钢管混凝土的结构特性及应用展望.pdf

第 3 9卷 第 6期 2 0 1 2年 6月 建筑 技术开发 Bu i l d i n g Te c hn i q u e De v e l o p me nt Vo 1 3 9， No 6 J u n 201 2 钢 管 混凝 土 的结 构特 性及 应 用展 望 廖欢 何 明胜 ( 新 疆省石 河子 市石 河子 大学水利 建筑 工程 学院 ， 新 疆石 河子8 3 2 0 0 3 ) 摘要 钢管混凝土结构具有 自重轻 、 强度高和 良好的韧性及耐火性能以外 ， 还具备优 良的抗震 能力等特性 。阐述 了 钢管混凝土在建筑结构 中的应用和发展现状 ， 同时展望其发展前景。 关键字 钢管混凝土 ； 结构 特性 ； 研究 中图分类号 T U 3 9 8 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 7 6 0 2 钢 管混凝 土是将 具有 一定 强度 的混凝 土填入 钢 管 内而 形成 的复合 结 构 形式 ， 鉴 于其 良好 的 自身 特 性 ， 在结 构工 程研究 领域 获得 了广泛 的重视 ， 现 以成 为结 构 工程科 学 的一个重 要发 展方 向 。随着现代 建 筑 业 的发展 和施 工技 术 水 平 的不 断 提 高 ， 传 统 的建 筑 结构 形式 已经 不 能满 足 建 筑 发展 的需要 ， 而钢 管 混 凝土 做为 一种 新 型 的结 构 形式 ， 已逐 渐 应 用 到工 程 实 际当 中 ， 并取 得 了 良好 的经济 效应 。 1钢 管混 凝土 的特性 1 )承载力 高 。钢 管混 凝上构 件在 受力 过程 中 ， 钢管 可有 效地约 束 核 心混 凝 土 ， 从 而延 缓 其 受 压 时 的纵 向开 裂 ； 核 心混 凝 土 的存 在 可 有 效地 延 缓 或避 免钢 管过 早地发 生局 部屈 曲 。两 种材料 相互 弥补 了 彼此 的弱 点 ， 却 可 以充分发 挥各 自的 长处 ， 从 而使 钢 管混 凝 土具有 很 高 的 承载 能 力 。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 。 2 ) 良好 的塑 性 、 韧 性 和 抗 震 能 力 。试 验 表 明 ， 钢 管混凝 土 柱 被破 坏 时 可 以压 缩 到 原 长 的 2 3 ， 使 混凝 土 的塑性 性能 得 到 改 善 ， 较 大 的塑 形 变形 使 其 耗 能 能力得 到提 高 。此 外 ， 这 种 结 构在 承 受 冲击 荷 载和振 动荷 载 时 ， 也 具 有 很 大 的韧 性 。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 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 30 5 作者简介 ： 廖欢 ( I 9 8 1 一 ) ， 男， 四川蓬溪人 ， 毕业于石河 子大学 ， 本科学 历 ， 实验师 ， 从事建筑结构工程实验方面的工作。 7 6 3 )良好 的耐 火性 能 。在 火 灾 作 用 时 核 心 混凝 土可 吸收 钢管传 来 的热量 ， 使 外包 钢管 的升 温滞后 ， 而钢 管也 可 以保 护混凝 土在 受到 高温 时不发 生崩 裂 现象 ， 当钢 管屈 服后 ， 混凝 土还可 以承受 大部分 的轴 向荷载 。 由于 组成钢 管混凝 土 的钢管 和其核 心混 凝 土之 间具有相 互贡献 、 协 同互补 ， 使其 具有较 好 的耐 火 性能 。 4 )经济 效果好 。大量 的 工程实践 表 明 ， 承压 构 件 采用 钢管混 凝土 比普通 钢筋 混凝土 可节 约混凝 土 5 0 ， 构件 的横 截面 积可减 少一半 ， 建 筑可 用空 间得 到加 大减轻 结 构 自重 5 0 ， 钢 材 用 量 略 高 或 相 等 ； 和钢 结构相 比， 可 节约 钢材 5 0 。 2钢 管混凝 土 结构 的研 究现状 2 1 基 本 理 论 的研 究 钢管 和混凝 土在受 力过程 中的相互 作用是 形成 钢管 混凝 土具有 一 系列优越 力学 性能 的关键 。在 这 方 面 国内外学 者开展 了相应 的研 究并取 得 了相应 的 成果 ， 如钟 善桐 教授提 出 了 “ 钢管 混 凝 土统 一理 论 ” 等 。 目前 ， 我 国 已颁 布施行 了多 本设计 规程 ， 涉及 圆 形 、 矩形 钢管混 凝土结 构等 ， 对推 广钢 管混凝 土结 构 起 到很 大作用 。如 果采 用统一 理论 的设计 方法 把各 种 形式 的钢管 混凝 土 结 构 统一 ， 将 会 对 相 关研 究 和 二 程实践有很大的帮助。 2 2抗震性 能 的研 究 相关 文献 表明 ， 相 同建筑条件下 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 目前对抗震性能的研究主要集中在基本构件方 面 ， 对整体结构的抗震性能研究不 多 ， 应开展这 方面 的 研究 ， 以提供合理 的抗震设计参数 ， 便 于工程应用。 第 3 9卷 廖欢， 等 ： 钢 管混凝 土的结构特性及应 用展 望 第 6期 2 3 耐 火研 究 钢 管混 凝上 结 构 的抗 火 性 能研 究 趋 势 ： 考虑 结 构整 体空 间作用 ， 建 立 整 体 结构 在 火 灾 下 的 承载 力 极 限状态 的抗火 设计 ； 考 虑实 际火灾 燃烧模 式 ， 把结 构在 火灾 下和火 灾后 降温 过程作 为 连续过 程加 以研 究 ， 对 不 同的火 灾模式 、 不 同的荷载 路径 和不 同的温 度史及温度 一应力史加以研究 ， 综合考虑结构对荷 载 和温度 共 同作用 下 的反 应 ， 对结 构 的 内力 和 变形 性能进行全过程分忻 ， 建立更为合理经济 的抗火设 计方 法 。 3钢 管混凝 土结构 研究 的发展 方 向 3 1 动 力 性 能 的 研 究 近 年来 ， 国 内外学 者 对 钢管 混 凝 土 常常 局 限 于 单 向压弯 构件 动力 力 学性 能研 究 ， 而 钢 管 混凝 土在 实 际受力 状态 下 的拟动力 性能 研究 和地震 模 拟振动 台试 验较 少 ； 此 外 ， 关 于 钢管混 凝 土在高 温状 态下 以 及加 固补强后 的 动 力性 能 研 究 较 少 。因 此 ， 钢 管混 凝 土动力 性能 研究 任 存 在 一些 需 要 深 入 的 问题 ， 主 要包 含 一下几 个方 面 ： 1 ) 进 一 步研 究钢 管 混 凝 土 在 实 际受 力状态 ( 双 向压 弯受 力 状态 ) 下 的动 力 性 能 ； 2 ) 钢管 混凝 土 结 构 在 高 温状 态 下 及 后期 的 动 力 性 能 进行 研究 ； 3 ) 应 用 钢管 混 凝 土加 固补 强后 的结 构 动力 性 能研究 ； 4 ) 异 型截 面 的钢 管 混凝 土 构 件 动力 性 能研究 。 3 2 可靠性理 论 的研 究 虽 然各 国 已将 钢管 混凝 土结 构运用 到实 际工程 中 ， 但 国 内外针 对 钢 管混 凝 土 可 靠性 理 论 方 面 的研 究相对较少， 还需加大研究力度 ， 从而使钢管混凝土 在设 计 、 施 工 中得到进 一步 的优 化 。 3 3 预应 力钢 管混凝 土 结构的研 究 钢管混 凝 土结构 由于其最 主要 的特点 是高抗 压 承载 力和 良好 的塑性 、 韧性 ， 其使 用仅 局 限于受压 构 件 ， 而不宜 用作 受弯构 件 。如扩 大其应 用 范 围 ， 就必 须改 变钢 管 混 凝 土 结 构 的受 力 变 形 特 性 和 破 坏 机 理 ， 就必须引入“ 预应力” 概念， 但预应力钢管混凝 土尚未形成系统的研究和实例 ， 这需要广大的科研 工作 者经 过大 量 的研 究 和实践 去佐证 。 3 4 钢 管 内填 充物 的研 究 轻质 、 高 强 、 环 保 是 未来 建 筑 材 料发 展 的方 向 ， 如何 利用 现有 的资 源 ， 研 制 出新 型 建 筑 材料 替 代 传 统建 筑材料 是形 势所 需 。 4 结语 钢管混凝土结构形式迎合了现代建筑业的发展 趋势 ， 也符 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 。 其结 构形 式必 将成 为结构 工程 科学 中 的一个重要 发 展方 向。相信 随着对 钢 管混凝 土结 构进 一步 的研 究 和探 索 ， 其优 点将会 被充 分发 掘 ， 势 必带 来广 阔的发 展前 景 。 参 考 文 献 1 钟善桐 钢管混凝 土结 构在我 国的应 用和 发展 J 建 筑技 术 2 0 0 3 ， ( 5 ) 2 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 修订版 M 北京 ： 人 民交通 出版 社 2 0 0 7 ( 上接第 2 9页) J Q l 桩封顶大样 图 1 抗拔桩顶 与承 台连接详 图 2 4 单节桩 与 多节桩 在 河西地 区第 一个 项 目设计 前 我们 曾对 三 种桩 长 1 5 m、 3 6 m、 4 5 m 做 了 抗 拔桩 试 桩 ， 试 验 结 果 ： 1 5 m长桩 的抗 拔极 限值 8 0 0 k N， 3 6 m 长 桩 的抗 拔极 限 值 1 0 8 0 k N， 4 5 m长桩的抗拔极限值 9 6 0 k N， 虽然 1 5 m 长桩 抗拔 极 限值 比 3 6 m、 4 5 m 的桩小 ， 但 抗拔 力能 充分 发挥 ， 即使 使 用两 根 1 5 m桩 长 的抗拔 桩都 比一个 3 6 m、 4 5 m长 的抗拔 力 高 ， 造 价 也节 省 ， 同 时 避免 了施 工 中管 桩接 头 的不 可控 因素 。 3 结束语 由于 河西地 区 土层主要 为 高压 缩 性 的淤 泥 质粉 质粘土， 管桩作为该地区主要桩型， 设计中应根据地 质条 件 、 工 程性 质合 理 选 择 的桩 径 、 桩 型 ， 单 桩 承 载 力 的确 定 无 论 作 为抗 压 桩 、 抗 拔 桩都 应 尽 可 能通 过 静载 荷试 验 来 确定 ， 选 择 恰 当 的桩 长 及 终 压 力 。 抗 拔桩 应对 桩头 与承 台连接 处 精心 设计 和 采 取一 定 构 造措施 ， 使其满足抗拔 的设计要求 。最终 以取得较 好 的经济 效益 。 7 7