鋼管混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在建筑中的應(yīng)用

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一般在混凝土中再不配縱向鋼筋與鋼箍。所用鋼管一般為薄壁圓鋼管或方鋼管。方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用歷史較短,盡管其與圓鋼管混凝土相比有一定的優(yōu)點(diǎn),鋼管的制作,節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造較為簡(jiǎn)單,對(duì)某些受力構(gòu)件,大偏心受壓構(gòu)件比圓鋼管受力性能要好,不必一定做成雙肢或多肢柱。

　　一、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有以下的優(yōu)點(diǎn):

　　(1)受力合理,能充分發(fā)揮混凝土與鋼材的特長(zhǎng),從而使構(gòu)件的承載能力大大提高。從另一方面而言,對(duì)于同樣的負(fù)荷,鋼管混凝土構(gòu)件的斷面將比鋼筋混凝土構(gòu)件顯著減小。對(duì)混凝土來(lái)說(shuō),由于鋼管約束,改變了受力性能,變單向受壓為三向受壓,使混凝土抗壓強(qiáng)度提高了幾倍。對(duì)鋼管來(lái)說(shuō),薄壁鋼構(gòu)件對(duì)于局部缺陷特別敏感。薄壁鋼管也不例外,局部缺陷特別是不對(duì)稱(chēng)缺陷的存在,將使實(shí)際的穩(wěn)定承載力比理論值小得多。由于混凝土充填了鋼管,保證了薄壁鋼管的局部穩(wěn)定,使其弱點(diǎn)得到了彌補(bǔ)。

　　(2)具有良好的塑性性能。混凝土是脆性材料,混凝土的破壞具有明顯的脆性性質(zhì),即使是鋼筋混凝土受壓構(gòu)件,尤其是軸心受壓及小偏心受壓構(gòu)件的破壞,也是脆性破壞。而且在實(shí)際工程中軸心受壓、小偏心受壓的情況往往實(shí)際上是不可避免的,甚至是大量的。而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中,由于核心混凝土是處于三向約束狀態(tài),約束混凝土與普通混凝土不同,不僅改善了使用階段的彈性性質(zhì),而且在破壞時(shí)產(chǎn)生很大的塑性變形,鋼管混凝土柱的破壞,完全沒(méi)有脆性特征,屬于塑性破壞。

　　此外,這種結(jié)構(gòu)具有良好的抗疲勞、耐沖擊的性能。

　　(3)施工簡(jiǎn)單,縮短工期。鋼管本身就是模板,因此比鋼筋混凝土構(gòu)件省去了模板。鋼管本身既是縱筋又是箍筋,這樣便省去了模板的制作安裝工作。鋼管的制作比鋼筋骨架的制作安裝也簡(jiǎn)單,并且鋼管本身在施工階段即可作為承重骨架,可以節(jié)省腳手架。這些方面對(duì)施工都大為有利,不僅節(jié)省了大量施工中的材料,減少了施工工作量,而且大大減少了現(xiàn)場(chǎng)露天工作,改善了工作條件,同時(shí)也加快了施工、縮短工期。

　　(4)獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效果。與鋼結(jié)構(gòu)相比,節(jié)約了大量鋼材。根據(jù)多項(xiàng)工程統(tǒng)計(jì),鋼管混凝土大約能節(jié)省鋼材50%,因而相應(yīng)地也降低了造價(jià)。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,大約可減少混凝土量的一半,而用鋼量大致相當(dāng)。這樣隨之帶來(lái)的優(yōu)越性是構(gòu)件自身大大減輕、構(gòu)件斷面大大減小,減少了結(jié)構(gòu)占地面積。由于省去了大量的模板,節(jié)省了大量木材,降低了費(fèi)用,因此其取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效果。

　　(5)具有良好的抗震性能。由于結(jié)構(gòu)自重大大減輕,這對(duì)減小地震作用大為有利。結(jié)構(gòu)具有良好的延性,這在抗震設(shè)計(jì)中是極為重要的。而對(duì)于一般鋼筋混凝土柱,尤其是軸壓和小偏心受壓柱是難以克服的缺點(diǎn)。

　　(6)具有美好的造型與最小的受風(fēng)面積。圓形柱不僅以其美好的造型而且因其無(wú)棱角,所以特別適用于公共建筑的門(mén)廳、大廳、車(chē)站車(chē)庫(kù)、城市立交橋以及露天塔架等高聳結(jié)構(gòu)。

　　由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有一系列的優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛采用于多高層建筑、橋梁結(jié)構(gòu)、地鐵車(chē)站及各種重型、大跨的工業(yè)廠房以及高聳塔架等建筑物。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在國(guó)外應(yīng)用已有近百年歷史,20世紀(jì)初,美國(guó)就在一些單層和多層房屋中采用鋼管混凝土柱。

　　二、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在多層建筑中的應(yīng)用

　　1984年在上海建成的基礎(chǔ)公司特種基礎(chǔ)研究所科研樓,地下2層,地上5層均為雙跨鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)。邊柱與中柱分別為令299與個(gè)35l的鋼管混凝土柱,可見(jiàn)柱斷面及結(jié)構(gòu)占地面積均比鋼筋混凝土框架柱為小。其后又陸續(xù)用于高層建筑的全部與部分主體結(jié)構(gòu)中。例如1992年泉州市郵電局大廈,高87.5m,采用框架剪力墻結(jié)構(gòu),底部三層的框架柱采用的鋼管混凝土柱。廈門(mén)信源大廈高96m,地下2層地上28層。地下至20層的全部框架柱及20～23層的四角柱采用了鋼管混凝土。廈門(mén)埠康大廈,高86.5m,地上25層,其中12層采用了鋼管混凝土柱?；葜菁悟E大廈28層,全部柱子采用鋼管混凝土柱?；葜莞患澤套?8層,地下2層、地上3層全部柱子采用了鋼管混凝土柱。這些高層建筑中采用鋼管混凝土柱不僅節(jié)約材料、減輕自重、縮短工期,并且如果采用鋼筋混凝土,柱斷面尤其是底下數(shù)層柱的斷面將會(huì)很大,結(jié)構(gòu)占據(jù)了很大的使用面積,也給使用帶來(lái)諸多不便。

　　三、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在公共建筑中的應(yīng)用

　　北京地鐵車(chē)站站臺(tái)柱。在北京地鐵車(chē)站站臺(tái)中廣泛采用了鋼管混凝土柱,不僅充分發(fā)揮了其優(yōu)良的受力性能,也獲得美好的景觀,縮短了工期。首鋼陶樓展覽館,全部柱子也采用了鋼管混凝土柱。江西省體育館的屋蓋由跨度為88m的拱懸掛。拱采用箱形截面,分別用四根鋼管置于箱形截面的四角,用角鋼做腹桿組成了箱形截面拱。四角鋼管中澆筑混凝土,以此箱形拱為依托,掛上模板,澆灌混凝土以形成鋼筋混凝土箱形截面拱。這樣解決了如此高大拱體現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的困難。充分體現(xiàn)了前述鋼管可作為施工時(shí)承重骨架的優(yōu)越性。這一結(jié)構(gòu),實(shí)際上是鋼管混凝土與空腹桁架配鋼的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的巧妙結(jié)合與新的發(fā)展。

　　四、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)除廣泛應(yīng)用于多高層民用建筑、公共建筑及工業(yè)廠房以及橋梁中外,也經(jīng)常用于各種設(shè)備支架、塔架、通廊與倉(cāng)庫(kù)支柱等各種構(gòu)筑物中。

　　因?yàn)檫@些平臺(tái)或構(gòu)筑物支架柱常為軸心受壓或接近軸心受壓,塔架等構(gòu)架的桿件常常以軸力為主,因此用鋼管混凝土柱受力合理,尤其對(duì)于室外的高度較高的塔架或倉(cāng)庫(kù)等,用圓形柱減小了受風(fēng)面積,對(duì)承受風(fēng)力是理想的斷面形式。這些構(gòu)筑物中比較典型的有江西德興銅礦礦石貯倉(cāng)柱。圓筒貯倉(cāng)高達(dá)42m,包括礦石在內(nèi)總重達(dá)16000t,采用了16根鋼管混凝土柱支承。荊門(mén)熱電廠鍋爐構(gòu)架1982年建成,鍋爐及附屬結(jié)構(gòu)總重為4220t,構(gòu)架高50m,由六根鋼管混凝土平腹桿雙肢柱支承。構(gòu)架跨度22.4m,柱距12m,柱頂標(biāo)高47.93m。柱肢采用令800mmXl2mm的鋼管,顯得非常輕巧。另外用于高爐和鍋爐的構(gòu)架還有首鋼二號(hào)高爐四號(hào)高爐構(gòu)架,太鋼1.053m3高爐構(gòu)架,遼陽(yáng)化纖總廠熱電廠八號(hào)鍋爐構(gòu)架,周口、許昌等電廠鍋爐構(gòu)件等。用于做平臺(tái)支柱的如黑龍江新華電廠加熱器平臺(tái)柱,荊門(mén)熱電廠加熱器平臺(tái)柱等。

　　華北電管局的微波塔于1988年建成,塔頂標(biāo)高117m,塔身由20根令273mmX8mm無(wú)縫鋼管內(nèi)注C15混凝土的鋼管輥凝土柱構(gòu)成空心圓柱形結(jié)構(gòu)。華東電力設(shè)計(jì)院1979年設(shè)計(jì)的500kV門(mén)式變電構(gòu)架采用鋼管混凝土A形柱,構(gòu)架高27.5m,采用令420mmX 6mm的鋼管,取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。其他如吉林松膠終端塔,葛洲壩輸電線(xiàn)路的變電構(gòu)架也都采用了鋼管混凝土柱。

　　結(jié)論

　　由于鋼管混凝土的合理受力性能,施工簡(jiǎn)便,可加速工期并取得一定經(jīng)濟(jì)效果,因此已廣泛用于各種建構(gòu)筑物及橋梁工程。當(dāng)然,根據(jù)其受力特點(diǎn),主要用于以軸力為主尤其是以軸壓為主的構(gòu)件更顯其優(yōu)越性。由于工程中各種類(lèi)型構(gòu)件均有,受力復(fù)雜,因此使用時(shí)應(yīng)根據(jù)構(gòu)件受力特點(diǎn),可與鋼結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及其他組合結(jié)構(gòu)結(jié)合使用,使各自發(fā)揮本身的特長(zhǎng)而構(gòu)成字昆合結(jié)構(gòu)而不可勉強(qiáng)地一定采用某種單一的結(jié)構(gòu)體系。