鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

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鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

目前，在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較普遍的柱結(jié)構(gòu)主要有鋼筋混凝土，型鋼混凝土和鋼結(jié)構(gòu)等。衡量一種柱構(gòu)件技術(shù)上的優(yōu)越性可以總體上從考察以下幾個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行，即構(gòu)件截面尺寸和自重、抗震性能、耐火性能和施工性能等。下表給出了鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土、型鋼混凝土和鋼結(jié)構(gòu)柱等的比較情況：

柱結(jié)構(gòu)的性能比較

項(xiàng)目

鋼筋混凝土

型鋼混凝土

鋼結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土

截面尺寸

大

較大

較小

較小

抗震性能

較差

較好

好

較好

耐火性能

好

好

較差

較好

施工性能

一般

一般

好

好

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)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)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠更有效地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點(diǎn)。一般的，混凝土強(qiáng)度等級在C50以下的鋼管混凝土稱為普通鋼管混凝土；混凝土強(qiáng)度等級在C50以上的鋼管混凝土稱為鋼管高強(qiáng)混凝土；混凝土強(qiáng)度等級在C100以上的鋼管混凝土稱為鋼管超高強(qiáng)混凝土。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(yīng)用較廣。

混凝土的抗壓強(qiáng)度高，但抗彎能力很弱，而鋼材，特別是型鋼的抗彎能力強(qiáng)，具有良好的彈塑性，但在受壓時(shí)容易失穩(wěn)而喪失軸向抗壓能力。而鋼管混凝土在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度可成倍提高。同時(shí)由于混凝土的存在，提高了鋼管的剛度，兩者共同發(fā)揮作用，從而大大地提高了承載能力。鋼管混凝土作為一種新興的組合結(jié)構(gòu)，主要以軸心受壓和作用力偏心較小的受壓構(gòu)件為主，被廣泛使用于框架結(jié)構(gòu)中(如廠房和高層)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

一、承載力高

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)，可延緩混凝土受壓時(shí)的縱向開裂，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)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。兩種材料相互彌補(bǔ)了彼此的弱點(diǎn)，卻可以充分發(fā)揮各自的長處，從而使鋼管混凝土具有很高的承載能力。研究表明，鋼管混凝土柱的承載力高于相應(yīng)的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。

二、塑性和韌性好，抗震性能優(yōu)越

混凝土的脆性相對較大，對于高強(qiáng)度混凝土更是如此。如果將混凝土灌入鋼管中形成鋼管混凝土，核心混凝土在鋼管的約束下，不但在使用階段改善了它的彈性性質(zhì)，而且在破壞時(shí)具有較大的塑性變形。此外，這種結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載和振動荷載時(shí)，也具有很大的韌性。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?，?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。

三、耐火性能較好

火災(zāi)下，由于核心混凝土可吸收鋼管傳來的熱量，從而使其外包鋼管的升溫滯后，這樣鋼管混凝土中鋼管的承載力損失要比純鋼結(jié)構(gòu)相對更小，而鋼管也可以保護(hù)混凝土不發(fā)生崩裂現(xiàn)象?；馂?zāi)作用下，隨著外包鋼管溫度的不斷升高，其承載能力會不斷降低，并把卸下的荷載傳遞給升溫較慢、且具有較高承載能力的核心混凝土。這樣由于組成鋼管混凝土的鋼管和其核心混凝土之間具有相互貢獻(xiàn)、協(xié)同互補(bǔ)和共同工作的優(yōu)勢，使這種結(jié)構(gòu)具有較好的耐火性能。

四、耐腐蝕性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)

鋼管中澆注混凝土使鋼管的外露面積減少，受外界氣體腐蝕面積比鋼結(jié)構(gòu)少得多，抗腐和防腐所需費(fèi)用也比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省。鋼管混凝土構(gòu)件的截面形式對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能、施工難易程度、施工工期和工程造價(jià)都有很大的影響。圓鋼管混凝土受壓構(gòu)件借助于圓鋼管對其內(nèi)部混凝土有效的約束作用，使鋼管內(nèi)部的混凝土處于三向受壓狀態(tài)，使混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度。但是圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工難度大，施工成本較高。相比之下，方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工較為方便，但鋼管混凝土受到的約束作用較小，結(jié)構(gòu)的承載力較低。

五、施工方面

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)，鋼管可以做為勁性骨架承擔(dān)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(hù)時(shí)間的影響；鋼管混凝土柱的零件較少，焊縫少，構(gòu)造簡單，柱腳常采用在混凝土基礎(chǔ)上預(yù)留杯口的插人式柱腳，因而工廠制造比較簡單；同時(shí)構(gòu)件自重較小，運(yùn)輸和吊裝也較易，施工很簡便；而且鋼管混凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在40mm以內(nèi)，無論工廠焊接和現(xiàn)場進(jìn)行對接，都沒有什么困難。同時(shí)，與鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土柱的外皮鋼管具有鋼筋的功能，兼有縱向鋼筋和橫向箍筋的作用，所以管內(nèi)沒鋼筋，省了鋼筋下料和綁扎鋼筋等一系列工藝，又由于柱外皮鋼管本身就是耐側(cè)壓的模板，同時(shí)也省了支模和拆模等工序。在澆筑混凝土后，鋼管內(nèi)處于相當(dāng)穩(wěn)定的濕度條件，水分不易蒸發(fā)，省去澆水養(yǎng)護(hù)工序，簡化了混凝土的養(yǎng)護(hù)工藝。

鋼管混凝土的施工主要包含鋼管的制作、安裝及混凝土的施工兩個(gè)方面的內(nèi)容，下面就從這兩個(gè)方面談一下鋼管混凝土施工中的一些問題。

1. 在鋼管構(gòu)件的制作、安裝要求方面：

1) 鋼管混凝土柱用的鋼管，焊接、制作要求較高。一般應(yīng)優(yōu)先采用螺旋焊管，無螺旋焊接管時(shí)，也可以用滾床自行卷制鋼管。焊接時(shí)除一般鋼結(jié)構(gòu)的制作要求外要嚴(yán)格保證管的平、直，不得有翹曲、表面銹蝕和沖擊痕跡。特別是它對鋼管內(nèi)壁的除銹要求?？赡軙黾愉摴艿闹谱髦芷?/span>。

2) 在構(gòu)件制作過程中，鋼管的對接是一個(gè)難點(diǎn)。結(jié)構(gòu)要求焊后的管肢要平直，這就需要在焊接時(shí)采取相應(yīng)的措施和特別注意焊接的順序以及考慮到焊接變形的影響。管肢對接焊接前，對于小直徑鋼管應(yīng)采用點(diǎn)焊定位。對于大直徑鋼管應(yīng)另用附加鋼筋焊于鋼管外壁作臨時(shí)固定聯(lián)焊。在鋼管對接焊過程中，如發(fā)現(xiàn)點(diǎn)焊定位處的焊縫出現(xiàn)微裂縫，則該微裂縫部位必須全部鏟除重焊。為了確保聯(lián)接處的焊縫質(zhì)量，在現(xiàn)場拼接時(shí)，在管內(nèi)接縫處必須設(shè)置附加襯管。

3) 鋼管構(gòu)件在吊裝時(shí)應(yīng)控制吊裝荷載作用下的變形，吊點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)鋼管構(gòu)件本身的承載力和穩(wěn)定性經(jīng)驗(yàn)算后確定。吊裝時(shí)應(yīng)將管口包封，防止異物落入關(guān)內(nèi)。鋼管構(gòu)件吊裝就位后，應(yīng)立即進(jìn)行校正，采取可靠固定措施以保證構(gòu)件的穩(wěn)定性。

2. 混凝土的澆筑

鋼管混凝土核心混凝土的配合比除了應(yīng)滿足有關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)的要求外，尚應(yīng)注意混凝土塌落度的選擇。鋼管內(nèi)混凝土澆灌工作，宜連續(xù)進(jìn)行，若間歇時(shí)，時(shí)間不應(yīng)超過混凝土的終凝時(shí)間，需留施工縫時(shí)，應(yīng)將管口封閉，防止水、油污和異物等落入。混凝土施工前應(yīng)有切實(shí)可行的施工組織計(jì)劃。

管內(nèi)澆注可采用以下幾種方法：

1) 人工逐層澆筑法

2) 導(dǎo)管澆筑法

3) 高位拋落免振搗法

4) 泵送頂升澆筑法