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摘要：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.本文对钢管混凝土结构在建筑工程中的应用进行分析，同时对钢管混凝土在我国的发展前景做了展望。
关键词：钢管混凝土结构建筑工程特征应用前景
中图分类号：TV331文献标识码： A
经过近半个世纪的发展, 钢管混凝土的研究在我国日趋完善和深入。特别是近20 年, 不断地取得了很多杰出的成果, 在构件性能和理论研究方面已经达到了国际领先水平。同时在工程应用方面也做出了突出的贡献。
一、关于钢管混凝土结构的特征分析
1.施工方便快捷。钢管混凝土柱由于零件少, 焊缝少, 构造简单, 同时构件自重轻, 运输和吊装容易, 可以采用“逆作法”或“半逆作法”施工工艺, 因而施工方便快捷。与钢筋混凝土柱相比, 没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序, 施工简单；钢管内无钢筋, 混凝土浇灌、振捣容易。在管柱下部开临时浇灌孔, 用泵送顶升法自下而上灌注混凝土, 既方便快捷又容易保证浇灌质量。而且在浇筑后钢管内处于相当稳定的湿度条件, 水分不易蒸发,省去了浇水养护。我国创造并广泛使用的高位抛落免振捣混凝土施工方法,更是简化了现场浇灌混凝土的工序, 方便了施工。
2.耐火性能和火灾后性能好。钢管内所灌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, 因而增加了柱子的耐火时间, 相对钢结构可以大量节约防火涂料。此外, 火灾后, 随着外界温度的降低, 已屈服钢管的强度可以得到一定程度的恢复, 截面的力学性能相对高温下有所改善, 因而钢管混凝土具有良好的火灾后性能。这不仅为结构的加固补强提供了一个较为安全的工作环境, 也可减少补强工作量, 降低维护费用。
二、关于钢管混凝土结构在建筑工程中的应用分析
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, 某县东河大桥是采用钢管混凝土拱肋的公路拱桥, 净跨度为115m, 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橋梁中发展十分迅速。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。直接以钢管混凝土为劲性骨架的最大跨度拱桥是万县长江大桥, 跨度420m, 也是世界上目前跨度最大的拱桥。
2.钢管混凝土在高层建筑中的应用。钢管混凝土用于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。我国自上个世纪90年代初开始将钢管混凝土应用于高层建筑。全部或部分采用钢管混凝土的高层建筑已有近100幢.我国钢管混凝土应用于超高层建筑中规模最大的是某广场, 共40层, 地上部分高200.6m,建筑面积共15. 5万m2。该建筑的柱结构及抗侧力体系的内筒全部采用了钢管混凝土柱。该工程的设计、制造和施工为高层超高层建筑中采用钢管混凝土积累了宝贵的经验, 并为继续发展和推广这一新结构体系,以代替传统的钢结构奠定了基础。国外的钢管混凝土超高层建筑发展也很快。已经完成设计的日本东京Shimizu超高层建筑, 总计121层, 总高550m, 采用矩形截面钢管混凝土柱, 压型钢板-轻型混凝土组合楼盖体系。
三、关于钢管混凝土结构存在的问题和发展前景
1.国内外对钢管混凝土动力性能的研究主要集中在试验研究阶段, 且大都只能从滞回性能定性的得出钢管混凝土抗震性能好的结论, 缺乏相应的理论推导, 尚未形成可供规范使用的计算理论和设计公式。由于钢管混凝土柱延性好、
抗震性能优良, 对由钢管混凝土柱和钢筋混凝土横梁组成的框架结构, 在设计中其抗震等级的划分和计算参数的选取暂按钢筋混凝土结构的有关规定执行, 显然偏于保守, 弹性和塑性层间位移角限制的选取也值得商榷。对结构进入弹塑性后的动力性能( 如阻尼比等的变化规律) 、结构的耐疲劳性能、钢骨- 钢管混凝土组合柱的动力性能及基于性能的钢管混凝土抗震设计方法等的研究更是几乎没有。
2.构件及节点制造缺乏标准化和定型化。钢管混凝土柱节点类型多样, 性能各异, 且管柱都是先在钢结构制造工厂定制, 然后运到工地直接拼装。构件及节点的标准化和定型化可以大大提高其生产效率, 更加充分地发挥钢管混凝土的经济效果, 并且能改善构件制造的质量。
3.残余应力和初应力的影响。实际结构中使用的钢管往往由钢板焊接而成, 焊接残余应力对钢管混凝土构件性能的影响较大, 当管壁较薄时更为突出。且在施工中, 内填混凝土浇注前钢管也有相当的初应力。关于残余应力和初应力对
结构性能影响方面的研究尚不够深入和系统。
结束语
近些年来钢管混凝土结构无论在科研还是工程应用方面都取得了很大的发展. 在科研方面, 科研人员对钢管混凝土构件的力学性能及钢管混凝土的耐火性能进行了较深入的研究, 已取得大量有实用意义的成果, 而且许多都应用在最新规程的编制和工程实践当中；工程应用方面, 在大跨度拱桥结构和高层、超高层建筑中都得到愈来愈广泛的应用。
参考文献：
[1]韩林海. 钢管混凝土结构--理论与实践[M] .北京: 科学出版社, 2009.
[2]李盛勇等. 广州合景大厦圆钢管混凝土柱与钢支撑框架组合结构设计[J] . 建筑结构, 2008, 36( 8) .
[3]韩林海. 钢管混凝土性能研究进展与工程实践[J] . 建筑钢结构进展, 2006, 2( 4) .
[4]中国建筑工程总公司. 广州西塔钢管混凝土1: 1 模拟试验汇总资料[R] . 2007.
关键词：钢管混凝土结构建筑工程特征应用前景
中图分类号：TV331文献标识码： A
经过近半个世纪的发展, 钢管混凝土的研究在我国日趋完善和深入。特别是近20 年, 不断地取得了很多杰出的成果, 在构件性能和理论研究方面已经达到了国际领先水平。同时在工程应用方面也做出了突出的贡献。
一、关于钢管混凝土结构的特征分析
1.施工方便快捷。钢管混凝土柱由于零件少, 焊缝少, 构造简单, 同时构件自重轻, 运输和吊装容易, 可以采用“逆作法”或“半逆作法”施工工艺, 因而施工方便快捷。与钢筋混凝土柱相比, 没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序, 施工简单；钢管内无钢筋, 混凝土浇灌、振捣容易。在管柱下部开临时浇灌孔, 用泵送顶升法自下而上灌注混凝土, 既方便快捷又容易保证浇灌质量。而且在浇筑后钢管内处于相当稳定的湿度条件, 水分不易蒸发,省去了浇水养护。我国创造并广泛使用的高位抛落免振捣混凝土施工方法,更是简化了现场浇灌混凝土的工序, 方便了施工。
2.耐火性能和火灾后性能好。钢管内所灌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, 因而增加了柱子的耐火时间, 相对钢结构可以大量节约防火涂料。此外, 火灾后, 随着外界温度的降低, 已屈服钢管的强度可以得到一定程度的恢复, 截面的力学性能相对高温下有所改善, 因而钢管混凝土具有良好的火灾后性能。这不仅为结构的加固补强提供了一个较为安全的工作环境, 也可减少补强工作量, 降低维护费用。
二、关于钢管混凝土结构在建筑工程中的应用分析
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, 某县东河大桥是采用钢管混凝土拱肋的公路拱桥, 净跨度为115m, 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橋梁中发展十分迅速。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。直接以钢管混凝土为劲性骨架的最大跨度拱桥是万县长江大桥, 跨度420m, 也是世界上目前跨度最大的拱桥。
2.钢管混凝土在高层建筑中的应用。钢管混凝土用于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。我国自上个世纪90年代初开始将钢管混凝土应用于高层建筑。全部或部分采用钢管混凝土的高层建筑已有近100幢.我国钢管混凝土应用于超高层建筑中规模最大的是某广场, 共40层, 地上部分高200.6m,建筑面积共15. 5万m2。该建筑的柱结构及抗侧力体系的内筒全部采用了钢管混凝土柱。该工程的设计、制造和施工为高层超高层建筑中采用钢管混凝土积累了宝贵的经验, 并为继续发展和推广这一新结构体系,以代替传统的钢结构奠定了基础。国外的钢管混凝土超高层建筑发展也很快。已经完成设计的日本东京Shimizu超高层建筑, 总计121层, 总高550m, 采用矩形截面钢管混凝土柱, 压型钢板-轻型混凝土组合楼盖体系。
三、关于钢管混凝土结构存在的问题和发展前景
1.国内外对钢管混凝土动力性能的研究主要集中在试验研究阶段, 且大都只能从滞回性能定性的得出钢管混凝土抗震性能好的结论, 缺乏相应的理论推导, 尚未形成可供规范使用的计算理论和设计公式。由于钢管混凝土柱延性好、
抗震性能优良, 对由钢管混凝土柱和钢筋混凝土横梁组成的框架结构, 在设计中其抗震等级的划分和计算参数的选取暂按钢筋混凝土结构的有关规定执行, 显然偏于保守, 弹性和塑性层间位移角限制的选取也值得商榷。对结构进入弹塑性后的动力性能( 如阻尼比等的变化规律) 、结构的耐疲劳性能、钢骨- 钢管混凝土组合柱的动力性能及基于性能的钢管混凝土抗震设计方法等的研究更是几乎没有。
2.构件及节点制造缺乏标准化和定型化。钢管混凝土柱节点类型多样, 性能各异, 且管柱都是先在钢结构制造工厂定制, 然后运到工地直接拼装。构件及节点的标准化和定型化可以大大提高其生产效率, 更加充分地发挥钢管混凝土的经济效果, 并且能改善构件制造的质量。
3.残余应力和初应力的影响。实际结构中使用的钢管往往由钢板焊接而成, 焊接残余应力对钢管混凝土构件性能的影响较大, 当管壁较薄时更为突出。且在施工中, 内填混凝土浇注前钢管也有相当的初应力。关于残余应力和初应力对
结构性能影响方面的研究尚不够深入和系统。
结束语
近些年来钢管混凝土结构无论在科研还是工程应用方面都取得了很大的发展. 在科研方面, 科研人员对钢管混凝土构件的力学性能及钢管混凝土的耐火性能进行了较深入的研究, 已取得大量有实用意义的成果, 而且许多都应用在最新规程的编制和工程实践当中；工程应用方面, 在大跨度拱桥结构和高层、超高层建筑中都得到愈来愈广泛的应用。
参考文献：
[1]韩林海. 钢管混凝土结构--理论与实践[M] .北京: 科学出版社, 2009.
[2]李盛勇等. 广州合景大厦圆钢管混凝土柱与钢支撑框架组合结构设计[J] . 建筑结构, 2008, 36( 8) .
[3]韩林海. 钢管混凝土性能研究进展与工程实践[J] . 建筑钢结构进展, 2006, 2( 4) .
[4]中国建筑工程总公司. 广州西塔钢管混凝土1: 1 模拟试验汇总资料[R] . 2007.