摘 要:钢管混凝土结构是目前发展较快的结构类型。本文就钢管混凝土结构的特点和工程应用两方面作了介绍,使读者对钢管混凝土结构有更详细的了解。
关键词:钢管混凝土 特点 工程应用
钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土和螺旋钢筋,混凝土的基础上演变和发展起来的,是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂的应力状态之下,使混凝土的强度得以提高。同时,由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲, 可以保证其材料性能的充分发挥。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等,其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广。
1 钢管混凝土结构的特点
1.1 承载力高、塑性及韧性好
钢管混凝土柱中,钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态,提高了混凝土的抗压强度;钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明,钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏,构件的延性性能明显改善,耗能能力大大提高具有优越的抗震性能。
1.2 施工方便,工期缩短
钢管混凝土结构施工时,钢管可以做为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量,施工不受混凝土养护时间的影响;由于钢管混凝土内部没有钢筋, 便于混凝土的浇注和捣实;钢管混凝土结构施工时,不需要模板,既节省了支模、拆模的材料和人工费用, 也节省了时间。
1.3 耐火性能较好
由于钢管内填有混凝土,能吸收大量的热能,因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀,增加了柱子的耐火时间,减慢钢柱的升温速度,并且一旦钢柱屈服,混凝土可以承受大部分的轴向荷载,防止结构倒塌。组合梁的耐火能力也会提高,因为钢梁的温度会从顶部翼缘把热量传递给混凝土而降低。经实验统计数据表明:达到一级耐火3 小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3-2/3 甚至更多,随着钢管直径增大,节约涂料也越多。
1.4 经济效果好
钢管混凝土作为一种较合理的结构形式,采用钢管混凝土可以很好的发挥钢材和混凝土两种材料的特性和潜力,使材料得到更为从分和合理的应用,因此,钢管混凝土具有良好的经济效果。大量工程实际表明:采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋混凝土承压构件约可节省混凝土50%,减轻结构自重50% 左右,钢材用量略高或略相等;和钢结构相比,可以节省钢材5 0 % 左右。早在19 世纪80 年代,钢管混凝土结构就已经出现。例如,1879 年英国赛文(severn)铁路桥的建造中采用了钢管桥墩,在钢管中灌了混凝土以防止内部锈蚀并承受压力。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,省钢25％。1961 年比利时建造船坞时,采用钢管混凝土构件做桁架的压杆和立柱,比钢结构节省钢材40%。我国钢管混凝土结构技术的开发和应用已有近40 年的历史。1966 年钢管混凝土结构应用于北京地铁车站工程,20 世纪70 年代又在单层工业厂房、重型构架中得到了成功的应用。近10 年来,随着国家经济的迅猛发展,钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了卓有成效地应用,推动了建造技术的发展。
2 在我国,钢管混凝土结构主要应用
2.1 高层建筑工程
在高层建筑结构中,钢管混凝土柱具有很大的优势:具有承载力高,抗震性能好的特点,既可以取代钢筋混凝土柱,解决高层建筑结构中普通钢筋混凝土结构底部的“胖柱”问题和高强钢筋混凝土结构中柱的脆性破坏问题;也可以取代钢结构体系中的钢柱,以减少钢材用量, 提高结构的抗侧移刚度。钢管混凝土构件的自重较轻,可以减小基础的负担,降低基础的造价。全部采用钢管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”进行施工,从而加快施工进度;钢管混凝土柱的钢材厚度较小, 取材容易、价格低。其耐腐蚀和防火性能也优于钢柱。钢管混凝土柱不 易倒塌,即使损坏,修复和加固也比较容易。
2.2 大跨度桥梁工程
随着经济的迅速发展,需要建造能够跨越江河、海湾和山谷的,安全、经济且轻盈美观的大跨度桥梁。在我国,钢管混凝土已经被广泛地应用于拱桥结构中,也开始应用于斜拉桥结构中。在拱桥结构中,钢管混凝土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,采用钢管混凝土构件是非常合理的。另外,钢管可以做为桥梁安装架设阶段的劲性骨架和灌注混凝土的模板。因此,钢管混凝土被认为是建造大跨度拱桥的一种比较理想的复合结构材料。自1990 年在四川省旺苍县建成跨度为115m 的我国第一座钢管混凝土拱桥以来,在10 来年的时间里,我国已经建成了100 多座钢管混凝土拱桥,其中跨度在100 米以上的就有30 多座,尤其是重庆市万县长江公路大桥,跨度达到420m,一跨过江。经过多年的实践,我国在钢管混凝土拱桥建设上已经积累了丰富的经验,形成了一套较为完整的钢管混凝土拱桥建造技术。
2.3 地铁车站工程
地铁车站是我国最早采用钢管混凝土结构的工程项目。早期的地铁车站是深埋地下的多跨结构用明挖法施工;采用钢管混凝土柱主要是利用其承载力高的特点,以减小柱子的截面尺寸,有效地利用空间。近年来,在城市中心地区修建的地铁车站多为浅埋式的、具有综合功能的多层地下建筑。采用盖挖逆作法施工,以尽量减少对城市正常生活的干扰以及对地面交通和邻近建筑的影响。盖挖逆作法,是先施工地下结构的顶盖,在顶盖的保护下进行开挖, 按照从顶到底的顺序进行施工。为此,必须在土方开挖前设置好顶盖的中间支撑柱,钢管混凝土柱将施工阶段的临时柱 和结构的永久柱合二为一, 因此是最好的选择。20 世纪90 年代以来,北京地铁的复八线工程中, 采用盖挖逆作法建成了“天安门东站”、“大北窑站”和“永安里站”;在建中的南京地铁的“三山街站”也是采用的盖挖逆作法进行施工。
2.4 单层和多层工业厂房柱
单层工业厂房的柱属于偏心受压构件,为了充分发挥钢管混凝土结构的特点,很多工程中的柱子设计成格构式组合柱, 如双肢柱、三肢柱和四肢柱,把偏心弯矩转变为轴心力。如1972 年建成的本溪钢铁公司二炼钢轧辊钢锭模车间采用了四肢柱;1980年建成的太原钢铁公司第一轧钢厂第二小型厂的下柱采用双肢柱;1982年建成的吉林种籽处理车间采用了三肢柱;1980年建成的武昌造船厂船体结构车间采用了四肢柱。与钢筋混凝土柱和普通钢柱相比,钢管混凝土组合柱显得特别轻巧,节约钢材,施工简便,同时刚度好。单层工业厂房中采用钢管混凝土柱时,钢管中混凝土的浇注可以在全部主体结构安装完成后进行,所以大大缩短了工期。如1992 年建成的哈尔滨建成机械厂大容器车间,从破土动工到竣工只用了15.5 个月;同年该厂又建成了容罐式汽车车间, 主体结构的施工仅用了半年时间。20 世纪80 年代初,我国开始在多层工业厂房中采用钢管混凝土柱。多层工业厂房柱基本为偏心受压单管柱;如1984 年建成的上海特种基础科研所的科研楼,1985年建成的柳州水泥厂窑尾加热车间。