钢管混凝土结构的理论与实践.pdf

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1、·226·《工程力学》增刊2001年钢管混凝土结构的理论与实践一第十届全国结构工程学术会议特邀报告一韩林海f福州大学土术建筑工程学院福卅350002)摘要简要回顾了钢管惺凝土力学性能研究现状，探讨了组成钢管混撮土的钢管及其核心混凝土之间的相互作用问题，介绍了钢管混凝土在单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、空间结扮、高层和超高层建筑以及桥粱结构中的应用情况．最后，对需要进一步开展的研究工作进行了探讨．关键词钢管混凝土．工程实践，承载力，滞回性能，耐火极限，徐变，疲劳，残余应力，质量控制

2、1前言钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，按截面形式不同，分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土等．工程中常用的几种截面形式有圆形、正方形和矩形【‘I吼实际结构中，根据钢管作用的差异，钢管混凝土柱又可分为两种形式：一是组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期即共同受力：二是外加荷载仅作用在核心混凝土上，钢管只起对其核心混凝土的约束作用，即所谓的钢管约束混凝土拄。本文主要论述实际工程中常用的圆形截面钢管混凝土(以下简称圆钢管混凝土)、正方形截面钢管混凝土(以下简称方钢管混凝土)结构和矩形截面钢管混凝土(以下简称矩形钢管混

3、凝土)结构，且钢管和混凝土在受荷初期就共同承受外荷载的情况”¨“．1”】。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时．由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈瞌，可以保证其材料性能的充分发挥。另外，在钢管混凝土的施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心混凝土的模板，与钢筋混凝土相比．可节省模板费用，加快施工速度。总之，通过铜管和混凝土组合而成为钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的优点

4、，这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在”J．【37J。钢管混凝土具有如下特点：(1)承载力高。对于薄壁钢管来说，其I

5、缶界承载力极不稳定，因为它对局部缺陷很敏感。实验证明：薄壁钢管的实际承载力往往只有理论计算值的1，3～]／5．当有残余应力存在时，影响将更大。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后，钢管约束了混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压．延缓了受压时的纵向开裂。而混凝土却可以避免或延缓薄壁钢管过早地韩林海．男．196710生，工学博士，教授、博士生导师围寡自能科学基盘(5958007)、霍英东教育基金(0501064)和国家

6、教育都优秀青年教师基叠资助项目7'▲’●——!三堡塑堂!塑型!塑!生：!塑：发生局部屈曲，两种材料相互弥补了被此的弱点，却可以充分发挥彼此的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载力。大太高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之和，产生所谓“1+1>2”的“组合”效果。方钢管和矩形钢管对其核心混凝士的约束效果不如圆钢显著，但仍有很好的效果，尤其可以有效地提高构件的延性。另外．节点处理也较容易。图l所示为一方钢管混凝土轴心受压构件与组成其的钢管及核心混凝土轴心受压时的荷载(Ⅳ)、纵向应变(s)的对比情况p1，可见方钢管混凝土的承载能力

7、大大高于空钢管和混凝土单独承受外荷载能力．也高于二者承载力的叠加，构件的变形能力也很强，40，0一o20之1000’50001000015000F(u0图1N．占关系(2)塑性和韧性好。混凝土脆性较大，对于高强度混凝土(各国对高强混凝土的定义有所不同，在我国，一般指立方试块强度fc,260MPa的混凝土为高强混凝土)更是如此，其工作的可靠性因此而大为降低。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，而且在破坏时具有很太的塑性变形。试验结果表明，圆钢管混凝土轴心受压短柱破坏时往往可以被

8、压缩到原长的2／3，但仍没有呈现脆性破坏的特征。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。由于钢管揭凝土具有良好的塑性和韧·陛．因而抗震性能良好㈣⋯]-113】1191_f2”。(3)施工方便。与钢筋混凝土柱相比，采用钢管混凝土柱没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简便。因管内无钢筋，混凝土浇灌容易，振捣密实。特别是目前采用泵送混凝土，高位抛落不振捣混凝土和免振自密实混凝土等施工工艺，更可加速钢管混凝土构件的施工进度，与二里二一——．一!三望垄堂!塑型!塑!生预制钢筋混凝土构件相比．不需要构件预制场地；与钢结构构件相比

9、，钢管混凝土的构造通常比钢结构构件简单，焊缝少，易于制作。特别是组成钢管混凝土构件的钢管壁厚一般均较小，现场拼接对焊简便快捷。由于空钢管构件的自重小，可以大大减少运输和吊装等费用。此外，钢管混凝土柱不论是单