1、.：.；鋼管混凝土的運(yùn)用和開展摘要 由于鋼管混凝土具有承載力高,耐腐蝕,便于施工等一系列優(yōu)點(diǎn),它在土木工程中的運(yùn)用越來越廣泛,尤其在橋梁工程中的運(yùn)用也越來越引起人們的興趣與注重。本文就鋼管混凝土的任務(wù)原理、計(jì)算實(shí)際、鋼管混凝土的主要優(yōu)缺陷以及一些新型鋼管混凝土構(gòu)造做了簡要的論述。關(guān)鍵詞 鋼管混凝土；新型鋼管混凝土構(gòu)造；運(yùn)用；開展近1 個(gè)多世紀(jì)以來,鋼管混凝土這種組合資料的研討不斷深化,施工工藝大幅度改良,鋼管混凝土在全世界范圍內(nèi)在房建、橋梁等工程中得到了大量的運(yùn)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),從1990 年到1994 年間已建和再建的鋼管混凝土拱橋達(dá)20 多座1 ,到1997年已達(dá)40 多座2 ,到1998

2、 年那么已達(dá)60 多座,到目前為止,跨度不等的鋼管混凝土拱橋已有200 多座。1鋼管混凝土的任務(wù)原理鋼管混凝土,英文簡稱CFST。它是約束混凝土的一種特例，是將高強(qiáng)混凝土灌入薄壁圓鋼管內(nèi)而構(gòu)成的組合構(gòu)造資料,利用在普通的任務(wù)形狀下,2 種不同力學(xué)性能的資料產(chǎn)生相互作用,即緊箍力來協(xié)調(diào)任務(wù)。這里以工程中運(yùn)用最多的也是最最典型的圓形鋼管混凝土短柱為例來引見鋼管混凝土的任務(wù)原理,如圖1 (b) 所示。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)引見3 ,鋼材在彈性任務(wù)階段,泊松比s 變化很小,在0. 25 0. 3 之間, 可以以為是常數(shù)。取s =0. 283 ;而混凝土的泊松比c 在受力過程中是不斷變化的。由低應(yīng)力形狀下的0. 1

3、67 左右逐漸增大到0. 5 ,當(dāng)接近破壞階段時(shí),由于混凝土內(nèi)部縱向微裂痕的開展,將超越0. 5。對于鋼管混凝土而言,在軸壓力的作用下,c 逐漸增大,并且迅速地超越鋼材的泊松比s 。當(dāng)s =c 時(shí),鋼管和混凝土的徑向變形一致,相互間沒有緊箍力存在;當(dāng)s c 時(shí),此時(shí)鋼管已進(jìn)入塑性屈服階段,相互間作用力只剩下粘結(jié)力。由于緊箍力的存在,使得鋼管與混凝土處于三向受力形狀,見圖1(a) ?；炷猎趫D1 鋼管混凝土三向受力形狀三向壓應(yīng)力作用下,其任務(wù)性能發(fā)生了質(zhì)的變化,不但提高了承載力,而且還增大了其極限壓應(yīng)變;在軸心壓力作用下,薄壁鋼管的承載力是極不穩(wěn)定的,實(shí)驗(yàn)證明,鋼管實(shí)踐承載力往往是實(shí)際計(jì)算值的1

4、P31P5。當(dāng)在鋼管內(nèi)澆筑混凝土并到達(dá)一定強(qiáng)度后,混凝土保證了薄壁鋼管的部分穩(wěn)定,反過來,鋼管又約束混凝土的徑向變形,使它處于三向受壓應(yīng)力形狀,延緩了受壓時(shí)的縱向開裂,從而提高了鋼管混凝土構(gòu)件的承載力。因此,鋼管混凝土作為一種組合資料,具有獨(dú)特的任務(wù)特性:彈性任務(wù)而塑性破壞,承載力高而極限緊縮變形大。其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系近似于鋼材的性能。2 新型鋼管混凝土構(gòu)造由于鋼管混凝土優(yōu)越的性能，這些年鋼管混凝土得到了飛速的法展，鋼管混凝土構(gòu)造得到了不斷的豐富和改良，許多新型鋼管混凝土構(gòu)造不斷涌現(xiàn)。例如：薄壁鋼管混凝土、中空夾層鋼管混凝土、FRP-混凝土-鋼管組合柱、FRP約束鋼管混凝土、鋼管混凝土曲桿、鋼管再

5、生混凝土、鋼管高性能混凝土等。在曲線形空鋼管內(nèi)澆筑混凝土可構(gòu)成鋼管混凝土曲桿。與傳統(tǒng)的直線形鋼管混凝土類似,其同樣可利用鋼管和混凝土在受力過程中的相互作用,從而具有較高強(qiáng)度以及抗彎和抗變形才干。由于鋼管混凝土曲桿外形美觀,性能優(yōu)越,因此在體育館、機(jī)場航站樓、拱橋等大型構(gòu)造中有著較為寬廣的運(yùn)用前景。 近年來，由于環(huán)保力度的加強(qiáng)，再生混凝土作為一種環(huán)保的再生資源再國內(nèi)外得到了大量的研討和運(yùn)用。將再生混凝土灌入鋼管構(gòu)成鋼管再生混凝土之后,使再生混凝土處于鋼管的約束和維護(hù)之下,二者同樣也存在相互作用。鋼管再生混凝土構(gòu)造可促進(jìn)再生混凝土在土木建筑構(gòu)造中的運(yùn)用和開展,為廢棄混凝土資源化提供一條有效的途徑。

6、高性能混凝土(指高流態(tài)自密實(shí)混凝土)很適宜在鋼管混凝土構(gòu)造中運(yùn)用,其在自重或少振搗的情況下就能自密實(shí)成形,對方便鋼管混凝土的施工,保工程質(zhì)量具有重要意義。鋼管混凝土是推行和運(yùn)用高強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土最正確的構(gòu)造方式之一。研討結(jié)果闡明,鋼管高性能混凝土的力學(xué)性能與鋼管普通混凝土類似鋼管普通混凝土構(gòu)造的設(shè)計(jì)方法根本適用于鋼管性能混凝土構(gòu)造。此外,在鋼管中還可灌注鋼纖維混凝土、輕骨料混凝土等,但由于其與普通混凝土學(xué)性能的顯著差別,導(dǎo)致將其灌入鋼管所構(gòu)成的組合構(gòu)件的力學(xué)性能與鋼管普通混凝土也存在較大異。目前對鋼管高性能混凝土的研討曾經(jīng)比較深化,但對其他中心混凝土的鋼管混凝土研討得還比較少。3 鋼管混凝土的主

7、要優(yōu)點(diǎn)及問題鋼管混凝土最初是運(yùn)用在房建的立柱上。由于其承載才干高特別是抗壓強(qiáng)度大的特點(diǎn)可以大大地減少構(gòu)造的尺寸添加房屋的運(yùn)用空間以及滿足視覺美觀的要求。但真正使這一構(gòu)造方式大放光輝的還是在橋梁上，特別是鋼管混凝土拱橋。3.1鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)(1)中心混凝土處于三軸受壓形狀大大提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。因此其承載才干大。鋼管混凝土利用內(nèi)填混凝土加強(qiáng)管壁的穩(wěn)定性單一的鋼構(gòu)造方式很容易部分失穩(wěn),又利用鋼管對中心混凝土的套箍作用,使鋼管混凝土的優(yōu)越性能得到充分發(fā)揚(yáng),具有很高的抗壓強(qiáng)度和抗變形才干,非常適宜以受壓為主的立柱和以偏心受壓為主的拱橋。2施工快捷。施工時(shí),鋼管充任很好的模板,無需額外的腳手架和模

8、板,又起到勁性骨架的作用。另一方面,橋梁基坑開挖、根底與混凝土澆筑、鋼管加工、吊桿制造、橫梁和橋面板預(yù)制可同時(shí)進(jìn)展,模塊化程度高,節(jié)省了施工工期,與同等跨徑的其它體系橋梁相比,可節(jié)省工期30 %以上。3經(jīng)濟(jì)效益好。有研討統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：鋼管混凝土柱比一樣混凝土強(qiáng)度的鋼筋混凝土柱節(jié)約混凝土50%以上,耗鋼量略多或相等。與普通鋼柱相比,鋼管混凝土柱可節(jié)約鋼材50%以上,造價(jià)也可降低?；炷恋膹?qiáng)度越高,鋼筋混凝土的造價(jià)越低,60鋼筋混凝土的造價(jià)比40鋼筋混凝土的造價(jià)降低15.2%。鋼管超高強(qiáng)混凝土的造價(jià)比C60鋼筋混凝土的造價(jià)降低28.8%；比C40鋼筋混凝土的造價(jià)降低36.7%?；炷翉?qiáng)度越高,其鋼管混

9、凝土的造價(jià)越低在鋼管壁厚和鋼材強(qiáng)度一樣的前提下,混凝土強(qiáng)度為116MPa的鋼管超高強(qiáng)混凝土的造價(jià)比30MPa、54MPa、83MPa的鋼管混凝土分別降低了30.3%、18.7%和11.5%,橫截面積分別減小了 54.9%、38.8%、21.5%。3.2鋼管混凝土目前主要存在的問題雖然鋼管混凝土開展很快,但是其設(shè)計(jì)實(shí)際,計(jì)算方法,規(guī)范制定等方面卻比較落后,詳細(xì)表達(dá)在以下幾個(gè)方面:鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系。由于鋼管混凝土力學(xué)行為的復(fù)雜性,迄今尚未建立起比較完善的本構(gòu)關(guān)系,特別是混凝土的本構(gòu)關(guān)系,現(xiàn)有的本構(gòu)關(guān)系雖然包括混凝土的彈性、彈塑性和屈服階段,但大都以回歸公式為主。鋼管與混凝土各自的本構(gòu)關(guān)系如何選

10、取,才干使二者的結(jié)合最優(yōu),缺乏研討。(2) 由于中心混凝土的收縮,鋼管混凝土拱肋中出現(xiàn)鋼管與混凝土不密貼的景象。尤其是在拱頂。工程中常采用壓漿或微膨脹混凝土來處理混凝土的收縮。但微膨脹混凝土的效果也缺乏細(xì)致的研討。此外,有人以為在日照下鋼管與混凝土?xí)獾綔夭畹挠绊懚霈F(xiàn)空隙,以致使套箍力的發(fā)揚(yáng)在工程界存在質(zhì)疑。對于這個(gè)問標(biāo)題前還缺乏深化的研討。(3) 鋼管混凝土的有限元計(jì)算實(shí)際缺乏一致性?；诂F(xiàn)有的資料,未呈見過各種計(jì)算實(shí)際的比較?，F(xiàn)有的計(jì)算模型有熊峰的鋼管混凝土構(gòu)造的矩陣位移法7 , 嚴(yán)志剛的3 節(jié)點(diǎn)鋼管混凝土梁單元8 ,Hajjar 建立的三維鋼管混凝土單元9 ,王小崗提出的三維退化層合曲

11、梁單元10 等。這些模型各有優(yōu)缺陷。(4) 鋼管混凝土桁架節(jié)點(diǎn)與柔性吊桿的疲勞問題,研討不夠深化。(5) 設(shè)計(jì)規(guī)范。隨著鋼管混凝土拱橋的不斷開展,對其專門規(guī)范的制定要求更加迫切。當(dāng)前存在于設(shè)計(jì)、制造、施工之間的并影響到業(yè)主、監(jiān)理判別和裁定的一些不協(xié)調(diào)問題,既需求實(shí)際上的支持,實(shí)際中的檢驗(yàn),更需求規(guī)范的量定。4 鋼管混凝土的計(jì)算實(shí)際自從發(fā)現(xiàn)套箍混凝土比普通構(gòu)造的混凝土承載才干有較大提高以來,國內(nèi)外均開展了對這方面的系統(tǒng)研討,獲得了豐盛的成果,出版、發(fā)表了大量的專著、論文,鋼管混凝土那么是其中比較突出的一種。雖然如此,目前對鋼管混凝土仍存在許多不同的觀念,實(shí)際研討仍不完善,如鋼管混凝土本構(gòu)關(guān)系,特

12、別是處于三向受壓形狀的中心混凝土本構(gòu)關(guān)系。即使是最根本的鋼管混凝土短柱試件,如鋼管混凝土短柱的長細(xì)比值,鋼管的縱向應(yīng)變與中心混凝土的縱向應(yīng)變不協(xié)調(diào)一致等尚未獲得一致看法34 。鋼管混凝土構(gòu)造力學(xué)性能的研討方法很多34 ,主要區(qū)別在于如何估算鋼管和中心混凝土之間的相互約束而產(chǎn)生的“效應(yīng),從而比較真實(shí)地反映鋼管混凝土構(gòu)造實(shí)踐的承載力。根據(jù)對鋼管混凝土組合構(gòu)造了解的不同,目前主要有2 種分析方法:一種以為鋼管混凝土是由鋼管和混凝土2 種不同資料組成的組合構(gòu)造4 ,思索鋼管對混凝土的套箍作用,利用極限平衡原理導(dǎo)出相應(yīng)的計(jì)算公式,該方法的優(yōu)點(diǎn)在于避開了復(fù)雜的彈塑性階段,無需確定資料的本構(gòu)關(guān)系,直接根據(jù)構(gòu)

13、造處于極限形狀時(shí)的平衡條件計(jì)算出極限形狀的荷載數(shù)值。由于鋼管混凝土構(gòu)造的受力途徑非常復(fù)雜,所以導(dǎo)出的公式大多數(shù)是半實(shí)際半閱歷的;另一種以為鋼管混凝土是一個(gè)構(gòu)造,經(jīng)過測定鋼管和混凝土準(zhǔn)確的本構(gòu)關(guān)系,利用屈服準(zhǔn)那么,采用增量法逐漸計(jì)算出鋼管混凝土構(gòu)造的荷載- 位移曲線,在此根底上確定各種力學(xué)目的,公式以回歸居多。由于在本構(gòu)關(guān)系中曾經(jīng)思索了套箍效應(yīng),故其力學(xué)目的中也曾經(jīng)包含了套箍效應(yīng)的影響。上述實(shí)際已分別為國內(nèi)有些部委所采用,并編制了相應(yīng)的規(guī)范或規(guī)程。5 鋼管混凝土在我國工程中的運(yùn)用實(shí)例 隨著鋼管混凝土研討的不斷深化， 鋼管混凝土在實(shí)踐工程中的運(yùn)用范圍也在不斷擴(kuò)展， 涉及了高層建筑，橋梁工程等許多領(lǐng)

14、域。5.1高層建筑 在高層建筑中運(yùn)用鋼管混凝土柱有其特殊的優(yōu)點(diǎn)。用鋼管混凝土柱替代普通鋼筋混凝土柱，可使柱截面大大減少，提高抗震性能，方便施工；利用鋼管混凝土柱替代鋼構(gòu)造中的鋼柱，可以減少用鋼量，加強(qiáng)構(gòu)造剛度。廣州的好世界廣場大廈 33層，圖 2a，新中國大廈54層，圖 2b，合銀大廈62層，圖2c，深圳的賽格廣場(72 層，圖 2d 等大型高層建筑， 都以不同方式采用鋼管混凝土柱，部分還將其構(gòu)成內(nèi)框筒或用于逆作法建造多層地下室，在經(jīng)濟(jì)及技術(shù)上都獲得不錯(cuò)的效果。圖2 采用鋼管混凝土柱的高層建筑5.2 橋梁構(gòu)造 鋼管混凝土技術(shù)不僅運(yùn)用于高層建筑構(gòu)造，它在橋梁建立發(fā)面也發(fā)揚(yáng)出了優(yōu)勢。鋼管混凝土是高

15、強(qiáng)輕質(zhì)且便于施工的高效構(gòu)造資料，它突出的優(yōu)點(diǎn)處理了橋梁構(gòu)造所要求的用料省、安裝分量輕、施工簡便、承載力大等諸多矛盾。鋼管混凝土已被公以為建造大跨度拱橋的一種比較理想的構(gòu)造資料。最著名的四川萬縣長江大橋，為勁性骨架鋼管混凝土下承式拱橋，設(shè)計(jì)橋長814米，橋拱凈跨420米，橋面距江面高140米，單孔跨江，無水下根底，跨度雄居世界同類橋梁首位。主拱圈采用鋼管與勁性骨架組合的鋼筋混凝土箱形截面，采用纜索吊裝和懸臂扣掛的方法施工。橋?qū)?4m，按正線高速公路四車道設(shè)計(jì)。還有正在建的重慶巫峽長江大橋(中承式肋拱) ,主跨到達(dá)460m ,將再次刷新拱橋跨度的世界紀(jì)錄。如下表列出了部分鋼管混凝土拱橋簡表。表格1

16、 部分鋼管混凝土拱橋匯總參考文獻(xiàn)1 羅世勛,謝邦珠. 當(dāng)代四川公路橋梁(續(xù)集19871995)M . 成都:四川科學(xué)技術(shù),199612 陳寶春. 鋼管混凝土拱橋開展綜述J . 橋梁建立,1997 ,(2) :8 - 1213 鐘善桐. 鋼管混凝土構(gòu)造(第3 版) M . 北京:清華大學(xué),200314 蔡紹懷. 現(xiàn)代鋼管混凝土構(gòu)造M . 北京:人民交通出5蔡紹懷 我國鋼管混凝土構(gòu)造技術(shù)的最新進(jìn)展， 土木工程學(xué)報(bào)，19996肖建莊,孫振平,李佳彬,等.廢棄混凝土破碎及再生工藝研討.建筑技術(shù),2005,36(2):141-1447 熊峰,等.鋼管混凝土拱構(gòu)造計(jì)算的矩陣位移法J . 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2002 , (5) :480 - 48318 嚴(yán)志剛,王德軍,盛洪飛. 鋼管混凝土三維非線性梁單元的研討與運(yùn)用J . 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003 , (3) :334 -