06級防災減災工程與防護工程劉勇(06114240)
1、 前言
鋼管混凝土即在薄壁鋼管內填充普通混凝土，將兩種不同性質的材料組合而形成的復合結構，它是將鋼管結構和鋼筋混凝土結構的優點結合在一起而發展起來的新型結構。由於鋼管混凝土結構能夠更有效地發揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優點，同時克服了鋼管結構容易發生區域性屈曲的缺點。鋼管混凝土作為一種結構構件形式最早在十九世紀八十年代被設計應用做橋墩，然後隨著科學技術的提高使它的應用範圍得到了很大的擴充套件。
從八十年代末開始，鋼管混凝土在我國的土建工程中的應用發展很快。近年來，隨著理論研究的深入和新施工工藝的產生，工程應用日益廣泛。鋼管混凝土結構按照截面形式的不同可以分為矩形鋼管混凝土結構、圓鋼管混凝土結構和多邊形鋼管混凝土結構等，其中矩形鋼管混凝土結構和圓鋼管混凝土結構應用較廣泛。
2、 鋼管混凝土結構的特點
， 混凝土的抗壓強度高，但抗彎能力很弱，而鋼材，特別是型鋼的抗彎能力強，具有良好的彈塑性，但在受壓時容易失穩而喪失軸向抗壓能力。而鋼管混凝土在結構上能夠將二者的優點結合在一起，可使混凝土處於側向受壓狀態，其抗壓強度可成倍提高。同時由於混凝土的存在，提高了鋼管的剛度，兩者共同發揮作用，從而大大地提高了承載能力。
鋼管混凝土柱在荷載作用下的應力狀態和應力路徑是十分複雜的，僅以常用的一種載入方式為例，對其受力、變形特點進行簡單剖析。據有關大量實驗表明，，同時將產生橫向變形。橫向應變與縱向應變的關係為，（式中的分別為縱向、環向應變，μ為材料的泊松比，下標s，c分別代表鋼管和核心混凝土)。
在軸向力n作用下鋼管和核心砼的變形是協調的，即。鋼材的泊松在彈性階段為一常數(o.283)，進入塑性階段(應力達屈服點時)增大至0.
5而保持不變。而混凝土的橫向變形係數則為變數，可以從低應力時的0．17增加到0．5至1．0甚至大於1.0。
由上式可見，鋼管混凝土在軸心壓力n作用下，開始時，
n 鋼管
p混凝土
n 圖1 試件軸壓時的內力狀態
故,但在很快趕上,則=,而,隨後》，。這說明鋼管混凝土在壓力n作用下混凝土向外的橫向變形大於鋼管向外的橫向變形。鋼管約束了砼，在鋼管與混凝土之間產生了相互作用力p，稱為緊箍力。
從而使鋼管縱向和徑向受壓而環向受拉，混凝土則處於三向受壓狀態。這樣一來就大大提高了混凝土的抗壓強度，同時塑性效能得到了很大的改善。在工作性質上起了質的變化。
由原來的脆性材料轉變為塑性材料，這一轉變決定了鋼管混凝土這種結構形式的基本性質和特點。
2、1優點
2.1.1 承載力高
鋼管混凝土強度提高的原因，主要是構件受壓時，由於鋼管和混凝土的泊松係數不同，隨著荷載的增加，鋼管由彈性工作狀態進入塑性工作狀態，其泊松係數由0.283增大到0.5後就保持不變；而混凝土的泊松係數大約由0.
2增大到0.5以後仍繼續增大。這時鋼管始終對填入的混凝土產生緊箍力，這樣鋼管和混凝土都處在三向應力狀態下工作，因而抗壓強度和變形能力都得到極大的提高。
鋼管內部的混凝土又可以有效地防止鋼管發生區域性屈曲。研究表明，鋼管混凝土柱的承載力高於相應的鋼管柱承載力和混凝土柱承載力之和。經有關專家實驗和理論分析證明鋼管混凝土受壓構件強度承載力可以達到鋼管和混凝土單獨承載力之和1.
7～2.0倍。
2.1.2 延性好
據有關實驗資料表明：鋼管混凝土軸向壓縮到原長的2／3，構件表面已褶曲，但仍有一定的承載能力，可見塑性之好。在壓彎剪迴圈荷載作用下，水平力與位移之間的滯回曲線十分飽滿，吸能能力很好，基本無剛度退化。
鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內部混凝土的破壞由脆性破壞轉變為塑性破壞，構件的延性效能明顯改善。
2.1.3 抗震效能優越
抗震效能是指在動荷載或**作用下，具有良好的延性和吸能性。在這方面，鋼管混凝土構件要比鋼筋混凝土構件強得多。在壓彎反覆荷載作用下，彎矩曲率滯回曲線表明，結構的吸能效能特別好，無剛度退化，且無下降段，不喪失區域性穩定性的鋼柱相同。
但在一些建築中，鋼柱常常要採用很厚的鋼板以確保區域性穩定性，但還常發生塑性彎曲後喪失區域性穩定。因此，鋼管混凝土柱的抗震效能也優於鋼柱。
此外，高層建築中和鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土柱的自重大幅度減小，**作用引起的**反應也將減小。據有關資料分析，高層建築中採用鋼管混凝土柱和鋼梁等結構體系比採用鋼筋混凝土結構自重可以減少1／3～1／2。**作用可以減小一半，相當於設防烈度下降一度。
這將意味著結構構件截面尺寸的進一步減小。同時基礎的負荷也相應減少，由此降低了基礎造價。
2.1.4 施工方便
鋼管混凝土結構施工時，鋼管可以作為勁性骨架承擔施工階段的施工荷載和結構重量，施工不受混凝土養護時間的影響。該種結構形式和鋼結構相比零件少，焊縫短，可以採用構造簡單的插入式柱腳，免去了複雜的柱腳構造。和鋼筋混凝土柱相比，由於鋼管本身就是耐側壓的模板，因此在澆灌混凝土時可以免去支模、拆模等工和料。
鋼管還是「鋼筋」，它兼有混凝土柱中縱向受拉、受壓鋼筋和橫向箍筋之作用。從施工過程看製作鋼管遠比製作鋼筋骨架省工得多，而且便於澆灌。鋼管本身就是勁性結構構件，在施工階段可以起勁性鋼骨架的作用，節省了許多支撐構件和腳手架，簡化了施工安裝工藝。
2.1.5 防火耐火效能好
鋼管混凝土的耐火性比鋼結構好，由於鋼管內填有混凝土，能吸收大量的熱能，混凝土的導熱係數低而比熱大，因此遭受火災時管柱截面溫度場的分布很不均勻，越到中心，溫度越滯後，增加了柱子的耐火時間。經實驗統計資料表明：達到一級耐火3小時要求和鋼柱相比可節約防火塗料1／3～2／3甚至更多，隨著鋼管直徑增大，節約塗料也越多。
2.1.6 耐腐蝕性強
鋼管中澆注混凝土使鋼管的外露面積減少，受外界氣體腐蝕面積比鋼結構少得多，抗腐和防腐所需費用比鋼結構節省。
2、2缺點
儘管鋼管混凝土結構的優點很多，但是由於它自身的特性決定了它尚存在的一些弊端。
2.2.1 使用範圍有限
從現已建成的眾多建築來看，鋼管混凝土的使用範圍還僅限於柱、橋墩、拱架等。目前還很少有使用鋼管混凝土梁的先例。這是因為梁一般都做成矩形。
而矩形的鋼管混凝土受力比較複雜而且構造要求繁瑣，經濟效益不佳。
2.2.2 鋼管混凝土構件連線構造的缺點
(1)當鋼管混凝土柱與混凝土梁連線時，就必須借助於柱上的牛腿和加強板。如果與柱連線的梁較多且不在同一標高時，就會有許多的牛腿和加強板。如果採用明牛腿可能在美觀上會受到影響。
如果用暗牛腿，又會給澆灌混凝土帶來不便，影響施工進度。
(2)當鋼管混凝土柱與無樑蓋連線時，尤其是採用公升板法施工時，板與柱的連線構造是相當複雜的，會直接影響到施工的進度。
(3)為了能夠充分發揮鋼管混凝土的承載力，鋼管混凝土的連線應盡可能地將連線力可靠地傳遞到核心混凝土上。常採用柱頂蓋板、柱腳底板和層間隔板、穿心板等來實現。當然前提條件必須是應保證管內混凝土的密實，做到這一點也是不易的。
橫隔板和上、下柱的連線是比較繁瑣的，尤其是對於小直徑管，特別不便於施工。穿心板的製作也很麻煩，而且還會妨礙管內混凝土的澆注和振搗,一般僅在大直徑鋼管混凝土中使用。
2.2.3 鋼管構件的製作、安裝具有一定難度和繁鎖性
(1)鋼管混凝土柱用的鋼管，焊接、製作要求較高,一般應優先採用螺旋焊管，無螺旋焊接管時。焊接時除一般鋼結構的製作要求外要嚴格保證管的平、直,不得有翹曲，表面鏽蝕和衝擊痕跡。特別是它對鋼管內壁的除鏽要求，可能會增加鋼管的製作週期。
顯然在製作難度上也較普通鋼結構高。
(2)在構件製作過程中，鋼管的對接是乙個難點。結構要求焊後的管肢要平直，這就需要在焊接時採取相應的措施和特別注意焊接的順序以及考慮到焊接變形的影響。管肢對接焊接前，對於小直徑鋼管應採用點焊定位，對於大直徑鋼管應另用附加鋼筋焊於鋼管外壁作臨時固定聯焊。
在鋼管對接焊接過程中，如發現點焊定位處的焊縫出現微裂縫，則該微裂縫部位必須全部剷除重焊。為了確保聯接處的焊縫質量，在現場拼按時，在管內接縫處必須設定附加襯管。對於格構式柱要求柱的肢管和各種腹杆的組裝連線尺寸和角度必須準確。
特別是腹杆與肢管聯接處的間隙應採用自動切管機按照相接面管的直徑和角度切割成空間相交曲線的管端。在高層建築中常常採用變徑的鋼管，變徑管的對接就又是乙個施工難點，變徑處節點構造較為複雜，無疑會影響到施工的進度。
2.2.4 從質量檢查及施工方法上看，這種結構構件形式也是存在弊端的
(1)鋼管混凝土柱管內混凝土的澆注屬於隱蔽工程，混凝土的澆灌質量是無法直觀檢查的。當採用人工澆灌並振搗時，只能依靠操作人員的責任心和嚴密的施工組織管理來保證施工質量。如果超聲脈衝檢測發現有不密實部位，就得將鋼管鑽孔壓漿補強，然後再將鑽孔補焊封固。
所以無論從質量檢測還是完善施工質量都是較為費工的。
(2)從混凝土澆灌方面看，如果採用幫浦送頂公升法，施工就必須有與之配套的幫浦及輸送裝置，而且對粗骨料的粒徑、水灰比、坍落度要求比較嚴格。採用高位拋落法施工，混凝土的配合比要求亦很嚴格。必須先進行配合比實驗來確定水灰比，然後才可以正式澆注。
因此，無論採用哪種方式施工，都必須有嚴密的施工組織管理。
3、 鋼管混凝土結構的技術經濟評價
鋼管混凝土結構由於自身的特點，使其在技術經濟上優於其他結構。深圳賽格廣場大廈，柱子最大軸壓達90000kn，截面為φ1600×28，採用q345鋼材和c60混凝土。若要設計成鋼筋混凝土柱時，則為2200×2400，c60混凝土。
由此可見，用鋼管混凝土柱代替鋼筋混凝土柱時，柱子截面減少一半以上。事實上，該工程由於採用了鋼管混凝土柱，和採用鋼筋混凝土柱時相比，節約了3000m的使用面積。此外，在此工程中，與鋼筋混凝土柱相比，省去了大量混凝土並減輕自重60％以上，這除了增加有效使用面積，還對減輕基礎負擔十分有利。
和鋼柱相比，雖然增加了一些自重，但柱子所佔空間一般相差不大，而且耗鋼量卻可節約50％以上。又如上海市人民廣場大型地下停車場(二層)的400根柱子，用鋼管混凝土柱比用鋼筋混凝土柱每層節省有效面積160m，兩層共節省320m。
隨著高強混凝土的發展，c60在國內城市中以被較普遍使用，有些甚至已採用c70或c80，從而提高了鋼管混凝土柱的承載力，節約混凝土。但是高強混凝土的強度雖得到提高，卻增加了脆性，降低了結構的安全可靠性。鋼管混凝土中的核心混凝土處於三向壓應力狀態下，極大地改善了效能，防止發生脆性破壞，即高強混凝土只有用於鋼管混凝土柱，才能發揮高強混凝土的強度。
鋼管混凝土結構與傳統結構進行經濟對比分析，在造價、耗材、施工等各方面的綜合經濟效益顯著。特別是鋼管高強和超高強混凝土結構：同等承載力條件下，鋼管混凝土柱比普通混凝土柱節約混凝土在50％以上；幾乎省去全部的模板，耗鋼量略多或約略相等。
與普通鋼柱相比可節約鋼材約在50％以上，造價也可降低。
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