论文部分内容阅读
摘要：着重介绍钢管混凝土结构的优势特点、理论研究概况和工程建设运用现状，综合分析了其运用的突出问题，对钢管混凝土的发展前景进行研究展望。
关键词：钢管混凝土运用前景
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1、引言 钢管混凝土结构是在钢管内浇筑混凝土形成的一种新型组合结构，它兼有钢管结构和钢筋混凝土结构的优点，具有明显的结构优势。钢管混凝土结构适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求。随着“十二五”国家部分基础设施建设的迅猛发展，钢管混凝土结构已广泛用于房柱、构架柱、多层建筑中的墩柱、水工系列的闸门、渡槽以及公路和城市建设拱桥等过程中。
2、钢管混凝土构件分类。
按截面形式分为圆形、方形、矩形和多边形等。目前大多数工程建设领
常用前面三种。
3、钢管混凝土构件特点
3.1构件承载力高。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后，钢管约束了混
凝土延缓其受压时的纵向开裂，而混凝土却延缓或避免薄壁钢管过早地发生屈服。两种材料相互填补了各自的长处，整个结构的承载力约为钢管的核心混凝土单独承载力之和的1.6～1.9倍。
3.2塑性和韧性好、抗震性能强。单纯受压的混凝土常属脆性破坏，但管内核心混凝土在钢管的约束下，不但使用阶段工作时提高了弹性性质，扩大了弹性工作阶段，而且破坏时产生很大的塑性变形。此外，这种构件在承受冲击荷载和震动荷载时，也具有很大的韧性，因而抗震性能强。
3.3制作和施工方便。与钢管结构相比较，钢管混凝土零部件少、焊缝少，
而且柱脚构造简单，可直接插入混凝土基础的预留口杯中，免去了复杂的柱脚结构，由于管壁较薄，重量小，大大减轻交通运输和吊装工作，同时也取消现场配置电焊设备的投入。与钢筋混凝土相比较，免去了支撑模板、绑扎钢筋和拆模等工序，浇筑混凝土更为简单且不用担心浇筑时发生漏浆现象。
3.4耐火性能好。就城市建设而言，由于管内存在混凝土，能吸收钢管传来
的热量，从而使钢管升温滞后，故耐火极限高于钢结构，为抗火而增加保护材料用量也比钢柱省略。火灾后构件的滞回曲线较为饱满，没有明显的弯缩形象，这就说明钢管混凝土具有良好的火灾后抗震修复能力。
3.5经济效益显著。与钢结构柱子相比较，可节约钢材50%以上，所用钢材
不但价格较低，而且材质要求不高，焊接简单。由于管内有混凝土，防锈面积也可减少50%左右，更重要的是防锈费用低于钢结构；因为防火性能的提高，使防火保护材料用量减少，综合节约了成本。与钢筋混凝土柱相比较，不需要模板，节约混凝土50%以上。
3.5布局美观。钢管混凝土承载能力高，其界面可大幅缩小，解决了长期存
在的“胖柱”问题，使建筑物室内、室外空间更大，布局光滑而美观，提高了建筑物技术创新水平。
4、钢管混凝土研究
4.1理论研究。笔者从《建筑时报》获悉，我国对钢管混凝土结构的研究始
于20世纪50年代末。最早开始研究的是中国科学院哈尔滨土建研究所。从1963年开始，建筑材料研究院、哈尔滨土建研究院、冶金部建筑研究院等单位先后对基本构件的工作性能、节点构造及施工技术等方面进行了比较系统的试验研究。1978年，钢管混凝土第一次列入国家科学发展规划，由哈尔滨土建研究院主持。80年代后，哈尔滨建工学院等一批高等院校加入研究，经过大量的实验研究和理论分析，对构建承载力和变形性能及影响因素进行全面研究，比如桥梁柱护拦横梁得到了实用的设计计算公式：。
→每根横梁跨中的弯钜（KN），P→桥梁护拦承受的碰撞力（KN），L→
横梁跨径，n→横梁根数。1985年首届钢管混凝土国际学术研究会在哈尔滨举行，昭示着我国的钢管混凝土研究已处于世界前列。
4.2理论成果。目前，钢管混凝土计算理论根据对混凝土组合结构理解的不
同分为：4.2.1钢管混凝土式钢管与混凝土两种材料的组合结构，考虑钢管对混凝土的紧箍作用，利用极限平衡原理导出的计算公式，导出的公式多半是半理论半经验的。
4.2.2利用屈服准则，采用增量法逐步计算出钢管混凝土的荷载——位移曲
线，在此基础上确定各种力学指标，公式以回归居多。
5、钢管混凝土的发展应用概况
5.1生产及应用领域。1879年英国赛文铁路桥建造中采用了钢管桥墩，
在管内浇筑混凝土，以防钢管内壁锈蚀。此后，钢管混凝土在苏联、日本、美国、英国、澳大利亚、法国、比利时、中国等国家的水工、城市拱桥，高层或超高层建筑、工业厂房、送变电杆塔、设备构架、地下等工程应用。
5.2我国钢管混凝土的应用概况。60年代中期至80年代广泛应用。其特点
是从厂房柱开始推广到各种工业建筑中，同时结合工程需要，开始一些基础性和施工中遇到的技术问题研究。
5.3钢管混凝土应用领域。
5.3.1单层和多层厂房住，它与钢筋混凝土相比较，显得轻巧，还可以在全
部主体工程完成后进行，所以有利于缩短工期。
5.3.2设备构架柱、支架柱和渡桥柱，在各种工业用平台或构筑物中，其下
部支柱一般都承受轴压荷载，因而采用钢管混凝土柱十分合理。
5.3.3地下工程，这种工程的特点是荷载大，空间宝贵。钢管混凝土轴压承
载力大、截面小，可以节省空间。1969年建成通车的北京地铁北京站、前门站的站台柱率先采用了钢管混凝土柱，取得显著的经济效益、社会效益。
5.3.3送变电杆塔，这项工程大多数在野外，主要承受风荷载，浇筑混凝土
有些困难。近年来，有关设计单位研究出了薄壁钢管混凝土预制构件，它可以在工厂分段生产成形后运到指定位置安裝。2011年浙江省湖州妙西500KN送变电即采用了薄壁钢管混凝土预制构件。
5.3.4桥梁工程，钢管混凝土桥梁得到广泛推广，主要各类型有：钢管混凝
土拱桥，1990年我国建成第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍大桥。连续钢构桥，这类桥型刚起步，实例有湖北省向家坝大桥，它是一座全焊钢管混凝土空间桁架连续钢构桥。斜拉桥，钢构混凝土桁架用于斜拉桥主梁可使桥梁轻盈，造价低，同时充分利用斜拉索作为顶推过程中的工作索，施工简单。实例有淮北市长山路斜拉桥。
6、钢管混凝土应用中的问题
6.1钢管混凝土耐火性研究问题。目前对钢管混凝土耐火性研究虽然取得较
系统的成果，但研究工作还仅局限于预制层次上。由钢管混凝土构成的超静定结构体系，火灾中单个构件抗力的下降必将引起整个结构体系的内力重分布，并且升温过程中材料的膨胀和降温过程中材料的收缩都会在体系内产生内力，甚至引起柱子的失稳和梁片的局部屈曲。因此，对钢管混凝土结构整体性能的研究成为耐火性研究的主要方向。为便于设计，目前一般都采用标准升温曲线，但标准升温曲线有时与真实火灾下的升温曲线相差甚远。为了真实反映火灾对结构的破坏程度，需要建立更为准确的大火燃烧模式，对不同截面形式的钢管混凝土荷载和温度共同作用下，在火灾升温和火灾后降温这一连续过程中温度即应力关系进行系统研究。
6.2节点改进问题。钢管混凝土梁住节点是钢管混凝土结构正常、安全工作
的关键。目前已有许多节点形式，但在工程实际应用中不尽人意，存在施工复杂、材料用量大、应用不灵活、理论与试验研究成果不完善等问题。因此，寻求新型的节点形式，使其具有承载力强、传力明确、受力合理、构造简单、施工方便达特征，成为目前钢管混凝土结构科研的主要方向。
6.3混凝土检测技术改进问题。钢管混凝土质量缺陷检测方法主要有小应变
法、直接钻芯取样法、超声波检测法、光纤传感监测系统等。在许多的检测方法中无论从结构完整性，还是经济适应角度看，无损检测是发展趋势，但它存在著精度不高的问题，在实际工作中应结合多种形式相结合才能得到更为准确的结果。
6.3钢管混凝土结构的养护问题。钢管混凝土在建成后，需要加强日常管理，
经常进行检查养护维修，比如混凝土成型12小时后及时浇水至少7天之内保持90%以上的潮湿度，发现有损坏表面、边角，及时进行采用同品质同强度的水泥砂浆进行修补，才能实现设计寿命。
7、结束语
钢管混凝土非常适用轴心受压或小偏心受压环境，在水利工程中处于这种环境下的结构很多，如水电站地下工房结构柱、拱形闸门桁架结构、渡槽排架等构件。我国南水北调中线穿黄方案中，就有钢管混凝土拱梁组合渡槽结构方案，为渡槽工程提供了新的设计思路。笔者希望有更多的水利工作者重视钢管混凝土，借鉴其他领域钢管混凝土应用的理论和实践经验，积极开展设计和施工理论、方法和技术等方面的研究。
关键词：钢管混凝土运用前景
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1、引言 钢管混凝土结构是在钢管内浇筑混凝土形成的一种新型组合结构，它兼有钢管结构和钢筋混凝土结构的优点，具有明显的结构优势。钢管混凝土结构适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求。随着“十二五”国家部分基础设施建设的迅猛发展，钢管混凝土结构已广泛用于房柱、构架柱、多层建筑中的墩柱、水工系列的闸门、渡槽以及公路和城市建设拱桥等过程中。
2、钢管混凝土构件分类。
按截面形式分为圆形、方形、矩形和多边形等。目前大多数工程建设领
常用前面三种。
3、钢管混凝土构件特点
3.1构件承载力高。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后，钢管约束了混
凝土延缓其受压时的纵向开裂，而混凝土却延缓或避免薄壁钢管过早地发生屈服。两种材料相互填补了各自的长处，整个结构的承载力约为钢管的核心混凝土单独承载力之和的1.6～1.9倍。
3.2塑性和韧性好、抗震性能强。单纯受压的混凝土常属脆性破坏，但管内核心混凝土在钢管的约束下，不但使用阶段工作时提高了弹性性质，扩大了弹性工作阶段，而且破坏时产生很大的塑性变形。此外，这种构件在承受冲击荷载和震动荷载时，也具有很大的韧性，因而抗震性能强。
3.3制作和施工方便。与钢管结构相比较，钢管混凝土零部件少、焊缝少，
而且柱脚构造简单，可直接插入混凝土基础的预留口杯中，免去了复杂的柱脚结构，由于管壁较薄，重量小，大大减轻交通运输和吊装工作，同时也取消现场配置电焊设备的投入。与钢筋混凝土相比较，免去了支撑模板、绑扎钢筋和拆模等工序，浇筑混凝土更为简单且不用担心浇筑时发生漏浆现象。
3.4耐火性能好。就城市建设而言，由于管内存在混凝土，能吸收钢管传来
的热量，从而使钢管升温滞后，故耐火极限高于钢结构，为抗火而增加保护材料用量也比钢柱省略。火灾后构件的滞回曲线较为饱满，没有明显的弯缩形象，这就说明钢管混凝土具有良好的火灾后抗震修复能力。
3.5经济效益显著。与钢结构柱子相比较，可节约钢材50%以上，所用钢材
不但价格较低，而且材质要求不高，焊接简单。由于管内有混凝土，防锈面积也可减少50%左右，更重要的是防锈费用低于钢结构；因为防火性能的提高，使防火保护材料用量减少，综合节约了成本。与钢筋混凝土柱相比较，不需要模板，节约混凝土50%以上。
3.5布局美观。钢管混凝土承载能力高，其界面可大幅缩小，解决了长期存
在的“胖柱”问题，使建筑物室内、室外空间更大，布局光滑而美观，提高了建筑物技术创新水平。
4、钢管混凝土研究
4.1理论研究。笔者从《建筑时报》获悉，我国对钢管混凝土结构的研究始
于20世纪50年代末。最早开始研究的是中国科学院哈尔滨土建研究所。从1963年开始，建筑材料研究院、哈尔滨土建研究院、冶金部建筑研究院等单位先后对基本构件的工作性能、节点构造及施工技术等方面进行了比较系统的试验研究。1978年，钢管混凝土第一次列入国家科学发展规划，由哈尔滨土建研究院主持。80年代后，哈尔滨建工学院等一批高等院校加入研究，经过大量的实验研究和理论分析，对构建承载力和变形性能及影响因素进行全面研究，比如桥梁柱护拦横梁得到了实用的设计计算公式：。
→每根横梁跨中的弯钜（KN），P→桥梁护拦承受的碰撞力（KN），L→
横梁跨径，n→横梁根数。1985年首届钢管混凝土国际学术研究会在哈尔滨举行，昭示着我国的钢管混凝土研究已处于世界前列。
4.2理论成果。目前，钢管混凝土计算理论根据对混凝土组合结构理解的不
同分为：4.2.1钢管混凝土式钢管与混凝土两种材料的组合结构，考虑钢管对混凝土的紧箍作用，利用极限平衡原理导出的计算公式，导出的公式多半是半理论半经验的。
4.2.2利用屈服准则，采用增量法逐步计算出钢管混凝土的荷载——位移曲
线，在此基础上确定各种力学指标，公式以回归居多。
5、钢管混凝土的发展应用概况
5.1生产及应用领域。1879年英国赛文铁路桥建造中采用了钢管桥墩，
在管内浇筑混凝土，以防钢管内壁锈蚀。此后，钢管混凝土在苏联、日本、美国、英国、澳大利亚、法国、比利时、中国等国家的水工、城市拱桥，高层或超高层建筑、工业厂房、送变电杆塔、设备构架、地下等工程应用。
5.2我国钢管混凝土的应用概况。60年代中期至80年代广泛应用。其特点
是从厂房柱开始推广到各种工业建筑中，同时结合工程需要，开始一些基础性和施工中遇到的技术问题研究。
5.3钢管混凝土应用领域。
5.3.1单层和多层厂房住，它与钢筋混凝土相比较，显得轻巧，还可以在全
部主体工程完成后进行，所以有利于缩短工期。
5.3.2设备构架柱、支架柱和渡桥柱，在各种工业用平台或构筑物中，其下
部支柱一般都承受轴压荷载，因而采用钢管混凝土柱十分合理。
5.3.3地下工程，这种工程的特点是荷载大，空间宝贵。钢管混凝土轴压承
载力大、截面小，可以节省空间。1969年建成通车的北京地铁北京站、前门站的站台柱率先采用了钢管混凝土柱，取得显著的经济效益、社会效益。
5.3.3送变电杆塔，这项工程大多数在野外，主要承受风荷载，浇筑混凝土
有些困难。近年来，有关设计单位研究出了薄壁钢管混凝土预制构件，它可以在工厂分段生产成形后运到指定位置安裝。2011年浙江省湖州妙西500KN送变电即采用了薄壁钢管混凝土预制构件。
5.3.4桥梁工程，钢管混凝土桥梁得到广泛推广，主要各类型有：钢管混凝
土拱桥，1990年我国建成第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍大桥。连续钢构桥，这类桥型刚起步，实例有湖北省向家坝大桥，它是一座全焊钢管混凝土空间桁架连续钢构桥。斜拉桥，钢构混凝土桁架用于斜拉桥主梁可使桥梁轻盈，造价低，同时充分利用斜拉索作为顶推过程中的工作索，施工简单。实例有淮北市长山路斜拉桥。
6、钢管混凝土应用中的问题
6.1钢管混凝土耐火性研究问题。目前对钢管混凝土耐火性研究虽然取得较
系统的成果，但研究工作还仅局限于预制层次上。由钢管混凝土构成的超静定结构体系，火灾中单个构件抗力的下降必将引起整个结构体系的内力重分布，并且升温过程中材料的膨胀和降温过程中材料的收缩都会在体系内产生内力，甚至引起柱子的失稳和梁片的局部屈曲。因此，对钢管混凝土结构整体性能的研究成为耐火性研究的主要方向。为便于设计，目前一般都采用标准升温曲线，但标准升温曲线有时与真实火灾下的升温曲线相差甚远。为了真实反映火灾对结构的破坏程度，需要建立更为准确的大火燃烧模式，对不同截面形式的钢管混凝土荷载和温度共同作用下，在火灾升温和火灾后降温这一连续过程中温度即应力关系进行系统研究。
6.2节点改进问题。钢管混凝土梁住节点是钢管混凝土结构正常、安全工作
的关键。目前已有许多节点形式，但在工程实际应用中不尽人意，存在施工复杂、材料用量大、应用不灵活、理论与试验研究成果不完善等问题。因此，寻求新型的节点形式，使其具有承载力强、传力明确、受力合理、构造简单、施工方便达特征，成为目前钢管混凝土结构科研的主要方向。
6.3混凝土检测技术改进问题。钢管混凝土质量缺陷检测方法主要有小应变
法、直接钻芯取样法、超声波检测法、光纤传感监测系统等。在许多的检测方法中无论从结构完整性，还是经济适应角度看，无损检测是发展趋势，但它存在著精度不高的问题，在实际工作中应结合多种形式相结合才能得到更为准确的结果。
6.3钢管混凝土结构的养护问题。钢管混凝土在建成后，需要加强日常管理，
经常进行检查养护维修，比如混凝土成型12小时后及时浇水至少7天之内保持90%以上的潮湿度，发现有损坏表面、边角，及时进行采用同品质同强度的水泥砂浆进行修补，才能实现设计寿命。
7、结束语
钢管混凝土非常适用轴心受压或小偏心受压环境，在水利工程中处于这种环境下的结构很多，如水电站地下工房结构柱、拱形闸门桁架结构、渡槽排架等构件。我国南水北调中线穿黄方案中，就有钢管混凝土拱梁组合渡槽结构方案，为渡槽工程提供了新的设计思路。笔者希望有更多的水利工作者重视钢管混凝土，借鉴其他领域钢管混凝土应用的理论和实践经验，积极开展设计和施工理论、方法和技术等方面的研究。