浅谈钢管混凝土结构的特点

钢管混凝土结构是介于钢结构和混凝土结构之间的一种新型结构。它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，弥补了两种材料各自的缺点，且可充分发挥二者的优点，使钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、旋工方便和耐火性能好等诸多优点而得到了较为广泛的应用。

1钢管混凝土结构特点

钢管混凝土结构是近年来发展起来的一种新型结构，相比钢筋混凝土、钢结构有很多力学上和经济上的优点，被广泛运用于高层建筑、工业厂房、拱桥结构中。钢管混凝土结构是指在薄壁钢管内填充普通混凝土，将两种不同性质的材料组合而成的复合结构，结构中一般都不再配钢筋，将钢管结构和钢筋混凝土结构的优点结合在一起而发展起来的新型结构。和钢筋混凝土、钢结构相比较，钢管混凝土结构有以下优点：

(1)结构承载力高。

对于薄壁钢管来说，其抗弯性能强，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；对于混凝土来说，其抗压强度高，但抗弯能力很弱。在钢管中灌入混凝土形成钢管混凝土构件，钢管保护了混凝土，混凝土受到钢管的约束而处于三向受力状态，使得核心混凝土具有更高的抗压强度和变形性能，而混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢管过早出现局部屈曲，从而使钢管混凝土柱具有很高的承载力。

(2)具有良好的塑性和韧性。

单向受压的混凝土常属脆性破坏；钢管混凝土结构中，核心混凝土在钢管的约束下，不但使用阶段工作时弹性性质得到改善，而且被破坏时产生很大的塑性变坏的特征。在反复荷载作用下，P一△滞回曲线表明，钢管混凝土结构的吸能性能特别好，延性好，无刚度退化现象，弯矩和曲率的关系曲线无下降段。

(3)结构耐火性能好。

与钢结构相比，钢管混凝土由于钢管内填灌了混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时柱子截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，耐火极限高于钢结构，为抗火而增加的保护材料比钢柱少。

(4)施工过程便捷。

与钢结构相比，钢管混凝土结构零部件少，焊缝少，而且柱脚构造简单，可直接插入混凝土基础的预留杯口中，不需要复杂的柱脚构造。由于钢管混凝土结构中的钢管较薄，大大减少了现场焊接的工作量和难度。

与钢筋混凝土结构相比，不需要支模、绑扎钢筋和拆模等工艺，同时由于自重轻，大大减轻了运输和吊装工作。

在结构的受压杆件中，采用钢管混凝土代替钢筋混凝土和钢结构，可以节省钢、木、水泥和减轻结构自重，能更好地满足施工的要求。钢管本身就是钢筋，它兼有纵向受力钢筋和横向箍筋的作用，制作钢管远比制作钢筋骨架省工省时，而且便于浇灌混凝土；钢管本身就是耐侧压的模板，因而浇灌混凝土时可省去支模、拆模等工序和模板，并可适应先进的泵灌混凝土工艺；钢管本身又是劲性承重骨架，在施工阶段可起劲性钢骨架作用，其焊接工作量远比一般型钢骨架少，从而可以简化施工安装工艺、节省脚手架、缩短工期、减少施工用地。

(5)经济性能显著。

据有关数据表明，与钢柱相比，钢管混凝土柱可节约钢材50％左右，造价大幅度降低；与钢筋混凝土柱相比可节约混凝土50％，减轻自重50％，且不需要施工模板，而用钢量相等或略多。

2关键技术研究

2．1静力性能研究

钢管混凝土的力学性能研究引起了众多学者的兴趣，对圆形和方形钢管混凝土的轴压，轴拉，抗弯极限承载力和稳定性进行理论推导和实验验证，讨论了混凝土徐变和收缩、钢管焊接等对力学性能的影响，取得了丰硕的理论成果。但是钢管混凝土为组合结构，其中钢管和混凝土两种结构的受力分配原理尚不完善；如受力不均匀，可在组合结构端部设置散体结构，使得组合结构受力均匀。同时温度应力对组合结构的影响也应引起重视，因为钢管和混凝土两种材料对温度应力的敏感度不同，因此在温度应力影响下易在钢管与混凝土之间的接触面产生拉裂缝，破坏其整体刚度，减弱它的承载力。钟善桐在理论分析和实验的基础上，提出了钢管混凝土统一理论HJ，这是一种崭新的设计理论，改变了传统的将钢管和混凝土分离设计的方法。

2．2防火问题

钢管混凝土是一种新型结构，在我国尚未制定有关钢管混凝土结构防火设计方面的规定，不但制约了该类结构的推广应用，而且对已建成结构的耐火极限也缺乏必要的科学依据。在已建成的结构中，有的按照钢筋混凝土结构的要求外包以混凝土，有的则按钢结构的要求涂以防火涂料。这样虽然保证了防火要求和结构的安全性，但大都偏于保守而造成浪费，且缺乏科学性和统一性。因此，在理论研究和工程实践的基础上，应尽快编制出适合我国国情的钢管混凝土结构防火规范。

近十年，钢管混凝土被应用于叠合柱。随着对钢管混凝土理论研究的深人和工程应用的日益广泛，提高钢管混凝土的抗火性能和核心高强混凝土的脆性等问题成为迫切需要解决的问题。目前，解决这一问题主要有两种方法：其一是通过在钢管内填充配筋混凝土或钢纤维混凝土来解决钢管混凝土的脆性问题，通过在钢管外表面喷涂防火涂料来解决钢管混凝土的防火问题；其二是采用叠合柱。叠合柱是将钢管混凝土布置在柱的核心，外面再包围灌浇一圈钢筋混凝土所形成的钢管、管内素混凝土和管外钢筋混凝土三种材料组合的组合柱。叠合柱由于外包混凝土，所以其防火、耐腐性较好，同时，因总轴力的相当大部分由核心内钢管混凝土承担，外围混凝土分担(按竖向刚度比分配)的轴压力小，因此轴压比也较小，具有良好的延性。

2．3节点形式设计

钢管混凝土结构的梁柱节点一直是工程应用和研究的关注点。目前的设计规程中虽然也给出了一些节点连接形式，如加强环式节点、连接双梁式节点、梁端局部加宽式节点、环梁式节点、半穿心式节点等。但节点形式偏少，同时也缺乏较充分的试验依据，对于节点的定量研究和分析尚不是很充分。因钢管混凝土结构外体为钢管，管内不再配筋，其梁柱节点宜按照《钢结构设计规范》(GB50017—2003)中的相关规定进行设计；另外，节点的动力性能是结构设计中的关键，也是施工的难点；这方面的研究在桥梁工程中显得尤为重要。

2．4动力性能研究

近几十年来，国内外对钢管混凝土构件在静力作用下的力学性能进行了大量的试验研究和理论分析，取得了丰富的成果，我国还建立了基于统一理论的钢管混凝土轴压构件、弯曲构件、压弯构件等的设计方法和计算公式。但目前国内外对钢管混凝土的动力性能研究基本上只限于试验研究，尚没有提供可供规范使用的计算理论和设计公式；而且对钢管混凝土结构徐变和疲劳性能的研究相对较少，主要以试验研究为主，由于尚缺乏合理的设计方法，在一定程度上制约了钢管混凝土在高层建筑和铁路桥梁等工程中的应用。

3结论

由于钢管混凝土结构相对于其他结构具有承载力高、塑性和韧性好、耐火性好、施工过程便捷等显著优点，因此广泛应用于高层建筑、工业建筑和桥梁结构等工程中，取得了显著的经济效益、环境效益和社会效益。然而钢管混凝土结构的理论研究并不完善，施工中也存在不少问题。

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