设计应用做桥墩，然后随着科学技术的提高使它的应用范围得到了很大的扩展。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形截面钢管混凝土结构、圆形截面钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等， 其中矩形截面钢管混凝土结构和圆形截面钢管混凝土结构应用较为广泛。

1 钢管混凝土结构在国内外的发展状况

钢管混凝土的发展起源于1897 年美国人Lally 在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱，至今已有110多年的历史。1930年，法国在巴黎郊区建造了一座跨度达9 m的上承式钢管混凝土桥。1937年，前苏联列宁格勒建造了横跨涅瓦河的跨度为101 m的下承式钢管混凝土拱桥。1939 年，前苏联在西伯利亚建成了跨度140 m 的上承式钢管混凝土铁路拱桥。在我国，最早开展对钢管混凝土基本理论研究的是中国科学院哈尔滨土木建筑研究所[1]。此后，国内的中国科学研究院、哈尔滨建筑大学、电力工业部电力研究所及北京地下铁道工程局等单位都先后对钢管混凝土结构的基本构件的设计方法、节点构造和施工技术等开展了系统的研究，并取得了可喜的成果。

2 钢管混凝土结构的特点

钢管混凝土结构充分结合了混凝土抗压性能好和钢材抗拉性能好的特点，具有承载力高、塑性和韧性佳、耐火性和抗震性能好、施工简便、经济效果好等多种优点。

2.1 承载力高

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。钢管混凝土构件受压时，由于产生紧箍效应，核心混凝土处于三向受压应力状态，其强度大大提高，钢管延缓和避免了过早发生局部屈曲，因而受压构件的承载力大大提高，而且使它由脆性变为塑性很好的材料。钢管和混凝土两种材料互相弥补了彼此的缺点，充分发挥了彼此的长处，从而使钢管混凝土具有较高的承载力。

2.2 塑性和韧性好

混凝土脆性较大，对于高强度混凝土更是如此，其工作的可靠性大为降低。但受压钢管混凝土构件中的核心混凝在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了其弹性性质，而且在破坏时具有很大的塑性变形。试验表明：钢管混凝土轴心受压短柱破坏时，可以被压缩到原长的2/ 3，仍不呈现脆性破坏的特征。

2.3 良好的耐火性

由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时，外部钢管虽然升温较快，但内部混凝土升温滞后，仍具有一定的承载能力，因而增加了钢管的耐火时间。相对于传统钢结构，节约了大量的防火涂料，同时减小了结构倒塌的危险。

2.4 良好的抗震性

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。在受到压弯反复荷载作用下，钢管混凝土结构基本不发生刚度退化和强度衰减现象，且不发生局部屈曲。与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的自重大幅度较小，地震作用引起的地震反应也将减小。

2.5 经济效果好

由于结构施工时，不需要模板，节省了材料和时间，钢管混凝土可以很好地发挥钢材和混凝土两种材料的优点，使材料得到更为充分和合理的利用，因此具有良好的经济效益。

3 钢管混凝土结构存在的问题

目前，国内外学者对钢管混凝土结构的研究虽已取得一系列的重要成果，但为了更好地推广使用钢管混凝土结构，还应注意其发展中的技术问题和工程应用中的不足之处。

3.1 钢管混凝土在技术分析中的不足之处

（1）在承载力计算时，假设钢管混凝土为理想弹塑性体，这对抗震能力较好的钢管混凝土构件是不合理的；

（2）假设把钢管普通强度混凝土和高强度混凝土机械地分割开来进行研究；

（3）根据定值侧压力的试验测试，得到纵向承载力与侧压力的关系来确定钢管混凝土的承载力，这与核心混凝土的实际工作状态不符；

3.2 钢管混凝土在工程应用中不足之处

（1）从钢管混凝土的使用量来看，数量有限，还仅限于柱、桥墩、拱架等部位，少有使用钢管混凝土梁的先例。这是因为梁一般都做成矩形，但矩形钢管混凝土的受力比较复杂，而且构造要求繁琐，经济效益不佳。

（2）从构件连接来看，当混凝土梁与钢管混凝土柱连接时，必须借助于柱上的牛腿和加强板。如果采用明牛腿可能会在美观上受到影响；如果用暗牛腿，又会给浇灌混凝土带来不便，影响施工进度。

4 钢管混凝土结构的应用

早在19世80年代，钢管混凝土结构就已经被应用。例如，1879年英国塞文（ severn） 铁路桥的建造中使用了钢管桥墩，在钢管中灌筑混凝土；前苏联乌拉尔的伊谢特铁路桥采用钢管混凝土构件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子；日本、瑞士等国在输电跨越塔中采用钢管混凝土结构。

钢管混凝土结构技术的开发和应用在我国已有近40 年的历史，1966 年钢管混凝土结构应用于北京地铁站工程；20世纪70年代成功应用于单层工业厂房、重型构架中；近10年来，钢管混凝土结构在我国高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了卓有成效的应用，推动了建造技术的发展。

4.1 高层和超高层建筑工程中

将钢管混凝土结构应用到高层、超高层建筑中可节约建筑材料，增加使用空间。仅十年时间，就从局部柱子采用钢管混凝土发展到大部分柱子采用，又发展到全部柱子采用，由在近百米高度的高层建筑中发展到近三百米高度的超高层建筑所采用，发展前景广阔。例如：我国福建泉州邮电大楼是我国第一个局部采用钢管混凝土柱的高层建筑。

4.2 大跨桥梁工程中

钢管混凝土是一种高强轻质且便于施工的高效结构材料，其单位重量的承载力与钢材接近，甚至可能比钢材还强；其钢管可以充当安装架设阶段的劲性骨架、灌注混凝土阶段的模板和钢筋，以及具有对核心混凝土的套箍约束等多种功能，较全面地解决了桥梁结构所要求的用料省、安装重量轻、施工简便、承载力大等诸多矛盾。钢管混凝土已被公认为是一种建造大跨度桥梁的比较理想的结构材料。

5 结语

综上所述，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年轻的结构形式。但它突出优点更适合我国的国情，钢管混凝土能够适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而正被越来越广泛地应用于工业厂房、高层和超高层建筑、拱桥和地下结构中，并已取得良好的经济效益和建筑效果，是结构工程科学的一个重要发展方向。随着其理论研究的深入和完善，施工工艺的提高和高性能材料的应用，钢管混凝土也将继续广泛地用于各种建筑结构中。此外，近年来在多层、高层民用住宅建筑中也已开始采用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒(剪)结构体系，并且经济效益显著。

参考文献

[1]翰林海.钢管混凝土结构[M].北京科学出版社,2012.

[2]赵惠麟.板片空间结构体系的结构原理及工程实践[J].工程力学,2011(S1):61–65.

[3]江兴敏.钢管混凝土结构的发展和展望[J].工业建筑,2012(37):501-507.