原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所星交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究 所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集 體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均 已在文中以明確方式標(biāo)明本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽啤日期： 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留或向 國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱：本人 授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可 以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽 導(dǎo)師簽名： 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 近幾年來，隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)逐漸被廣泛應(yīng)用于高層建筑中，其所表 現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)揮的作用越來越受重視。作為一種新型的鋼一混凝土組合結(jié) 構(gòu)，其施工工藝有待進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，使其更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。本論文針對 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑應(yīng)用中的施工技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢等方面進(jìn)行了研 究，主要進(jìn)行了以下幾方面的工作： 1 對鋼管混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)歸納 2 論述了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論。 3 配合比、火災(zāi)作用下的力學(xué)性能、徐變理論進(jìn)行了初步的探討研究。 4 鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、施工工藝及其工藝流程研究 5 列舉幾個較有代表性的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，著重對在工程中 分別采用鋼筋混凝土和鋼管混凝土兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并對其計(jì)算 結(jié)果和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行了分析對比 6 綜合各方面的情況，對鋼管混凝在高層建筑工程中的應(yīng)用前景和 發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究和探討 本論文對于鋼管混凝土在高層建筑中的應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)分析以及施工工藝的 探討都還只是初步的，今后還應(yīng)作更迸一步的深入研究，為鋼管混凝土在高 層建筑中的應(yīng)用提供更有價(jià)值的參考依據(jù)。 關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；鋼筋混凝土；耐火性；高層建筑；經(jīng)濟(jì)分析；鋼 管混凝土節(jié)點(diǎn) 些查丕堂堡主堂垡絲苧 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fs t e e lp i p ec o n c r e t ep i l i a rh a sm o r et h a no n e h u n d r e dy e a r s ，w h o s es t u d yt h e o r yi sa p p r o a c h i n gc o n s u m m a t e ，t h i sp a p e r b r i e f l yr e v i e w st h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fs t e e lp i p ec o n c r e t e p i l l a r ， a n di n t r o d u c e st h ec o m p a r a t i v e l ym a t u r et h e o r y u n i t et h e o r y o fs t e e lp i p ea n dc o n c r e t e b ym e a n so fa c t u a lp r o j e c t ，t h i sp a p e r r e f e r st h en e c e s s i t yo fa p p l i c a t i o no fs t e e lp i p ec o n c r e t ep i l l a ra n d t h es t r u c t u r a ls t y l ei nh i g h r i s ea r c h i t e c t u r e t h i sp a p e rp r e s e n t s t h ef o r m a t i o n ，w o r k i n gm e c h a n i s m ，m e r i ta n dd e m e r i to fs e v e r a lc o m m o n c o n n e c t i o nd e t a i l so fc o n c r e t e f i l l e dc i r c u l a rs t e e lt u b ec o l u m na n d s t e e lb e a m t h ec o n n e c t i o n sc a nb ec a t e g o r i z e da st h r o u g hc o l u m na n d t h r o u g h - - b e a mt y p e sw i t hd i f f e r e n td e s i g nc o n c e p t s t h ep a p e ra l s o i n t r o d u c e san e wt y p eo fc o n n e c t i o nf o rc o n c r e t ef i l l e dc i r c u l a rs t e e l t u b ec o l u m na n ds t e e lb e a m ，u s i n gb o l t e de n dp l a t e s t h e c h a r a c t e r s r e s e a r c hs i t u a t i o na n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b e sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h er e s e a r c h d i r e c t i o no fc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e si sd i s c u s s e d i n t r o d u c t i o n t oc o n n e c t i o n sf o rc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e s k e yw o r d s ：c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e s ； f i r er e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e ； h i g h - r i s ea r c h i t e c t u r e ：e c o n o m ya n a l y s e s ：t h en o d eo fc o n c r e t e f i l l e d s t e e lt u b e s 4 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章鋼管混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展概況綜述 1 1 鋼管混凝土的概念 鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件，按截面形式的不同， 可以分為圓鋼管混凝土，方形、矩形和多邊形截面鋼管混凝土等，其中圓形 截面和矩形截面鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛鋼管混凝土利用鋼管和混凝 土兩種材料在受力過程中的相互作用，即鋼管對其核心混凝土的約束作用， 使混凝土處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)之下，不但提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，而且還 使其塑性和韌性性能得到改普?；炷了苄?、韌性的改善使本屬于脆性的材 料轉(zhuǎn)交為塑性材料，而且避免和延緩鋼管過早地發(fā)生局部屈曲，從而提高了 結(jié)構(gòu)的可靠度、強(qiáng)度，又節(jié)省了材料，降低了造價(jià)通過鋼管和混凝土組合 而成為鋼管混凝土，不僅可以彌補(bǔ)兩種材料各自的缺點(diǎn)，而且還能充分發(fā)揮 二者的優(yōu)點(diǎn)。 近2 0 年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)逐漸被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)尤其是在高層建筑結(jié) 構(gòu)中，隨著建筑物高度的增加，鋼管高強(qiáng)混凝土和鋼管超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的 應(yīng)用也將會得到快速的發(fā)展。一般的，我們把混凝土強(qiáng)度等級在c 5 0 以下的 鋼管混凝土稱為普通鋼管混凝土；混凝土強(qiáng)度等級在c 5 0 以上的鋼管混凝土 稱為鋼管高強(qiáng)混凝土；混凝土強(qiáng)度等級在c 1 0 0 以上的鋼管混凝土稱為鋼管超 高強(qiáng)混凝土。隨著經(jīng)濟(jì)全球化及我國加入世界貿(mào)易組織( w t o ) ，勢必吸引越 來越多的人涌向城市，面城市人口的增加必然造成城市用地的緊張。這樣一 來，高層建筑的不斷增加將是一個必然的趨勢。 鋼管混凝土是在勁性鋼筋混凝土及螺旋配筋混凝土基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起 來的。最早應(yīng)用鋼管混凝土的工程之一是1 8 7 9 年英國的s e v e r n 鐵路橋橋墩， 目的是防止銹蝕并承受壓力，之后，鋼管混凝土又做為單層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu) 柱。1 8 9 7 年美國人j o h nl a l l y 在圓形鋼管中填充混凝土作為房屋建筑的承重 柱( 稱為l a l l y 柱) 并獲得專利。前蘇聯(lián)在五六十年代對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn) 行了大量研究，并在一些土建工程，如工業(yè)廠房和拱橋結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了應(yīng)用。 電力建設(shè)部1 9 5 1 年出版了勁性鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范，1 9 7 8 年又出版了 勁 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南。英國、美國和德國等，主要研究圓形和矩形鋼 管混凝土結(jié)構(gòu)，核心混凝土為素混凝土或在核心混凝土中配置鋼筋或型鋼。 1 9 4 4 年美國頒發(fā)的公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范，1 9 4 6 年頒發(fā)的房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 制造和安裝規(guī)范均納人了組合梁設(shè)計(jì)部分1 9 7 9 年美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會( a i s c ) 頒布了 鋼與混凝土組合柱設(shè)計(jì)規(guī)范。在英國的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范c p l l 0 ，c p l l 7 ， b s 5 4 0 0 ，b s 4 4 9 和橋梁法規(guī)8 1 1 6 5 等中都納入了組合柱、梁的設(shè)計(jì)部分歐 洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會( e c c s ) 1 9 8 1 年出版了 組合結(jié)構(gòu)規(guī)程及其說明，1 9 8 5 年歐 洲經(jīng)濟(jì)共同體( e e c ) 建筑與土木工程部制定了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范鋼與混凝土 組合結(jié)構(gòu)。德國1 9 4 5 年制定了橋梁組合梁標(biāo)準(zhǔn)( d i n l 0 7 8 ) ，1 9 5 6 年制定 房屋建筑組合梁標(biāo)準(zhǔn)) ( d i n 4 2 3 9 ) 。日本建筑學(xué)會1 9 5 8 年頒發(fā)了型鋼混 凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，到1 9 8 7 年已修訂過三次。近些年來，美國、澳大利亞 和日本等國的學(xué)者，開始研究在鋼管中填充高強(qiáng)混凝土形成的鋼管高強(qiáng)混凝 土構(gòu)件的工作性能，并在這些工程結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用。例如1 9 8 8 1 9 8 9 年在西 雅圖建成的5 8 層的t w o u n i o ns q u a r e 大廈和q a c i f r ef i r s t c e n t e r 大廈；澳 大利亞墨爾本1 9 9 1 年建成的c a s s e l d e np l a c e p r o j e c t 和悉尼的m a r k e tc i t y p r o j e c t 等。目前主要設(shè)計(jì)規(guī)程還有e c 4 ( 1 9 9 6 ) 德國d i n l 8 8 0 0 9 ( 1 9 9 7 ) 美 國：j c l 3 1 9 8 9 和l r f d ( 1 9 9 4 ) 和日本的a i j ( 1 9 8 0 ，1 9 9 7 ) 等 我國最早開展對鋼管混凝土基本理論研究的是中國科學(xué)院哈爾濱土木建 筑研究所。此后，國內(nèi)的哈爾濱建筑大學(xué)、中國科學(xué)研究院、蘇州混凝土與 水泥制品研究院、北京地下鐵道工程局及電力工業(yè)部電力研究所等單位都先 后對基本構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和施工技術(shù)等開展了比較系統(tǒng)的研究， 取得了可喜的成果。這些成果已在圓形鋼管混凝土柱的研究中領(lǐng)先于國際水 平，并大致形成三個理論體系，集中反映在蔣家奮和湯關(guān)柞編寫的三向應(yīng) 力混凝土、蔡紹懷編著的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算與應(yīng)用和鐘善桐編著的 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)這三本書中。1 9 8 6 年中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會組建了鋼一混凝土 組合結(jié)構(gòu)協(xié)會，并且每兩年組織一次年會，年會學(xué)術(shù)交流活躍，研究內(nèi)容深 入目前國內(nèi)關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，但一些行業(yè)制定了 相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程，主要有以下三種：國家建材總局編制的鋼管混凝土設(shè)計(jì)與 旅工規(guī)程) ) j c j o i 一8 9 ( 1 9 8 9 ) ，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會編制的 4 】中，認(rèn)為外包型和內(nèi)填外包型應(yīng)歸于 勁性鋼筋混凝土( s r c ) 一類。其所定義的鋼管混凝土是指內(nèi)填素混凝土，不 再配置鋼筋。包括圓形、矩形和方形及多邊形管。 而建研院蔡紹懷所著現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu) 5 指出，所謂“鋼管混凝 土”是指“鋼管套箍混凝土”( s t e e lt u b e - - c o n f i n e dc o n c r e t e ) 的簡稱。 英文縮寫為s t c c 它是將混凝土填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材 料而方鋼管對核心混凝土并無多大套箍約束作用，不屬于套箍混凝土之列。 1 3 鋼管混凝土的特點(diǎn)： 1 承載力高 由于薄壁鋼管臨界承載力極不穩(wěn)定，在鋼管中填充混凝土形成鋼管混凝 土后，鋼管約束了混凝土，在軸心受壓荷載作用下，混凝土三向受壓，從而 使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和變形性能，延緩了受壓時的縱向開裂； 同時，鋼管的套箍作用大大提高了混凝土的力學(xué)性能，使混凝土特別是高性 能混凝土的脆性弱點(diǎn)得到了克服。另一方面，混凝土填于鋼管之內(nèi)，增強(qiáng)了 鋼管管壁的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性也有了極大的提高而混凝土的存在卻可以避 免或延緩薄壁鋼管過早地發(fā)生局部屈曲，兩種材料相互彌補(bǔ)了彼此的弱點(diǎn)， 卻可以充分發(fā)揮彼此的長處，從而使鋼管混凝土具有很高的承載力，大大高 于組成鋼管混凝土的鋼管和核心混凝土單獨(dú)承載力之和。試驗(yàn)表明，鋼管混 凝土柱是空鋼管和素混凝土柱單獨(dú)承載力之和的1 7 3 倍 2 塑性和韌性好 混凝土脆性較大，對于高強(qiáng)度混凝土更是如此，其工作的可靠性因此而 大為降低。如果將混凝土灌入鋼管中形成鋼管混凝土，核心混凝土在鋼管的 約束下，不但在使用階段改善了它的彈性性質(zhì)，而且在破壞時具有很大的塑 性變形。試驗(yàn)表明，鋼管混凝土柱被破壞時可以壓縮到原長的2 3 ，完全沒 有脆性破壞的特征。處于鋼管中的混凝土已經(jīng)由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐模?使整個構(gòu)件呈現(xiàn)出彈性工作塑性破壞的特征。此外，這種結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷 載和振動荷載時，也具有很好的韌性。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 施工方面 鋼管混凝土在本質(zhì)上屬于套箍混凝土，鋼管本身就是耐側(cè)壓的模板，在 澆灌混凝土?xí)r，可省去模板的施工，采用鋼管混凝土無需綁扎鋼筋、支模和 拆模等工序，施工簡便，并可大幅度采用泵送混凝土、高位拋落不振搗混凝 土和免振自密實(shí)混凝土等施工工藝，從而大大加速鋼管混凝土構(gòu)件的施工進(jìn) 度。同時鋼管本身又兼有縱向鋼筋和橫向箍筋的作用，制作鋼管遠(yuǎn)比制作鋼 筋骨架省工，而且便于澆灌混凝土；另外鋼管本身又是勁性承重骨架，在旌 工階段可起勁性鋼骨架的作用，其焊接工作量遠(yuǎn)比一般型鋼骨架少。另外， 空鋼管構(gòu)件的自重小，可以大大減少運(yùn)輸和吊裝等費(fèi)用。 4 耐火、耐腐蝕性能好 由于組成鋼管混凝土的鋼管和其核心混凝土之間具有相互貢獻(xiàn)、協(xié)同互 補(bǔ)、共同工作的特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)具有較好的耐火性能。此外，鋼管中澆筑混 凝土使鋼管的外露面積減小，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 5 經(jīng)濟(jì)效果好 大量工程實(shí)踐表明；采用鋼管混凝土的承壓構(gòu)件比普通鋼筋混凝土承壓 構(gòu)件約節(jié)約混凝土5 0 ，構(gòu)件的橫截面積可減少一半，從而使建筑空間得到 加大，減輕結(jié)構(gòu)5 0 左右，鋼材用量略高約略相等；和鋼結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)約 鋼材5 0 左右，并節(jié)省大量的焊接工作。另外，鋼管混凝土本身的施工特點(diǎn) 符合現(xiàn)代施工技術(shù)工業(yè)化的要求，可大量節(jié)約人工費(fèi)用，降低工程造價(jià)。 1 4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用概況 早在1 9 世紀(jì)8 0 年代，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就已經(jīng)出現(xiàn)。1 8 7 9 年英國賽文 ( s e v e r n ) 鐵路橋的建造中采用了鋼管橋墩，在鋼管中灌了混凝土以防止內(nèi) 部銹蝕并承受壓力前蘇聯(lián)烏拉爾的伊謝特鐵路橋采用鋼管混凝土構(gòu)件做拱 形桁架的上弦和上部建筑的柱子，省鋼2 5 1 9 6 1 年比利時建造船塢時，采 用鋼管混凝土構(gòu)件做桁架的壓桿和立柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材4 0 。法國巴黎居 l o 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 民區(qū)的第一座摩天大樓采用了鋼管混凝土框架柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材4 0 。前 蘇聯(lián)在一些吊車棧橋( 跨度達(dá)4 8 m ) 中采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，比全鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省 鋼材1 2 一2 8 ，降低造價(jià)2 8 ，比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)省鋼9 ，降低造價(jià)5 6 日本、瑞士等國在輸電跨越塔中采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，也都取得了顯著的 經(jīng)濟(jì)效益。 在2 0 世紀(jì)6 0 年代以前，由于鋼管內(nèi)澆注混凝土的施工工藝尚未得到很 好的解決，現(xiàn)場的施工操作顯得繁瑣，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工性能方面的優(yōu) 勢沒有得到應(yīng)有的發(fā)揮到8 0 年代后期，由于泵送混凝土工藝的發(fā)展，解決 了現(xiàn)場鋼管內(nèi)部澆灌混凝土的工藝問題，加上現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土需要用鋼管約 束來克服其脆性。因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在美國和澳大利亞等國的高層建筑 中得到了廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是高層建造技術(shù)的一次重大突破。 我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用已有近4 0 年的歷史1 9 6 6 年鋼管 混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于北京地鐵車站工程，7 0 年代又在單層工業(yè)廠房、重型構(gòu)架 中得到了成功的應(yīng)用。近1 0 年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，鋼管混凝土結(jié) 構(gòu)在我國的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成 效地應(yīng)用，推動了建造技術(shù)的發(fā)展。在我國，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于以 下的領(lǐng)域中。 1 4 1 高層建筑工程 在高層建筑結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土柱具有很大的優(yōu)勢：具有承載力高，抗 震性能好的特點(diǎn)，既可以取代鋼筋混凝土柱，解決高層建筑結(jié)構(gòu)中普通鋼筋 混凝土結(jié)構(gòu)底部的“胖柱”問題和高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中柱的脆性破壞問 題；也可以取代鋼結(jié)構(gòu)體系中的鋼柱，以減少鋼材用量，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移 剛度銅管混凝士構(gòu)件的自重較輕，可以減小基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)，降低基礎(chǔ)的造價(jià)。 全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”進(jìn)行施 工，從而加快施工進(jìn)度；鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小，取材容易、價(jià)格低。 其耐腐蝕和防火性能也優(yōu)于鋼柱。鋼管混凝土柱不易倒塌，即使損壞，修復(fù) 和加固也比較容易 1 4 2 大跨度橋梁工程 隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，需要建造能夠跨越江河、海灣和山谷的，安全、 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 經(jīng)濟(jì)且輕盈美觀的大跨度橋梁在我國，鋼管混凝土已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于拱 橋結(jié)構(gòu)中，也開始應(yīng)用于斜拉橋結(jié)構(gòu)中。 在拱橋結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土構(gòu)件主要用來承受軸向壓力。拱橋的跨度很 大時，拱肋將承受很大的軸向壓力，采用鋼管混凝構(gòu)件是非常合理的。另 外，鋼管可以作為橋梁安裝架設(shè)階段的勁性骨架和灌注混凝土的模板。因此， 鋼管混凝土被認(rèn)為是建造大跨度拱橋的一種比較理想的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。自 1 9 9 0 年在四川省旺蒼縣建成跨度為1 1 5 米的我國第一座鋼管混凝土拱橋以 來，在1 0 來年的時間里，我國已經(jīng)建成了1 0 0 多座鋼管混凝土拱橋，其中跨 度在1 0 0 米以上的就有3 0 多座，尤其是重慶市萬縣長江公路大橋，跨度達(dá)到 4 2 0 米，一跨過江。經(jīng)過多年的實(shí)踐，我國在鋼管混凝土拱橋建設(shè)上已經(jīng)積累 了豐富的經(jīng)驗(yàn)，形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術(shù) 近年來，在斜拉橋和梁式橋中也開始采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，同樣取得了 良好的經(jīng)濟(jì)效益。例如，廣東南海市紫洞大橋、湖北秭歸縣向家壩大橋和四 川萬縣萬洲大橋都采用了鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)，減輕了結(jié)構(gòu)恒 載，提了結(jié)構(gòu)承載力利用系數(shù)，同時采用與之相適應(yīng)的、合理的施工工藝， 簡化了施工程序，減少了施工設(shè)備，加快了施工進(jìn)度，降低了工程造價(jià)在 對廣東南海市紫洞大橋主橋進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，主橋采用鋼管混凝土空間 桁架組合梁式結(jié)構(gòu)與采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)方案相比較，可以節(jié)省混 凝土4 4 ，節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材6 2 ，增加普通鋼材2 3 。加上施工設(shè)備、臨時 設(shè)施和施工工期等方面的因素，主橋的經(jīng)濟(jì)效益就更為可觀。鋼管混凝土空 間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)適用于多種橋塑，如系桿拱橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑斜拉橋結(jié) 構(gòu)、特大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)等，推廣其應(yīng)用必將帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效 益。 1 4 3 地鐵車站工程 地鐵車站是我國最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程項(xiàng)目早期的地鐵車站 是深埋地下的多跨結(jié)構(gòu)，用明挖法施工；采用鋼管混凝土柱主要是利用其承 載力高的特點(diǎn)，以減小柱子的截面尺寸，有效地利用空間近年來，在城市 中心地區(qū)修建的地鐵車站多為淺埋式的、具有綜合功能的多層地下建筑。采 用蓋挖逆作法施工，以盡量減少對城市正常生活的干擾以及對地面交通和鄰 近建筑的影響。蓋挖逆作法，是先施工地下結(jié)構(gòu)的頂蓋，在頂蓋的保護(hù)下進(jìn) 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 行開挖，按照從頂?shù)降椎捻樞蜻M(jìn)行施工為此，必須在土方開挖前設(shè)置好頂 蓋的中間支撐柱，鋼管混凝土柱將施工階段的臨時柱和結(jié)構(gòu)的永久柱合二為 一，因此是最好的選擇9 0 年代以來，北京地鐵的復(fù)八線工程中，采用蓋挖 逆作法建成了“天安門東站”、“大北窯站”和“永安里站”；在建中的南 京地鐵的“三山街站”也是采用的蓋挖逆作法進(jìn)行施工 1 4 4 單層和多層工業(yè)廠房柱 單層工業(yè)廠房的柱屬于偏心受壓構(gòu)件，為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的 特點(diǎn)，很多工程中的柱子設(shè)計(jì)成格構(gòu)式組合柱，如雙肢柱、三肢柱和四肢柱， 把偏心彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S心力。如1 9 7 2 年建成的本溪鋼鐵公司二煉鋼軋輥鋼錠模 車間采用了四肢柱；1 9 8 0 年建成的太原鋼鐵公司第一軋鋼廠第二小型廠的下 柱采用雙肢柱；1 9 8 2 年建成的吉林種籽處理車間采用了三肢柱；1 9 8 0 年建成 的武昌造船廠船體結(jié)構(gòu)車間采用了四肢柱。與鋼筋混凝土柱和普通鋼柱相比， 鋼管混凝土組合柱顯得特別輕巧，節(jié)約鋼材，施工簡便，同時剛度好。單層 工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱時，鋼管中混凝土的澆注可以在全部主體結(jié)構(gòu) 安裝完成后進(jìn)行，所以大大縮短了工期。如1 9 9 2 年建成的哈爾濱建成機(jī)械廠 大容器車間，從破土動工到竣工只用了1 5 5 個月；同年該廠又建成了容罐式 汽車車間，主體結(jié)構(gòu)的施工僅用了半年時間。 8 0 年代初，我國開始在多層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱。多層工業(yè)廠 房柱基本為偏心受壓單管柱；如1 9 8 4 年建成的上海特種基礎(chǔ)科研所的科研樓， 1 9 8 5 年建成的柳州水泥廠窯尾加熱車間。 1 5 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 2 0 世紀(jì)6 0 年代之前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究對象主要是圓鋼管混凝土結(jié) 構(gòu)。從6 0 年代后半期以后，開始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。目前， 圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果在我國，鋼管混凝土結(jié)構(gòu) 的研究主要集中在圓鋼管中填充索混凝土的內(nèi)填型圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，最早 開展研究工作的是原中國科學(xué)院哈爾濱土建研究所。1 9 6 8 年以后，中國建筑 科學(xué)研究院、冶金部冶金建筑科學(xué)研究院等單位也先后對鋼管混凝土基本構(gòu) 件的工作性能、設(shè)計(jì)方法、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和施工技術(shù)等方面展開了系統(tǒng)的研究。 進(jìn)入8 0 年代后，研究工作進(jìn)一步深入，通過大量的試驗(yàn)研究和理論分析，對 構(gòu)件的承載力和變形性能及其影響因素進(jìn)行了全面的研究，得到了實(shí)用的設(shè) 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 計(jì)計(jì)算公式。與此同時，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)也在迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出 很多新的施工工藝和施工方法，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢得到了更加充分的發(fā) 揮近十幾年來，我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用都取得了令人 矚日的成就。目前已經(jīng)先后有國家建材局、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會、國 家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會和解放軍總后勤都頒布發(fā)行了有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 規(guī)程為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使鋼管混凝土結(jié) 構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種大型建筑工程和交通運(yùn)輸工程中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 在近十年的時間里得到了飛速的發(fā)展 我國對于矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究工作開展得較晚，1 9 8 5 年鄭州工學(xué) 院開始進(jìn)行方鋼管混凝土軸壓短柱的研究，其后同濟(jì)大學(xué)等單位也進(jìn)行了方 鋼管混凝土構(gòu)件的研究，取得了一定的成果，而我國的矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì)施工規(guī)程尚在制定和完善中。 對于鋼管混凝土的構(gòu)件的研究存在各種不同的方法。其區(qū)別在于如何估 算鋼管和核心混凝上之間相互約束而產(chǎn)生的“效應(yīng)”，這種“效應(yīng)”的存在構(gòu) 成了鋼管混凝土構(gòu)件的固有特性，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能的復(fù)雜性因此，如 何合理地估計(jì)這種相互作用的“效應(yīng)”成為迫切需要解決的鋼管混凝土理論 研究熱點(diǎn)課題。從廣大設(shè)計(jì)部門的角度，不僅希望這一問題在理論上取得較 透徹的解決，而且更希望能進(jìn)一步提供便于工程設(shè)計(jì)人員使用的實(shí)用設(shè)計(jì)方 法。從研究者的角度來說，在工程技術(shù)領(lǐng)域從事理論研究，其最終目的也應(yīng) 該是更好地為實(shí)際應(yīng)用服務(wù)。各國的研究者從不同的角度對上述問題進(jìn)行了 研究，由于對鋼管和混凝土之間緊箍效應(yīng)理解不同，所獲計(jì)算方法和計(jì)算結(jié) 果也就會有所出入。但無論采用那種辦法，都有其合理性的一面通過對以 往有關(guān)研究者們大量卓有成效的理論和實(shí)驗(yàn)研究成果的分析和總結(jié)，一般認(rèn) 為組成鋼管混凝土的鋼管和混凝士之間的相互作用主要有現(xiàn)在以下兩個方 面： ( 1 ) 對于截面，表現(xiàn)在鋼管對其核心混凝土的約束作用，使混凝土材料本 身性質(zhì)得到改善，即強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性性能大為改善。同時，由于 混凝土的存在可以延緩或阻止鋼管不能發(fā)生內(nèi)凹的局部屈曲：在這種情況下， 不僅鋼管和混凝土材料本身的性質(zhì)對鋼管混凝土性能的影響很大，而且二者 幾何特性和物理特性參數(shù)如何“匹配”，也將對鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能起著 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 非常重要的影響可以認(rèn)為“約束效應(yīng)系數(shù)”是衡量這種相互作用的基本參 數(shù) ( 2 ) 對于構(gòu)件，尤其是長細(xì)比較大的鋼管混凝土構(gòu)件，表現(xiàn)在由于混凝土 的存在，構(gòu)件的“屈曲模態(tài)”表現(xiàn)出很大的不同，從而使鋼管混凝土構(gòu)件的 極限承載力和同等長度的空鋼管相比具有很大的提高，核心混凝土的主要“貢 獻(xiàn)”就是延緩鋼管過早地發(fā)生局部屈曲，從而使構(gòu)件的承載力和塑性能力得 到很大的提高，這時，混凝土材料本身的性質(zhì)，例如強(qiáng)度等的變化對鋼管混 凝土構(gòu)件性能的變化影響不很明顯 以上這種以充分考慮組成鋼管混凝土的鋼管和混凝土之間相互組合作用 的分析方法自然是比較系統(tǒng)和完善的，而且得到大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，計(jì)算 結(jié)果也較精確。但是也要看到，從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，這種理論方法顯得 還是比較復(fù)雜，不便于應(yīng)用 1 5 1 耐火性能 根據(jù)有關(guān)的試驗(yàn)研究結(jié)果，我們知道，混凝土的熱容比鋼材的熱容大很多， 鋼材的熱導(dǎo)系數(shù)卻比混凝土的大很多，另外，雖然鋼材的密度是混凝土的三 倍，但由于鋼管混凝士的含鋼率一般都在8 左右，混凝土的體積將是鋼管的 l l 倍以上，在發(fā)生火災(zāi)時，外部鋼管雖然升溫較快，但內(nèi)部混凝土升溫滯后， 因此溫度不高的混凝土部分仍具有較高的承載力。由此可見，由于鋼管和其 核心混凝土之間相互貢獻(xiàn)、協(xié)同互補(bǔ)、共同工作的優(yōu)勢使得其耐火性能遠(yuǎn) 高于鋼結(jié)構(gòu)因此，在防火處理上，它可以獲得比鋼結(jié)構(gòu)更佳的經(jīng)濟(jì)效益。 遺憾的是，到目前為止，我國還沒有鋼管混凝結(jié)構(gòu)防火方面的有關(guān)規(guī)定， 有關(guān)文獻(xiàn)僅要求“管混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度不宜超過1 0 0 4c ，當(dāng)超過1 0 0 。c 時， 應(yīng)采取有效的防護(hù)措施”以及“對有防火和防腐要求的結(jié)構(gòu)，應(yīng)按有關(guān)的專 門規(guī)定，作防火和防腐蝕處理”，這些不足制約了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的推廣， 不但使得在當(dāng)前的應(yīng)用中，由于按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要求采用外包混凝土， 或者按照鋼結(jié)構(gòu)的要求采用防火涂料，雖然能保證結(jié)構(gòu)的防火要求和安全性， 但卻使得該類結(jié)構(gòu)大都偏于保守而且浪費(fèi)，缺乏科學(xué)性和統(tǒng)一性，而且對于 己建成的該類結(jié)構(gòu)的耐火極限缺乏必要的科學(xué)依據(jù)。 至于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)后的性能的研究，目前而言也還相當(dāng)不夠。 火災(zāi)后，由于隨著外界溫度的降低，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已屈服截面處的鋼管的 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 強(qiáng)度得到了不同程度的恢復(fù)，截面的力學(xué)性能在高溫下有所改善，所有結(jié)構(gòu) 的整體性在火災(zāi)中也有所提高，這不僅為結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)提高了一個較安全 的工作環(huán)境，同時也減少了補(bǔ)強(qiáng)工作量。因此，應(yīng)當(dāng)對火災(zāi)后的鋼管混凝土 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行合理的評估，從而為維修加固提供科學(xué)的依據(jù)。隨著鋼管混 凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，這一問題也愈加突出，有待加快 研究 1 5 2 鋼管高強(qiáng)度混凝土 鋼管高強(qiáng)度混凝土也是目前國內(nèi)外學(xué)者的熱門研究課題。高強(qiáng)混凝土具 有強(qiáng)度高、早強(qiáng)、變形小、抗?jié)B抗腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)，能夠大幅度提高工 程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載能力，從而減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和自重，加快工程施工進(jìn) 度，還能經(jīng)受惡劣的環(huán)境條件，若應(yīng)用于荷載很大的結(jié)構(gòu)，如高層建筑、地 下工程和大跨度結(jié)構(gòu)等，其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。然而，高強(qiáng)混凝土的脆性大， 延性差，必須采用一些特殊構(gòu)造措施才能滿足抗震要求鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是 高層建筑中應(yīng)用高強(qiáng)混凝土的一種經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)形式。首先，鋼管對核心 混凝土的約束作用能有效地克服高強(qiáng)混凝土的脆性；其次，鋼管內(nèi)無鋼筋骨 架，便于澆灌高強(qiáng)混凝土，避免了柱與梁板普通混凝交錯澆灌的麻煩，并 且可以采用先進(jìn)的泵灌混凝土工藝；而且，鋼管兼有縱筋和箍筋的功能，其 用鋼量較普通鋼筋骨架更節(jié)省。 目前，在國外的許多超高層建筑中，已采用了混凝土等級為c 7 0 c 1 3 0 的 鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)。在我國，已建成的廣州中國大廈也采用了c 8 0 鋼管高 強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu) 鋼管高強(qiáng)混凝土的基本力學(xué)性能與鋼管普通混凝土有所不同，在進(jìn)行高 強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，不能簡單套用鋼管普通混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。我 國目前仍然延用文獻(xiàn)( 4 ) 中的承載力計(jì)算公式，僅是套箍效果系數(shù)有所降低。 1 6 鋼管混凝土存在的問題 1 ) 具有優(yōu)越的抗震性能是鋼管混凝土的重要特點(diǎn)，為合理而安全地在地 震區(qū)推廣這類結(jié)構(gòu)，必須深入進(jìn)行動力性能研究。但目前國內(nèi)外對鋼管混凝 土的動力性能研究基本上只限于試驗(yàn)研究，尚沒有提供可供規(guī)范使用的計(jì)算 理論和設(shè)計(jì)公式；而且對鋼管混凝土徐變和疲勞性能的研究相對較少，主要 以試驗(yàn)研究為主，由于尚缺乏合理的設(shè)計(jì)方法，在一定程度上制約了鋼管混 1 6 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 凝土在高層建筑和鐵路橋梁等工程中的應(yīng)用 2 ) 鋼管混凝土作為一種新型結(jié)構(gòu)，我國尚未制定有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)防 火設(shè)計(jì)方面的規(guī)定，所以制約了該類結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用對已建成的結(jié)構(gòu)，無 論是采用外包以混凝土還是涂以防火涂料保證防火要求和結(jié)構(gòu)的安全性都是一 偏于保守且造成浪費(fèi)的，缺乏科學(xué)性和統(tǒng)一性。因此，在理論研究和工程實(shí) 踐的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡快編制出適合我國國情的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)防火規(guī)范 3 ) 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)一直是工程應(yīng)用和研究的關(guān)注點(diǎn)。雖然目 前的設(shè)計(jì)規(guī)程和不少研究者提出了一些節(jié)點(diǎn)形式，但應(yīng)盡快納入設(shè)計(jì)規(guī)程， 為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供一定基礎(chǔ)此外，節(jié)點(diǎn)的動力性能作為結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，施工的難點(diǎn)相對靜力性能的研究較少 4 ) 由于普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)是高抗壓承載力和良好的塑 性、韌性，只能用作柱子，不宜用做受彎構(gòu)件，故用途有限從國內(nèi)外的研 究文獻(xiàn)看，將鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合而成的預(yù)應(yīng)力鋼管混凝1 土組合空間結(jié)構(gòu)，一般僅用作建筑柱子和橋梁的壓力拱中，還沒應(yīng)用到空間 桁架或網(wǎng)架等空間大中型結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中如果對其深入研究，弄清預(yù)應(yīng)力鋼 管混凝土結(jié)構(gòu)的受力變形特性和破壞機(jī)理，建立計(jì)算理論和設(shè)計(jì)分析方法， 便可拓展這一新型組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域 5 ) 鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行施工時，一般都是先安裝空鋼管結(jié)構(gòu)，這時空鋼 管單獨(dú)承受施工荷載，澆灌混凝土?xí)r又會在空鋼管內(nèi)產(chǎn)生動壓力，可能導(dǎo)致 在鋼管局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重時可使鋼管脹裂。所以應(yīng)對鋼管混凝士 施工力學(xué)問題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，以提供合理的施工工藝和預(yù)防措施。 6 ) 隨著建筑物的增高，建筑物的自重越來越大，為減輕柱子的截面尺寸 以增加建筑物的使用面積，高強(qiáng)混凝土在高層建筑中的應(yīng)用勢必不可避免 鋼管高強(qiáng)混凝土具有較好的延性，從而克服了高強(qiáng)混凝土延性和耗能能力差 的缺點(diǎn)，并能滿足高層建筑的抗震設(shè)計(jì)要求因此，鋼管高強(qiáng)混凝土力學(xué)性 能的研究成為近年來鋼管混凝土研究方面的熱點(diǎn) 8 而我國現(xiàn)行的鋼管混 凝土設(shè)計(jì)規(guī)程，只適用于普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)加大對鋼管高強(qiáng)混凝 土的研究力度，盡快制定出相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)程。 7 ) 鋼管混凝土在澆灌混凝土?xí)r，由于管徑大，水泥、混凝土難以擴(kuò)散水 化熱，使鋼管中心的局部溫度較大，可引起溫度應(yīng)力，度應(yīng)力對大管徑鋼管 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 混凝土結(jié)構(gòu)承載力的影響有待研究。 8 ) 國內(nèi)外針對鋼管混凝土可靠性理論方面的研究相對較少且尚未納入各 規(guī)程中。而大多數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員缺乏了解和參與高強(qiáng)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際 工程設(shè)計(jì)的機(jī)會，所以應(yīng)將推廣普及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)放在眾多設(shè)計(jì)院 身上，還有就是應(yīng)從可靠性方面加大研究力度，簡化設(shè)計(jì)難度，以減輕設(shè)計(jì) 人員的勞動負(fù)擔(dān)，真正使先進(jìn)的工程技術(shù)成為一種能方便設(shè)計(jì)、方便使用的 結(jié)構(gòu)技術(shù)手段，而不僅僅是一種可望而不可及的“奢侈品”。 1 7 本論文的研究目的和內(nèi)容 本論文僅對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用在高層建筑中的經(jīng)濟(jì)性和可行性作初步 的探討，并對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)及其施工工藝?yán)碚撨M(jìn)行介紹和總結(jié)，目 的旨在通過對一些具體工程的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及其施工工藝作大概的分析對 比，為鋼管混凝土在高層建筑結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用，提供經(jīng)濟(jì)效益方面的理論 分析支持。 本論文的主要內(nèi)容包括； 1 對鋼管混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，介紹一些采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的 典型工程實(shí)例，著重對在工程中分別采用鋼筋混凝土和鋼管混凝土兩 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)對其與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析對 比 2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論，鋼管混凝土柱的理論承載力計(jì)算火災(zāi) 作用下對力學(xué)性能、徐變理論進(jìn)行了初步的探討研究。 3 對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)及其施工工藝、鋼管混凝土對配合比進(jìn)行介 紹和總結(jié)。 4 綜合分析鋼管混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用實(shí)例，展望鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的 發(fā)展趨勢和需要解決的問題。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章鋼管混凝土特性的理論研究 2 1 鋼管混凝土構(gòu)件的基本工作原理 ( 1 ) 在壓力作用下，借助圓形鋼管對核心混凝土的套箍約束作用，使核心 混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更好的抗壓強(qiáng)度和壓縮變 形能力。 ( 2 ) 借助內(nèi)填混凝土的支撐作用，增強(qiáng)其幾何穩(wěn)定性，阻止了鋼管向內(nèi)屈 曲變形，改變空鋼管的失穩(wěn)狀態(tài)，從而提高其承載力。而國外最新的試驗(yàn)研 究表明管內(nèi)核心混凝土的支撐作用并不能增強(qiáng)圓管管壁的穩(wěn)定性。眾所周知， 鋼材在彈性工作階段泊松比“= 0 2 5 o 3 0 ，平均值為0 2 8 3 ，達(dá)到塑性階 段值為0 5 ?；炷恋臋M向變形系數(shù)則隨其縱向壓應(yīng)力的大小而改變，由 低應(yīng)力開始為0 1 7 ，隨壓應(yīng)力的增大而增大，由0 1 7 增至0 5 ，達(dá)到極限 狀態(tài)時，由于縱向開裂，甚至大于1 0 由此可見，圓鋼管混凝土短試件在軸心壓力n 的作用下，開始時從 g 意味著這時核心混 凝土向外擴(kuò)張的變形應(yīng)大于鋼管的直徑擴(kuò)張變形。這就使鋼管箍住了混凝土， 阻礙了核心混凝士的直徑擴(kuò)張，由此而產(chǎn)生了鋼管與核心混凝土之間的相互 1 9 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 作用力p ，此力稱為緊箍力。這就使鋼管和核心混凝土都處于三向應(yīng)力狀態(tài) 鋼管縱向受壓、徑向受壓，環(huán)向受拉；而核心混凝土縱向、徑向和環(huán)向皆受 壓。由于緊箍力作用，使混凝土強(qiáng)度大大提高，而且還由脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗?性材料，其基本性能起了質(zhì)的變化。 建研院曾作過圖2 - 1 所示的三種不同加載方式試驗(yàn)，極限荷載幾乎無 甚差別。結(jié)果表明，鋼管的作用在極限荷載時都最終轉(zhuǎn)化為主要起環(huán)向套箍 作用。而國外設(shè)計(jì)大多也只考慮環(huán)向套箍約束作用，并不考慮參與縱向承力 2 2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論 由于軸心受壓是鋼管混凝土最基本的力學(xué)性能，因此各國對鋼管混凝土 軸心受壓展開了卓有成效的研究尤其我國在這方面一直占有領(lǐng)先地位，其 研究成果更為顯著，下面就我國的研究情況作以介紹。 我國自5 0 年代開始對鋼管混凝土的基本理論進(jìn)行了大量的研究，取得 了可喜的成果，大致形成了三個理論體系，集中反映在文獻(xiàn) 2 1 6 1 8 5 中。近幾年相繼頒布了三本有關(guān)鋼管混凝士結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，分別與 三個理論體系相對應(yīng)。中國工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 與施工規(guī)程c e c s2 8 ：9 0 ) ，以下簡稱c e c s2 8 ：9 0 ，基本理論依據(jù)見蔡 紹懷鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 2 1 一書。該規(guī)程在基本構(gòu)件中比j c j0 1 - 8 9 ) 更 多地沿用了鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中的公式，主要依據(jù)鋼管混凝土構(gòu)件的試驗(yàn) 結(jié)構(gòu)，以經(jīng)驗(yàn)回歸公式為主。國家建材工業(yè)局頒布的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 與施工規(guī)范，( j c j0 1 8 9 ) ，( 以下簡稱j c j0 1 8 9 ) ，基本理論依據(jù)是蔣 家奮、湯關(guān)詐的三向應(yīng)力混凝土 1 8 一書該規(guī)程在基本構(gòu)件計(jì)算中借 用了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的一些公式形式，根據(jù)鋼管混凝土構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 和理論分析建立起來一套半經(jīng)驗(yàn)半理論的計(jì)算公式和表格。能源部頒布的鋼 一混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程( d l5 0 9 9 - 9 7 ) ( 以下簡稱d l 5 0 9 9 - 9 7 ) ，由能 源部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局批準(zhǔn)的火力發(fā)電廠主廠房鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 暫行規(guī)定( d l g j9 9 - 9 1 ) 修訂而成的，其中包含了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。 該規(guī)程的基本理論依據(jù)見鐘善桐的鋼管混凝土結(jié)構(gòu) 5 一書該規(guī)程所依 據(jù)的基本 理論是鋼管混凝土為一種材料，采用統(tǒng)一理論，以建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的理論 公式為主，在公式形式方面更多的借鑒了鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論，對壓彎構(gòu)件采 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 用應(yīng)力表達(dá)方式，而不是承載力，由于理論公式較繁，更多地采用了表格形 式。 以上三本規(guī)程所涉及的對象均以房屋建筑中的柱系為主，這主要是由于 鋼管混凝土構(gòu)件特別適合于軸心受壓結(jié)構(gòu)，軸心受力也是鋼管混凝土的最基 本特征。相應(yīng)地鋼管混凝土在軸心受壓方面的靜力性能研究的也較為全面、 透徹，而其它靜力性能( 如偏心受壓、受彎) 及動力性能和耐火性相對研究 較少。 2 3 鋼管混凝土柱的理論承載力計(jì)算 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其材料抗壓強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能突出、施工方 便、外型美觀和造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛的應(yīng)用。我國己制 定的有關(guān)圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范( 規(guī)程) 主要有中國工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會 標(biāo)準(zhǔn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程、國家建材工業(yè)局頒布的 原有c 3 0 ，c 4 0 和c 5 0 的基礎(chǔ)上增加了c 6 0 的 內(nèi)容。 本次鋼管混凝土短柱試驗(yàn)的試驗(yàn)值及理論值列于表2 - 3 。從表上可以看 出，采用c e c s 2 8 ：9 0 ) 規(guī)程計(jì)算的承載力最大，采用d l 5 0 9 9 - 9 7 ) ) 規(guī)程計(jì) 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 算的承載力最小，而試驗(yàn)值比兩種方法計(jì)算的理論值都要大，主要原因是 c e c s 2