钢管混凝土结构的发展及应用__墨水学术,论文发表,发表论文,职称

所属栏目：冶金论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:207

副标题#e#摘要：介绍了实心钢管混凝土和中空夹层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研究方向。
　　关键词：实心钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、应用
　　
　　钢管混凝土是在钢管内填充混凝土而形成的构件，是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的，最早采用钢管混凝土的工程之一是1879年的severn铁路桥桥墩，在钢管内填充混凝土以防止锈蚀并承受压力。在60年代以后，对钢管混凝土力学性能的研究不断地深入，并且80年代后期，由于泵送混凝土工艺的发展，钢管混凝土结构在施工性能方面的优势得到充分的发挥。因此由于其具有承载能力高、塑性和韧性好、耐火性能好以及施工方便等一系列的优点，到目前为止已被广泛应用于国内外的拱桥、地铁、高层建筑和工业厂房等结构中，并取得了良好的经济效应和建筑效果。如我省2001年建成通车的三门健跳大桥即为中承式钢管混凝土拱桥。
　　我国对于在钢管中灌素混凝土的内填型钢管混凝土结构的研究相对比较成熟。自1990年以来，已由国家建材总局、中国工程建设标准化协会、国家经贸委和中国人民解放军后勤部分别制定了有关钢管混凝土结构设计与施工规程。由于具备了上述设计依据，这类结构必将在我国得到更大规模的应用和推广。
　　对于实心钢管混凝土的研究，国内有学者提出钢管混凝土统一理论，即将钢和混凝土视为一种组合材料来研究其综合力学性能。
　　钢管混凝土统一理论有如下基本假设：
　　1.    钢管混凝土可视为一种组合材料。可以由构件的工作曲线来研究其组合力学性能指标，由整个构件的形常数来计算其承载力。
　　2.    钢管混凝土构件在不同荷载组合作用下的性能变化是连续、统一的。
　　3.    钢管混凝土构件的性能随几何参数如长细比、含钢率等的变化是连续、统一的。
　　4.    钢管混凝土构件的性能变化随其截面形状如圆形、多边形、方形的改变是连续、统一的。
　　根据这些架设，统一理论研究的基本思路是：首先分别确定钢材和核心混凝土的应力－应变关系模型，再将应力－应变关系模型编入数值计算的程序当中，利用数值分析方法计算出构件受轴压（拉）、纯弯、纯扭或纯剪的荷载－变形关系曲线，进而由荷载－变形关系曲线导出钢管混凝土各项综合力学性能指标（如轴压模量及强度指标，抗弯刚度及抗弯模量等）。由于计算时采用的核心混凝土的应力－应变关系模型中考虑了钢材对混凝土的约束作用，所以在综合荷载－变形关系中也就包含了这种作用效应，因而在各项综合力学性能指标中也包含了这种效应，比较符合实际应用。
　　实心钢管混凝土在我国主要运用于以下几个领域：（1）高层建筑：由于钢管混凝土柱的承载力高，抗震性能好，可以解决高层建筑结构中普通钢筋混凝土结构底部的“胖柱”问题和高强钢筋混凝土结构中柱的脆性破坏问题，而且可以节省钢材用量。（2）大跨度拱桥：钢管混凝土由于管壁内填满混凝土，提高了钢管壁受压的稳定性，而钢管内的混凝土受钢管的约束，提高了混凝土的抗压强度和延性。且施工时，钢管本身就是模板，结构轻巧，施工简单。（3）地铁车站：地铁车站是我国最早采用钢管混凝土结构的工程项目。采用钢管混凝土柱主要是利用其承载力高的特点，以减小柱子的截面尺寸，有效地利用空间。（4）厂房的柱：这是由于钢管混凝土组合柱把偏心弯矩转变为轴心力，结构轻巧，节约钢材，施工简便，同时刚度好。
　　一般应用中，实心钢管混凝土通常是被用作轴心受压构件或荷载偏心率较小的压弯构件。当钢管混凝土构件的长细比或荷载偏心率较大时，其承载力将由其抗弯刚度控制，截面靠近形心部位的材料并不能提供多少抗弯#p#副标题#e#刚度，构件截面的强度承载能力就不能得到很好地发挥。
　　因此从老式的钢筋混凝土的电线杆可以得到启示，将钢管混凝土构件靠近形心部位的材料去掉，制成空心钢管混凝土构件。80年代中期我国就开始了空心钢管混凝土的研究，但是那时的空心钢管混凝土是在空钢管中放入一定量的混凝土，在旋转机上高速旋转而成，这种结构现场施工不便，而且由于核心混凝土的减少，抗压强度也随之减少。
　　到了90年代初，国外的一些学者开始研究一种新型的钢管混凝土——中空夹层钢管混凝土（ConcreteFilledDoubleSkinSteelTubes），简写为CFDST，即在两个同心放置的钢管之间灌注混凝土而成的构件，这种构件既保持了钢管混凝土基本优点，又具有截面开展、自重轻的特点。
　　和实心钢管混凝土上百年的研究历史相比，针对中空夹层钢管混凝土的研究仅有十余年，基本上还处于起步的阶段。自上个世纪九十年代以来，美、日、澳大利亚和我国台湾的部分学者先后开展了一些有关其力学性能的研究工作，但这些工作基本上以试验研究为主，尚未见深入、系统的理论研究。目前对中空夹层钢管混凝土的研究还主要集中在短柱的轴压性能和压弯构件的滞回性能研究方面。下面列举部分国内外有关中空夹层钢管混凝土的研究：
　　1.    1995年，SWEI,STMAU,CVIPULANANDAN,SKMANTRALA在《JournalofStructuralEngineering》（结构工程杂志）刊登了圆中空夹层混凝土轴压短试件在一次加载和循环加载作用下的力学性能研究。一次轴压加载的试验结果表明：试验时构件的轴压极限承载力比钢管和混凝土二者叠加的承载力要高出10～30％，同时在承载力峰值点处的应变值达到了1％，大于钢管或混凝土单独加载时各自峰值点处的应变值。试验结果还表明，钢管和混凝土之间的相互作用使得钢管的局部屈曲大大延迟，在钢管发生局部屈曲后，由于混凝土的存在使得钢管的屈曲发展较慢，这种情况一直保持到混凝土被压碎。循环加载试验结果表明：循环加载对构件荷载－变形关系的影响和一次加载情况比相差不大。
　　2.    蔡克铨，林敏郎2001年发表的《双钢管填充混凝土中空桥柱耐震行为（一）》一文中的试验结果表明：中空夹层钢管混凝土柱的峰值应变约为无约束混凝土的1.6～2.3倍，表明混凝土受到了良好的约束。而中空夹层混凝土柱的综合弹性模量为实心钢管混凝土柱的1.5倍以上，表明中空夹层钢管混凝土有着良好的轴向刚度。另外中空夹层钢管混凝土的抗弯能力也高于实心钢管混凝土。
　　3.    在2002年YAGISHITA,HKITOH,MSUGIMOTO,TTANIHIRA,KSONODA发表的《DoubleSkinCompositeTubularColumnsSubjectedtoCyclicHorizontalForceandConstantAxialForce[C]》一文中，他们对圆中空夹层钢管混凝土压弯构件的滞回性能进行了试验研究，按1：10的比例以一个实桥的桥墩为原始模型，制作了4个中空夹层钢管混凝土试件和2个实心钢管混凝土对比试件。试验结果表明：中空夹层钢管混凝土试件的截面中空并未影响其变形能力，其极限承载力比相同外管的实心钢管混凝土试件高。
　　日本在上个世纪90年代曾将中空夹层钢管混凝土应用于高架桥的桥墩，取得了较好的效果。以前在跨越深谷的铁路桥或公路桥的高桥墩设计上，通常采用钢筋混凝土薄壁墩，其截面较大，施工时需要采用滑模、爬模和翻模等方法，且结构的抗震能力差。如果采用实心钢管混凝土，由于桥墩比较细长，桥墩的承载力由刚度控制，构件的强度承载力就不能得到充分发挥。此时采用中空夹层钢管混凝土就比较合适，不仅可以克服以上缺点，且可以简化施工、节省工期，达到良好的经济效应。
　　和高桥墩类似，中空夹层钢管混凝土还可以被用作海洋平台结构的支架柱。此外，当高耸结构和高层结#p#副标题#e#构在承受较大风荷载和水平地震荷载时，要求其竖向构件有加大的抗弯刚度和抗震能力时，也可采用中空夹层钢管混凝土构件。
　　当然由于到目前为止有关中空夹层钢管混凝土的研究只有十几年的历史，对其的研究还很不充分，因而在实际工程中的应用还不多见。
　　
　　参考文献：
　　［1］钟善桐．钢管混凝土结构[M]．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社．1994．
　　［2］韩林海．钢管混凝土结构[M]．北京：科学出版社．2000．
　　［3］蔡克铨，林敏郎。双钢管填充混凝土中空桥柱耐震行为（一）[C]．财团法人中兴工程顾问社专案研究计划期中报告．台北．2001．
　　［4］韩林海，陶忠，黄宏．中空夹层钢管混凝土构件力学性能的研究[R]．福州大学科研报告．2002．