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孙一喆 浅析钢管混凝土原理与发展状况
新丝路杂志(下旬刊)官方网站   2019-09-18 15:14:12 作者:新丝路杂志社 来源: 文字大小:[][][]

 孙一喆西安建筑科技大学  陕西西安  710055)

 要:钢管混凝土以其较高的承载能力,良好的延性,占地面积小,自重轻,施工省时省力等优点成为近些年来业界的热门研究话题,广泛应用于高层及超高层、大跨、重载、抗震防爆等工程当中。本文对钢管混凝土的基本原理进行了讲解,并对钢管混凝土的优点及发展情况进行了简要的介绍,文末对钢管混凝土的研究前景做了简单总结。

关键词:钢管混凝土;高层建筑;环向约束

传统的钢筋混凝土柱是采用内部钢筋骨架包裹外层混凝土而形成的钢筋混凝土构件,而钢管混凝土柱则是在成型钢管内注入混凝土后形成的结构构件,即内部混凝土被外层钢管包裹而形成的构件,其中以圆形截面和矩形截面应用较为广泛,且圆钢管混凝土较方钢管混凝土套箍力更强而更受青睐。钢管混凝土的具体分类,按截面类型来划分,可以分为被覆型,充填型和充填被覆型。

当一个物体在一个方向受到压缩以后,势必会引起与它垂直方向的伸长,即当用力挤压某种材料或者物体的时候,在它侧面会呈现出鼓胀外凸的趋势。而当在侧向对它提供约束时,由于横向变形被限制,其侧面相当于又增加了一个水平的横向力作用,这时,构件的竖向受压能力将会大幅度地提高。同样,在建筑结构中的钢筋混凝土柱,在承受巨大的竖向压力时,也会发生这种现象,为了减缓这种现象带来的负面影响和提高竖向承载能力,需要在柱的侧面采取一些约束措施,这也是柱中配置箍筋的一个主要原因。再到后来,有人提出采用螺旋箍筋,即在混凝土竖向钢筋的外侧采用像弹簧形状一样的连续箍筋,可以对中部区域的核心混凝土产生明显的约束作用。自然而然地,有人就想到,既然一味的将箍筋加密,为什么不把箍筋和竖向钢筋密集的结合在一起,形成一个整体约束,去掉外围的混凝土,于是就变成了工程应用中的钢管混凝土。

实际上,不仅钢管对混凝土具有贡献,内部混凝土的填充也对外部钢材有明显的贡献作用,使用钢管作为结构支撑,很容易因为荷载的偏心或者制作与施工上的误差导致它在使用过程中难以按照理想情况下屈服破坏,其破坏常常表现为局部失稳而丧失承载能力,破坏远远低于理论临界应力设计值,而在钢管内部填充混凝土就可以增大构件刚度,从而有效地抑制这种问题。故由此看来,两种材料既互相弥补了各自的缺陷,又发挥了各自的长处,此外,钢管混凝土也不是简单的一加一等于二,其承载能力也明显高于单独混凝土与单独钢管承载力的总和。

从力学角度来看,还可以做以下简单的力学分析:

 

(a)               b)

忽略剪切应力的影响,图示模型a为无钢管壁约束下传统混凝土受压情况,模型b为外部加钢管约束下内部混凝土受压情况,可以看到,由于钢管壁的约束作用,使得内部混凝土处于三向受压状态,由此,我们可以计算:

对于模型a,其等效应力

对于模型b,假设钢管壁在混凝土受挤压时候对混凝土两侧施加的应力均匀,故主应力2与主应力3可以近似认为大小相等,且二者与主应力1差值相同,则可以推得其等效应力值的大小为:

由米泽斯屈服(Mises)准则,当时,认为材料达到极限承载力,则可以明显得到b模型比a模型承载力水平有所提高,且提高值依赖于侧向应力的大小,侧向应力值与竖向加载应力越接近,提高幅度越大。

简单来讲,钢管混凝土的原理就是:管内混凝土受到钢管壁套箍力影响,强度韧性大幅度提高,而外壁钢管则因内部混凝土作用,稳定性也能明显增强,规范中引入套箍系数来衡量钢管壁对核心混凝土的约束程度大小。

总的来说,钢管混凝土主要有以下几点明显的优势:

1.承载力高。随着经济的发展与城市化进程的推进,对高层与超高层建筑有着越来越大的需求,而层数和建筑高度的增加势必会导致荷载值的增加,采用承载力高的钢管混凝土能顺应时代发展的趋势。

2.塑性与韧性好。混凝土属于脆性材料,且随着强度标号的提高其脆性更为显著。而钢管混凝土在三向受压下不但纵向抗压强度得到增加,弹性模量也得到了提高,增加了其塑性变形能力,据有关实验数据表明,钢管混凝土柱破坏时会发生明显的轴向压缩,破坏时具有很大的塑性变形,具有良好的耗能能力。

3.施工简便。钢管混凝土中的钢管相当于混凝土的模板,在施工浇筑中可大大节约工作时间,省去了传统钢筋混凝土支模浇筑再拆模的复杂工序,并且施工时可采用泵送混凝土,免振捣自密实混凝土等施工工艺,空钢管自重小,在施工现场也便于吊装和施焊。

4.经济效益好。实践证明,采用钢管混凝土,相对于钢结构能大量节约钢材的使用,法国巴黎居民区的第一座摩天大楼就采用了钢管混凝土框架柱,比钢结构节省钢材约40%,同时相对于传统钢筋混凝土构件其截面面积可减少一半,从而降低结构的造价,增大建筑物内部的使用空间,避免高层结构底层出现大量肥梁胖柱,采用钢管混凝土也能达到减轻结构自重的目的。

5.耐火,耐腐蚀。钢管中浇筑混凝土使得钢管的外露面积减小,抗腐蚀性对比钢结构较强,外部所需的涂料使用量也大大减少。由于混凝土的比热容较钢材来说大很多,钢材导热系数却比混凝土大很多,故当发生火灾时,钢管混凝土的外部钢管急速升温,但内部混凝土升温滞后,使得结构在火灾前期仍具有一定的承载能力。

关于钢管混凝土节点的构造主要有两种,即柱贯通式节点和梁贯通式节点,顾名思义,柱贯通式为钢管混凝土柱上下连接贯通,而钢梁在柱的两侧进行施焊拼接,梁贯通式则是柱子侧面在梁连接处断开,将梁做成连续贯通型。

早在19世纪80年代,钢管混凝土就已经出现。1879年,在英国赛文铁路桥的建造中就采用了钢管桥墩,并在钢管中灌注了混凝土以防止内部锈蚀。Neogi PK的学位论文和Sewell JS的研究报告,是有关钢管混凝土柱最早的研究成果。而在我国,钢管混凝土的起步则比较晚,从1959年开始研究钢管混凝土的性能与应用,到1966年北京地铁车站工程采用钢管混凝土,再到70年代单层工业厂房中的应用,以及今天全国各地的地标超高层建筑建设,也仅仅只有50余年罢了。虽然只有短短的几十年,但我国钢管混凝土的发展却是突飞猛进,如深圳的赛格广场大厦,建筑总层数为72层,建筑总高度为355.8米,是世界最高的钢管混凝土架构大厦。除此之外,还有厦门的金源大厦,天津的今晚报大厦,北京的世界金融中心,武汉的国际证券大厦等等,2005年建成的重庆奉节巫山长江大桥,更是以净跨460m创下钢管混凝土拱桥跨度世界之最。

就目前来说,国内关于钢管混凝土的防火与抗震相关的真实案例较少,其研究主要通过试件试验测量和计算机软件模拟进行分析,且钢管混凝土在浇筑后易发生混凝土收缩而导致钢管壁和混凝土间产生脱空,其主要方法是采用膨胀混凝土等手段,这些仍是未来一段时间内钢管混凝土的研究趋势。

 

参考文献:

[1]过镇海钢筋混凝土原理.北京:清华大学出版社2013.4

[2]薛建阳.钢-混凝土组合结构与混合结构设计.北京:中国电力出版社2018.10

作者简介:

孙一喆陕西西安人,西安建筑科技大学在读研究生研究方向:钢结构设计理论及方法

 

国内刊号:CN61-1499/C

国际刊号:ISSN2095-9923

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