浅谈钢管混凝土的应用

　　摘要：介绍了钢管混凝土结构的特点、研究现状及其工程应用，探讨了钢管混凝土结构使用中需要注意的问题。吸收近年来有关单位在钢管混凝土研究领域取得的最新研究成果，总结了钢管混凝土的工程实践及设计经验。
　　关键词：钢管混凝土结构特点设计理论工程应用
　　一.绪论
　　钢管混凝土结构系指在钢管内填入混凝土而形成的一种新型组合材料。由于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。近年来，随着理论研究的深入和新施工工艺的产生，钢管混凝土结构逐渐被应用于各种建筑结构。尤其是在高层建筑结构中，随着建筑物高度的增加，钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土结构的应用也在得到快速的发展。
　　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。一般的，我们把混凝土强度等级在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。混凝土可采用普通混凝土和高性能混凝土，水灰比应控制在0.45及以下。用于钢管中的混凝土强度等级不宜低于C30级，其强度等级、力学性能和质量标准应分别符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010和《混凝土强度检验评定标准》GBJ107的规定。材料选择时Q235钢宜配C30或C40级混凝土；Q345钢宜配C40、C50或C60级混凝土；Q390和Q420钢宜配C60以上等级的混凝土。
　　二.钢管混凝土结构的特点
　　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、排架结构中。对于大偏心受压构件宜采用格构式构件。厂房柱和构架柱可根据厂房规模、结构形式、荷载情况和使用要求采用单肢、双肢、三肢和四肢等四种。钢管混凝土结构良好的受力性能和施工性能具体表现为以下几个方面：
　　2.1承载力高、延性好，抗震性能优越
　　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，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。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。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。
　　塑性是指在静载作用下的塑性变形能力。钢管混凝土短柱轴心受压试脸表明，试件压缩到原长的2/3,纵向应变达30%以上时，试件仍有承载力。剥去钢管后，内部混凝土虽已有很大的褶皱，但仍保持完整，并未松散，且仍有约5%的承载力，用锤敲击后才粉碎脱落。抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在这方面，钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明，结构的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，和不丧失局部稳定性的钢柱相同，但在一些建筑中，钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性。但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。
　　2.2施工方便，工期缩短,节能减排
　　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40m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及支模、拆模的材料和人工费用。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，大大节省了时间。
　　管内混凝土可采用泵送顶升浇灌、导管输入法、手工逐段浇捣及高位抛落免振捣法。其中以泵送顶升浇灌法的质量最易控制。随着施工技术的发展，在工程实践中钢管混凝土施工的工艺将会有所不同，但无论采用哪种工艺，都不仅要保证混凝土强度，还要保证混凝土的密实度。
　　2.2.1泵送顶升浇灌法：在钢管柱适当的位置安装一个带有防回流装置的进料支管，直接与泵车的输送管相连，将混凝土连续不断地自下而上灌入钢管，无需振捣。钢管的尺寸宜大于或等于进料支管的两倍。对泵送顶升浇灌的柱下部入口处的管壁应进行强度验算。泵送混凝土前应用清水冲洗钢管内壁。
　　2.2.2导管输入法：在钢管内插入上端装有混凝土料斗的钢制导管，自下而上边退边完成混凝土的浇筑。浇筑前导管下口离底部的垂直距离不宜小于300mm，浇筑过程中导管下口宜置于混凝土中1m。导管与柱内水平隔板浇灌孔的侧隙不易小于50mm，以便插入振动捧振捣。当钢管最小边长小于400mm时，可采用附着式振动器在钢管外部振捣。为了减轻劳动强度，混凝土浇筑过程中应尽可能采用机械提升导管的方法。
　　2.2.3手工逐段浇捣法：混凝土自钢管上口灌入，用振捣器捣实，管截面最小边长或管径大于350mm时，采用内部振捣器进行振捣，每次振捣时间不少于30秒，一次浇灌高度不宜大于1.5m。当管截面最小边长或管径小于350mm时，可采用附着在钢管外部的振捣器进行振捣，外部振捣的位置应随混凝土浇灌进展加以调整。手工逐段浇捣法一次浇灌的高度不应大于振捣器的有效工作范围和2~3m柱长。
　　2.2.4高位抛落免振捣法：利用混凝土下落时产生的动能达到振实混凝土的目的，适用于管截面最小边长或管径大于350mm，高度不小于4m的情况。对于抛落高度低于4m的区段，应用内部振捣器振实，一次抛落的混凝土量宜在0.7m3左右，用料斗装填，料斗的下口尺寸应比钢管截面最小边长或管径小100~200mm，以便于管内空气的排出，应保证混凝土无泌水和离析现象。
　　近年来，泵送混凝土相当普遍，现场浇灌并无困难，简化了现场灌混凝土的工序，简便了施工。在浇筑后，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。
　　2.3有利于钢管的抗火和防火
　　由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。经实验统计数据表明:达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3一2/3甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多。
　　2.4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。
　　三．钢管混凝土结构设计理论及工程应用
　　3.1钢管混凝土结构设计理论
　　20世纪60年代之前，钢管混凝土结构的研究对象主要是圆钢管混凝土结构。从60年代后半期以后，开始比较系统地研究矩形钢管混凝土结构。目前，圆钢管混凝土结构的研究已经取得了丰硕的成果，很多国家制定了相应的设计和施工规范或规程，如欧洲标准EC4（1996）、德国标准DIN18800（1997）等。在我国，钢管混凝土结构的研究主要集中在圆钢管中填充素混凝土的内填型圆钢管混凝土结构。通过大量的试验研究和理论分析，对构件的承载力和变形性能及其影响因素进行了全面的研究，得到了实用的设计计算公式。设计钢管混凝土结构时，应分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。荷载的标准值、荷载分项系数、荷载组合值系数等，应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用。抗震设计时，还应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011的规定。按承载能力极限状态设计时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。结构构件的承载力（包括压屈及失稳）计算应采用荷载设计值。对有抗震设防要求的结构，尚应按照现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011及其它国家现行的有关强制性标准进行结构和构件的抗震验算。按正常使用极限状态设计时，应考虑荷载效应的标准组合。钢管的外直径或最小外边长不宜小于100mm，钢管的壁厚不宜小于4mm。钢管的外直径D或最大外边长D与壁厚t之比不得大于无混凝土时相应限值的1.5倍，即，圆管：；方管或矩形管：。对于矩形截面钢管混凝土构件，其钢管截面长边边长与短边边长之比（D/B）不宜大于2。钢管混凝土构件的容许长细比可按国家标准《钢结构设计规范》GB50017的有关规定确定。当钢管混凝土用作地震区的多层和高层、（结构体系中含框架的）超高层框架结构柱时，对于圆钢管混凝土构件截面的约束效应系数标准值=)不应小于0.6，对于矩形钢管混凝土，值不应小于1。
　　3.2钢管混凝土结构工程应用
　　在20世纪60年代以前，由于钢管内浇注混凝土的施工工艺尚未得到很好的解决，现场的施工操作显得繁琐，钢管混凝土结构在施工性能方面的优势没有得到应有的发挥。到80年代后期，由于泵送混凝土工艺的发展，解决了现场钢管内部浇灌混凝土的工艺问题，加上现代高强混凝土需要用钢管约束来克服其脆性。因此，钢管混凝土结构在美国和澳大利亚等国的高层建筑中得到了广泛应用，被认为是高层建造技术的一次重大突破。
　　我国钢管混凝土结构技术的开发和应用已有近40年的历史。1966年钢管混凝土结构应用于北京地铁车站工程，70年代又在单层工业厂房、重型构架中得到了成功的应用。单层工业厂房的柱属于偏心受压构件，为了充分发挥钢管混凝土结构的特点，很多工程中的柱子设计成格构式组合柱，如双肢柱、三肢柱和四肢柱，把偏心弯矩转变为轴心力。如1972年建成的本溪钢铁公司二炼钢轧辊钢锭模车间采用了四肢柱；1980年建成的太原钢铁公司第一轧钢厂第二小型厂的下柱采用双肢柱。与钢筋混凝土柱和普通钢柱相比，钢管混凝土组合柱显得特别轻巧，节约钢材，施工简便，同时刚度好。单层工业厂房中采用钢管混凝土柱时，钢管中混凝土的浇注可以在全部主体结构安装完成后进行，所以大大缩短了工期。在我公司设计的酒钢薄板坯连铸连轧工程和唐山国丰薄板坯连铸连轧等工程中,在我参与的深圳的市民中心和青岛经济技术开发区的国贸大厦等民用超高层建筑工程中，钢管混凝柱得到广泛的应用,取得了良好的效果,大大节约了钢材的使用量，取得了良好的社会和经济效益。
　　四．钢管混凝土结构使用中需要注意的问题
　　4.1材料的应用
　　钢管混凝土构件主要用作各种柱子，结合柱子要求和现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017的有关规定提出了对钢材的要求。因钢管由钢板冷弯卷制而成，所以要求冷弯180°的保证。圆钢管混凝土结构常用螺旋焊接管和直缝焊接管，而以前者较好，因易达到焊接与母材等强度的要求。当有可靠依据时，也可根据实际需要采用无缝钢管。当螺旋焊接管的常用规格不能满足要求时，可采用钢板卷制成的直缝焊接钢管，应采用对接坡口焊缝，不允许采用钢板搭接的角焊缝。焊缝应达到二级质量检验标准，和母材等强度。
　　由于钢管本身是封闭的，多余水分不能排出，因而水灰比不宜过大。采用流动性混凝土或塑性混凝土主要决定于采用的浇灌工艺。良好的混凝土密实度是保证钢管和核心混凝土之间共同工作的重要前提。高强混凝土、自密实高性能混凝土是已应用比较成熟但尚处在发展阶段的新技术。研究结果表明，在钢管混凝土中采用自密实高性能混凝土时，只要按有关规定严格控制其质量，钢管自密实混凝土能够满足对钢管混凝土的设计要求。采用高强混凝土可以减轻结构自重、降低工程造价。随着混凝土强度的提高，其延性下降，这阻碍了它在实际工程中的应用。将高强混凝土灌入钢管中形成高强钢管混凝土，由于受到钢管的约束作用，混凝土处于三向受压状态，其延性将大为提高，而其构件的承载力也得到了相应的提高。因此，高强钢管混凝土具有很大的发展潜力。近年来，国内外对高强钢管混凝土构件的研究表明；高强钢管混凝土的力学性能与普通钢管混凝土有所不同，其设计不能套用普通钢管混凝土构件的设计公式。
　　4.2耐火性能
　　我国还没有制定针对钢管混凝土结构的防火规定。目前钢管混凝土柱的防火保护依据国家规范《建筑设计防火规范》GB50016和中国工程建设标准化协会标准《建筑钢结构防火技术规范》CECS200:2006的有关规定进行。对于已经建成的钢管混凝土结构，根据抗火设计要求对钢管采用喷涂防火涂料或其它有效外包覆防火措施，其耐火等级及耐火极限应满足国家有关消防规范的要求。在构造上为保证火灾发生时核心混凝土中水蒸气的排放，每个楼层的柱均应设置直径为20mm的排气孔，其位置宜位于柱与楼板相交位置上方及下方100mm处，并沿柱身反对称布设，（图7.0.3）。桁架中的每根钢管混凝土杆件都应设置两个反对称的排气孔。当杆件长度超过4米时，应加设一对排气孔。钢管混凝土柱防火涂料的粘结强度、抗压强度等性能指标应符合国家标准《钢结构防火涂料》GB14907和中国工程建设标准化协会标准《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS24：90的规定。检验方法应符合现行国家标准《建筑构件耐火试验方法》GB/T9978规定。为了保证结构的安全性，钢管混凝土柱防火涂料涂装前应对其表面进行除锈及防锈处理。
　　4.3钢管混凝土结构体系抗震性能
　　在对采用钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱的框架结构进行了抗震性能的对比试验研究；并从理论上分析比较了两种结构的动力性能，得出了钢管混凝土框架结构的抗震性能明显优于钢筋混凝土框架结构的结论。但目前对钢管混凝土结构抗震性能的研究，主要还是集中在基本构件方面，而对于钢管混凝土整体结构的抗震性能的研究还不多。钢管混凝土结构抗震设计时，对采用钢筋混凝土梁，钢管混凝土柱的框架，其结构抗震等级可按照钢筋混凝土结构的等级划分；对采用钢梁或钢-混凝土组合梁，钢管混凝土柱的框架，可按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011和现行行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99的相关规定采用。
　　4.4钢管混凝土施工
　　钢管混凝土构件常用作各种柱子，构造较为复杂，应根据工程特点，结合制作厂的条件编制制作工艺。制作工艺应包括：制作所依据的标准，制作厂的质量保证体系，成品的质量保证体系和为保证成品达到规定的要求而制定的措施。工艺中还应包括：生产场地的布置，采用的加工、焊接设备和工艺装备及检测设备，焊工和检验人员资质证明，各类检查项目表格，生产进度计划表及运输计划表等。钢管结构和制作单位应在必要时对构造复杂的构件进行工艺试验。主要考虑到复杂构件的加工工艺参数必须从工艺试验中取得，如加工、装配、焊接的变形控制、尺寸精度的控制，通过试验，可以获得合理的工艺参数，用以指导构件的批量生产，保证构件制作质量。这样做可以防止不必要的浪费，杜绝不安全隐患。为了保证正常施工和结构安全，浇灌钢管内的混凝土宜在钢构件安装并验收合格后进行，是考虑到先行浇灌混凝土会使结构调整发生困难，甚至无法调整。
　　钢管混凝土结构在施工中也有一些问题不容忽视。在结构构件的连接构造方面，为了能够充分发挥钢管混凝土的承载力，钢管混凝土的连接应尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上。常采用柱顶盖板、柱脚底板和层间隔板、穿心板等来实现。当然前提条件必须是应保证管内混凝土的密实，做到这一点也是不易的。横隔板和上、下柱的连接是比较繁琐的，尤其是对于小直径管，特别不便于施工。穿心板的制作也很麻烦，而且还会妨碍管内混凝土的浇注和振捣。浇灌混凝土之前应将管内异物、积水清除干净；管内混凝土的浇筑应在钢构件安装完毕并验收合格后进行。钢管内混凝土的浇筑方式宜采用泵送顶升浇灌法、导管输入法、手工逐段浇捣法，也可采用高位抛落免振捣法。钢管内混凝土浇筑前应根据设计要求进行混凝土配合比设计和必要的浇筑工艺试验，并在此基础上制定浇筑工艺和各项技术措施。混凝土的配合比，除应满足强度指标外，尚应注意混凝土坍落度的选择。混凝土配合比应根据混凝土设计等级计算，并通过试验后确定。对于泵送顶升浇灌法，混凝土的配合比尚应满足可泵性要求。钢管内混凝土浇灌工作，宜连续进行，需留施工缝时，应将管口封闭，防止水、油和异物等落入。每次浇灌混凝土前（包括施工缝），应先浇灌一层厚度为100~200mm的与混凝土等级相同的水泥砂浆，以免自由下落的混凝土骨料产生弹跳现象。当混凝土浇灌到钢管顶端时，可以使混凝土稍微溢出后再将留有排气孔的层间横隔板或封顶板紧压在管端，随即进行点焊，待混凝土强度达到设计值的50%以后，再将横隔板或封顶板按设计要求进行补焊，也可将混凝土浇灌到稍低于管口的位置，待混凝土强度达到设计值的50%后再用相同等级的水泥砂浆添至管口，并按上述方法将横隔板或封顶板一次封焊到位。钢管混凝土结构内部混凝土浇灌质量应采用超声波进行检测。混凝土不密实的部位，应采用局部钻孔压浆法进行补强，并将钻孔补焊封固。
　　五、结束语
　　钢管混凝土是一种具有承载力高,塑性和韧性好,节省材料,方便施工等特点的新型组合材料,伴随着科学技术尤其是材料和施工技术的进步，更多的新型建筑材料和高强耐候建筑用钢材品种的出现，钢管混凝土结构会被越来越广泛的利用在工业和民用建筑等工程中,并取得良好的经济技术效果。
　　参考文献:
　　［1］钟善桐.钢管混凝土在高层建筑中的发展.建筑钢结构进展,2000,2(4)
　　［2］龚昌其.钢管混凝土节点形式的探讨.建筑钢结构进展,2000,2(4)
　　［3］CECS28:90钢管混凝士结构设计与施工规程
　　[4]JCJ01-89钢管混凝土结构设计与施工规程
　　[5]DL/T5085-1999钢-混凝土组合结构设计规程
　　[6]DBJ-03XX-2007钢管混凝土结构技术规程