鋼管混凝土的特點及工程應用

     摘 要:鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展較快的結(jié)構(gòu)類型。本文就鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點和工程應用兩方面作了介紹,使讀者對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有更詳細的了解。

     關鍵詞:鋼管混凝土  特點 工 程應用

     中圖分類號:TU528         文獻標識碼: A

     鋼管混凝土是在勁性鋼筋混凝土和螺旋鋼筋,混凝土的基礎上演變和發(fā)展起來的,是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用,即鋼管對混凝土的約束作用使混凝土處于復雜的應力狀態(tài)之下,使混凝土的強度得以提高。同時,由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲, 可以保證其材料性能的充分發(fā)揮。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)按照截面形式的不同可以分為矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和多邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等,其中矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應用較廣。

     鋼管混凝土柱中,鋼管對其內(nèi)部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài),提高了混凝土的抗壓強度;鋼管內(nèi)部的混凝土又可以有效地防止鋼管發(fā)生局部屈曲。研究表明,鋼管混凝土柱的承載力高于相應的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?構(gòu)件的延性性能明顯改善,耗能能力大大提高具有優(yōu)越的抗震性能。

     鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時,鋼管可以做為勁性骨架承擔施工階段的施工荷載和結(jié)構(gòu)重量,施工不受混凝土養(yǎng)護時間的影響;由于鋼管混凝土內(nèi)部沒有鋼筋, 便于混凝土的澆注和搗實;鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時,不需要模板,既節(jié)省了支模、拆模的材料和人工費用, 也節(jié)省了時間。

    由于鋼管內(nèi)填有混凝土,能吸收大量的熱能,因此遭受火災時管柱截面溫度場的分布很不均勻,增加了柱子的耐火時間,減慢鋼柱的升溫速度,并且一旦鋼柱屈服,混凝土可以承受大部分的軸向荷載,防止結(jié)構(gòu)倒塌。組合梁的耐火能力也會提高,因為鋼梁的溫度會從頂部翼緣把熱量傳遞給混凝土而降低。經(jīng)實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:達到一級耐火3 小時要求和鋼柱相比可節(jié)約防火涂料1/3-2/3 甚至更多,隨著鋼管直徑增大,節(jié)約涂料也越多。

     鋼管混凝土作為一種較合理的結(jié)構(gòu)形式,采用鋼管混凝土可以很好的發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料的特性和潛力,使材料得到更為從分和合理的應用,因此,鋼管混凝土具有良好的經(jīng)濟效果。大量工程實際表明:采用鋼管混凝土的承壓構(gòu)件比普通鋼筋混凝土承壓構(gòu)件約可節(jié)省混凝土50%,減輕結(jié)構(gòu)自重50% 左右,鋼材用量略高或略相等;和鋼結(jié)構(gòu)相比,可以節(jié)省鋼材5 0 % 左右。早在19 世紀80 年代,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就已經(jīng)出現(xiàn)。例如,1879 年英國賽文(severn)鐵路橋的建造中采用了鋼管橋墩,在鋼管中灌了混凝土以防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。前蘇聯(lián)烏拉爾的伊謝特鐵路橋采用鋼管混凝土構(gòu)件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子,省鋼25％。1961 年比利時建造船塢時,采用鋼管混凝土構(gòu)件做桁架的壓桿和立柱,比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%。我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術的開發(fā)和應用已有近40 年的歷史。1966 年鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應用于北京地鐵車站工程,20 世紀70 年代又在單層工業(yè)廠房、重型構(gòu)架中得到了成功的應用。近10 年來,隨著國家經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成效地應用,推動了建造技術的發(fā)展。

2.1 高層建筑工程                       

     在高層建筑結(jié)構(gòu)中,鋼管混凝土柱具有很大的優(yōu)勢:具有承載力高,抗震性能好的特點,既可以取代鋼筋混凝土柱,解決高層建筑結(jié)構(gòu)中普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部的“胖柱”問題和高強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中柱的脆性破壞問題;也可以取代鋼結(jié)構(gòu)體系中的鋼柱,以減少鋼材用量, 提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。鋼管混凝土構(gòu)件的自重較輕,可以減小基礎的負擔,降低基礎的造價。全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”進行施工,從而加快施工進度;鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小, 取材容易、價格低。其耐腐蝕和防火性能也優(yōu)于鋼柱。鋼管混凝土柱不

易倒塌,即使損壞,修復和加固也比較容易。

     隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展,需要建造能夠跨越江河、海灣和山谷的,安全、經(jīng)濟且輕盈美觀的大跨度橋梁。在我國,鋼管混凝土已經(jīng)被廣泛地應用于拱橋結(jié)構(gòu)中,也開始應用于斜拉橋結(jié)構(gòu)中。在拱橋結(jié)構(gòu)中,鋼管混凝土構(gòu)件主要用來承受軸向壓力。拱橋的跨度很大時,拱肋將承受很大的軸向壓力,采用鋼管混凝土構(gòu)件是非常合理的。另外,鋼管可以做為橋梁安裝架設階段的勁性骨架和灌注混凝土的模板。因此,鋼管混凝土被認為是建造大跨度拱橋的一種比較理想的復合結(jié)構(gòu)材料。自1990 年在四川省旺蒼縣建成跨度為115m 的我國第一座鋼管混凝土拱橋以來,在10 來年的時間里,我國已經(jīng)建成了100 多座鋼管混凝土拱橋,其中跨度在100 米以上的就有30 多座,尤其是重慶市萬縣長江公路大橋,跨度達到420m,一跨過江。經(jīng)過多年的實踐,我國在鋼管混凝土拱橋建設上已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗,形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術。

     地鐵車站是我國最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程項目。早期的地鐵車站是深埋地下的多跨結(jié)構(gòu)用明挖法施工;采用鋼管混凝土柱主要是利用其承載力高的特點,以減小柱子的截面尺寸,有效地利用空間。近年來,在城市中心地區(qū)修建的地鐵車站多為淺埋式的、具有綜合功能的多層地下建筑。采用蓋挖逆作法施工,以盡量減少對城市正常生活的干擾以及對地面交通和鄰近建筑的影響。蓋挖逆作法,是先施工地下結(jié)構(gòu)的頂蓋,在頂蓋的保護下進行開挖, 按照從頂?shù)降椎捻樞蜻M行施工。為此,必須在土方開挖前設置好頂蓋的中間支撐柱,鋼管混凝土柱將施工階段的臨時柱

和結(jié)構(gòu)的永久柱合二為一, 因此是最好的選擇。20 世紀90 年代以來,北京地鐵的復八線工程中, 采用蓋挖逆作法建成了“天安門東站”、“大北窯站”和“永安里站”;在建中的南京地鐵的“三山街站”也是采用的蓋挖逆作法進行施工。

      單層工業(yè)廠房的柱屬于偏心受壓構(gòu)件,為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點,很多工程中的柱子設計成格構(gòu)式組合柱, 如雙肢柱、三肢柱和四肢柱,把偏心彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S心力。如1972 年建成的本溪鋼鐵公司二煉鋼軋輥鋼錠模車間采用了四肢柱;1980年建成的太原鋼鐵公司第一軋鋼廠第二小型廠的下柱采用雙肢柱;1982年建成的吉林種籽處理車間采用了三肢柱;1980年建成的武昌造船廠船體結(jié)構(gòu)車間采用了四肢柱。與鋼筋混凝土柱和普通鋼柱相比,鋼管混凝土組合柱顯得特別輕巧,節(jié)約鋼材,施工簡便,同時剛度好。單層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱時,鋼管中混凝土的澆注可以在全部主體結(jié)構(gòu)安裝完成后進行,所以大大縮短了工期。如1992 年建成的哈爾濱建成機械廠大容器車間,從破土動工到竣工只用了15.5 個月;同年該廠又建成了容罐式汽車車間, 主體結(jié)構(gòu)的施工僅用了半年時間。20 世紀80 年代初,我國開始在多層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱。多層工業(yè)廠房柱基本為偏心受壓單管柱;如1984 年建成的上海特種基礎科研所的科研樓,1985年建成的柳州水泥廠窯尾加熱車間。