淺析鋼管砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

淺析鋼管砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[摘要]鋼管砼結(jié)構(gòu)是由砼填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)。由于鋼管砼結(jié)構(gòu)能夠更有效地發(fā)揮鋼材和砼兩種材料各自的優(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)。近年來(lái),隨著理論研究的深入和新施工工藝的產(chǎn)生,工程應(yīng)用日益廣泛。

[關(guān)鍵詞]鋼管砼結(jié)構(gòu)應(yīng)用

近幾年來(lái),隨著城市高層建筑的日益發(fā)展,鋼管砼結(jié)構(gòu)逐漸被應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)中,隨著建筑物高度的增加,鋼管高強(qiáng)砼和鋼管超高強(qiáng)砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也將會(huì)得到快速的發(fā)展。

鋼管砼結(jié)構(gòu)是由砼填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)。由于鋼管砼結(jié)構(gòu)能夠更有效地發(fā)揮鋼材和砼兩種材料各自的優(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)。近年來(lái),隨著理論研究的深入和新施工工藝的產(chǎn)生,工程應(yīng)用日益廣泛。鋼管砼結(jié)構(gòu)按照截面形式的不同可以分為矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)、圓鋼管砼結(jié)構(gòu)和多邊形鋼管砼結(jié)構(gòu)等,其中矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)和圓鋼管砼結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣。

一、鋼管砼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

砼的抗壓強(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。而鋼管砼在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起,可使砼處于側(cè)向受壓狀態(tài),其抗壓強(qiáng)度可成倍提高.同時(shí)由于砼的存在,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。鋼管砼結(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:

1.承載力高、延性好,抗震性能優(yōu)越。鋼管砼柱中,鋼管對(duì)其內(nèi)部砼的約束作用使砼處于三向受壓狀態(tài),提高了砼的抗壓強(qiáng)度;鋼管內(nèi)部的砼又可以有效地防止鋼管發(fā)生局部屈曲。研究表明,鋼管砼柱的承載力高于相應(yīng)的鋼管柱承載力和砼柱承載力之和。鋼管和砼之間的相互作用使鋼管內(nèi)部砼的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?構(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。

2.施工方便,工期大大縮短。鋼管砼結(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,施工不受砼養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響;由于鋼管砼內(nèi)部沒(méi)有鋼筋,便于砼的澆注和搗實(shí);鋼管砼結(jié)構(gòu)施工時(shí),不需要模板,既節(jié)省了支模、拆模的材料和人工費(fèi)用,也節(jié)省了時(shí)間。

3.有利于鋼管的抗火和防火。由于鋼管內(nèi)填有砼,能吸收大量的熱能,因此遭受火災(zāi)時(shí)管柱截面溫度場(chǎng)的分布很不均勻,增加了柱子的耐火時(shí)間,減慢鋼柱的升溫速度,并且一旦鋼柱屈服,砼可以承受大部分的軸向荷載,防止結(jié)構(gòu)倒塌。組合梁的耐火能力也會(huì)提高,因?yàn)殇摿旱臏囟葧?huì)從頂部翼緣把熱量傳遞給砼而降低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:達(dá)到一級(jí)耐火3小時(shí)要求和鋼柱相比可節(jié)約防火涂料1/3一2/3甚至更多,隨著鋼管直徑增大,節(jié)約涂料也越多。

4.耐腐蝕性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。鋼管中澆注砼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。鋼管砼構(gòu)件的截面形式對(duì)鋼管砼結(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。圓鋼管砼受壓構(gòu)件借助于圓鋼管對(duì)其內(nèi)部砼有效的約束作用,使鋼管內(nèi)部的砼處于三向受壓狀態(tài),使砼具有更高的抗壓強(qiáng)度。但是圓鋼管砼結(jié)構(gòu)的施工難度大,施工成本較高。相比之下,方鋼管砼結(jié)構(gòu)的施工較為方便,但鋼管砼受到的約束作用較小,結(jié)構(gòu)的承載力較低。

5.施工方面。鋼管砼柱的零件較少,焊縫少,構(gòu)造簡(jiǎn)單,柱腳常采用在棍凝土基礎(chǔ)上預(yù)留杯口的插人式柱腳,因而工廠制造比較簡(jiǎn)單,同時(shí)構(gòu)件自重較小,運(yùn)輸和吊裝也較易,施工很簡(jiǎn)便,而且鋼管餛凝土柱采用板材卷制,板材厚度都不大,一般在40m以內(nèi),無(wú)論工廠焊接和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接,都沒(méi)有什么困難。同時(shí),與鑰筋砼柱相比,鋼管砼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(méi)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。近年來(lái),泵送砼相當(dāng)普遍,現(xiàn)場(chǎng)澆注并無(wú)困難,我國(guó)創(chuàng)造并廣泛使用的高位拋落不振搗砼的施工方法,更簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)澆筑砼的工序,簡(jiǎn)便了施工。也有在管柱下部開(kāi)臨時(shí)澆注孔,用砼泵自下而上灌注砼的方法,既快,又保證澆灌質(zhì)量。而且,在澆筑后,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(jiǎn)化了砼的養(yǎng)護(hù)工藝。

在鋼管構(gòu)件的制作、安裝要求方面:①鋼管砼柱用的鋼管,焊接、制作要求較高。一般應(yīng)優(yōu)先采用螺旋焊管,無(wú)螺旋焊接管時(shí),也可以用滾床自行卷制鋼管,但卷管的方向應(yīng)與鋼板壓延方向垂直且對(duì)管的內(nèi)徑有一定的要求。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(duì)鋼管內(nèi)壁的除銹要求。可能會(huì)增加鋼管的制作周期。②在構(gòu)件制作過(guò)程中,鋼管的對(duì)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(duì)接焊接前,對(duì)于小直徑鋼管應(yīng)采用點(diǎn)焊定位.對(duì)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(duì)接焊過(guò)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(chǎng)拼接時(shí),在管內(nèi)接縫處必須設(shè)置附加襯管。對(duì)于格構(gòu)式柱要求往的肢管和各種腹桿的組裝連接尺寸和角度必須準(zhǔn)確。特別是腹桿與肢管聯(lián)接處的間隙,應(yīng)采用自動(dòng)切管機(jī)按照相接面管的直徑和角度切割成空間相交曲線的管端。

二、鋼管砼結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展方向

1.高強(qiáng)度材料的應(yīng)用。采用高強(qiáng)砼可以減輕結(jié)構(gòu)自重、降低工程造價(jià)。隨著砼強(qiáng)度的提高,其延性下降,這阻礙了它在實(shí)際工程中的應(yīng)用。將高強(qiáng)砼灌入鋼管中形成高強(qiáng)鋼管砼,由于受到鋼管的約束作用,砼處于三向受壓狀態(tài),其延性將大為提高,而其構(gòu)件的承載力也得到了相應(yīng)的提高。因此,高強(qiáng)鋼管砼具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能的研究。節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部位,也是施工的難點(diǎn)。對(duì)于鋼管砼節(jié)點(diǎn),其合理與否直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和整個(gè)工程的造價(jià)。鋼管砼節(jié)點(diǎn)可以分為兩種;鋼管砼柱與鋼筋砼梁的連接節(jié)點(diǎn)和鋼管砼柱與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼管砼節(jié)點(diǎn)靜力性能的研究較多,而對(duì)于節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能的研究報(bào)導(dǎo)還較少。

3.耐火性能的研究。我國(guó)還沒(méi)有制定針對(duì)鋼管砼結(jié)構(gòu)的防火規(guī)定。對(duì)于已經(jīng)建成的鋼管砼結(jié)構(gòu),有的采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)的要求外包砼,有的按照鋼結(jié)構(gòu)的要求涂防火材料,都沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定和科學(xué)的依據(jù)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者就鋼管砼的耐火性能問(wèn)題進(jìn)行了研究,已經(jīng)取得了可喜的成績(jī);應(yīng)盡快編制出適合我國(guó)國(guó)情的鋼管砼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范。

4.鋼管砼結(jié)構(gòu)體系抗震性能的研究。在對(duì)采用鋼管砼柱及鋼筋砼柱的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能的對(duì)比試驗(yàn)研究;并從理論上分析比較了兩種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能,得出了鋼管砼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)論。但目前對(duì)鋼管砼結(jié)構(gòu)抗震性能的研究,主要還是集中在基本構(gòu)件方面,而對(duì)于鋼管砼整體結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究還不多。應(yīng)開(kāi)展這方面充分的研究,以提供合理的抗震設(shè)計(jì)參數(shù),便于工程應(yīng)用。

5.矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)的研究。矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)中,鋼管對(duì)于其內(nèi)部砼的約束作用相對(duì)較弱,但是它具有節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單,便于施工等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者對(duì)矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)已進(jìn)行了大量的研究,制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)程,在工程應(yīng)用上也取得了很大的進(jìn)展。我國(guó)的矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工規(guī)程尚在制定中。與鋼筋砼結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比,鋼管砼結(jié)構(gòu)是一種相對(duì)年輕的結(jié)構(gòu)形式。隨著其理論研究的深入和完善,新型施工工藝的產(chǎn)生和高性能材料的應(yīng)用,鋼管砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。

特別不便于施工。穿心板的制作也很麻煩,而且還會(huì)妨礙管內(nèi)砼的澆注和振搗。一般僅在大直徑鋼管砼中使用。

6.薄壁離心鋼管砼結(jié)構(gòu)。薄壁離心鋼管砼結(jié)構(gòu)是介于鋼筋砼環(huán)形桿和鋼管桿之間的一種新型鋼―砼復(fù)合結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)既可以充分發(fā)揮鋼和砼兩種材料的物理力學(xué)性能,又可避免這兩種材料在各自單獨(dú)實(shí)用條件下的弱點(diǎn),具有良好的共同工作和力學(xué)性能。我國(guó)從1984年起,開(kāi)始該結(jié)構(gòu)研究試驗(yàn),目前關(guān)于該種結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算理論、技術(shù)規(guī)程、制造工藝以及施工及驗(yàn)收規(guī)程均圖#以編制出版,已形成較為完整的體系。

該種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)缺點(diǎn):(1)與鋼筋砼電桿相比,其優(yōu)點(diǎn)為:在使用鋼材相同的情況下,可減小斷面,減輕重量;簡(jiǎn)化制造工藝,不需要鋼模,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率;抗震和抗沖擊能力強(qiáng),運(yùn)輸、安裝破損少,搬運(yùn)及立塔施工方便;可解決砼桿所普遍存在的裂縫問(wèn)題,延長(zhǎng)使用壽命;不需預(yù)