钢管混凝土结构

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钢管混凝土结构

目前，在建筑结构中应用比较普遍的柱结构主要有钢筋混凝土，型钢混凝土和钢结构等。衡量一种柱构件技术上的优越性可以总体上从考察以下几个指标来进行，即构件截面尺寸和自重、抗震性能、耐火性能和施工性能等。下表给出了钢管混凝土柱与钢筋混凝土、型钢混凝土和钢结构柱等的比较情况：

柱结构的性能比较

项目

钢筋混凝土

型钢混凝土

钢结构

钢管混凝土

截面尺寸

大

较大

较小

较小

抗震性能

较差

较好

好

较好

耐火性能

好

好

较差

较好

施工性能

一般

一般

好

好

钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构。钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点。一般的，混凝土强度等级在C50以下的钢管混凝土称为普通钢管混凝土；混凝土强度等级在C50以上的钢管混凝土称为钢管高强混凝土；混凝土强度等级在C100以上的钢管混凝土称为钢管超高强混凝土。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。

混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高。同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中(如厂房和高层)。钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面：

一、承载力高

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，可延缓混凝土受压时的纵向开裂，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。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。

二、塑性和韧性好，抗震性能优越

混凝土的脆性相对较大，对于高强度混凝土更是如此。如果将混凝土灌入钢管中形成钢管混凝土，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，而且在破坏时具有较大的塑性变形。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。

三、耐火性能较好

火灾下，由于核心混凝土可吸收钢管传来的热量，从而使其外包钢管的升温滞后，这样钢管混凝土中钢管的承载力损失要比纯钢结构相对更小，而钢管也可以保护混凝土不发生崩裂现象。火灾作用下，随着外包钢管温度的不断升高，其承载能力会不断降低，并把卸下的荷载传递给升温较慢、且具有较高承载能力的核心混凝土。这样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、协同互补和共同工作的优势，使这种结构具有较好的耐火性能。

四、耐腐蚀性能优于钢结构

钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。钢管混凝土构件的截面形式对钢管混凝土结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用，使钢管内部的混凝土处于三向受压状态，使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝土结构的施工难度大，施工成本较高。相比之下，方钢管混凝土结构的施工较为方便，但钢管混凝土受到的约束作用较小，结构的承载力较低。

五、施工方面

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；钢管混凝土柱的零件较少，焊缝少，构造简单，柱脚常采用在混凝土基础上预留杯口的插人式柱脚，因而工厂制造比较简单；同时构件自重较小，运输和吊装也较易，施工很简便；而且钢管混凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在40mm以内，无论工厂焊接和现场进行对接，都没有什么困难。同时，与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的外皮钢管具有钢筋的功能，兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，所以管内没钢筋，省了钢筋下料和绑扎钢筋等一系列工艺，又由于柱外皮钢管本身就是耐侧压的模板，同时也省了支模和拆模等工序。在浇筑混凝土后，钢管内处于相当稳定的湿度条件，水分不易蒸发，省去浇水养护工序，简化了混凝土的养护工艺。

钢管混凝土的施工主要包含钢管的制作、安装及混凝土的施工两个方面的内容，下面就从这两个方面谈一下钢管混凝土施工中的一些问题。

1. 在钢管构件的制作、安装要求方面：

1) 钢管混凝土柱用的钢管，焊接、制作要求较高。一般应优先采用螺旋焊管，无螺旋焊接管时，也可以用滚床自行卷制钢管。焊接时除一般钢结构的制作要求外要严格保证管的平、直，不得有翘曲、表面锈蚀和冲击痕迹。特别是它对钢管内壁的除锈要求。可能会增加钢管的制作周期。

2) 在构件制作过程中，钢管的对接是一个难点。结构要求焊后的管肢要平直，这就需要在焊接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响。管肢对接焊接前，对于小直径钢管应采用点焊定位。对于大直径钢管应另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定联焊。在钢管对接焊过程中，如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝，则该微裂缝部位必须全部铲除重焊。为了确保联接处的焊缝质量，在现场拼接时，在管内接缝处必须设置附加衬管。

3) 钢管构件在吊装时应控制吊装荷载作用下的变形，吊点的设置应根据钢管构件本身的承载力和稳定性经验算后确定。吊装时应将管口包封，防止异物落入关内。钢管构件吊装就位后，应立即进行校正，采取可靠固定措施以保证构件的稳定性。

2. 混凝土的浇筑

钢管混凝土核心混凝土的配合比除了应满足有关力学性能指标的要求外，尚应注意混凝土塌落度的选择。钢管内混凝土浇灌工作，宜连续进行，若间歇时，时间不应超过混凝土的终凝时间，需留施工缝时，应将管口封闭，防止水、油污和异物等落入。混凝土施工前应有切实可行的施工组织计划。

管内浇注可采用以下几种方法：

1) 人工逐层浇筑法

2) 导管浇筑法

3) 高位抛落免振捣法

4) 泵送顶升浇筑法