浅析钢管砼结构的应用

[摘要]钢管砼结构是由砼填入钢管内而形成的一种新型组合结构。由于钢管砼结构能够更有效地发挥钢材和砼两种材料各自的优点,同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点。近年来,随着理论研究的深入和新施工工艺的产生,工程应用日益广泛。

[关键词]钢管砼 结构 应用

近几年来,随着城市高层建筑的日益发展,钢管砼结构逐渐被应用于高层建筑结构中,随着建筑物高度的增加,钢管高强砼和钢管超高强砼结构的应用也将会得到快速的发展。

钢管砼结构是由砼填入钢管内而形成的一种新型组合结构。由于钢管砼结构能够更有效地发挥钢材和砼两种材料各自的优点,同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点。近年来,随着理论研究的深入和新施工工艺的产生,工程应用日益广泛。钢管砼结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管砼结构、圆钢管砼结构和多边形钢管砼结构等,其中矩形钢管砼结构和圆钢管砼结构应用较广。

一、钢管砼结构的特点

砼的抗压强度高,但抗弯能力很弱,而钢材,特别是型钢的抗弯能力强,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。而钢管砼在结构上能够将二者的优点结合在一起,可使砼处于侧向受压状态,其抗压强度可成倍提高.同时由于砼的存在,提高了钢管的刚度,两者共同发挥作用,从而大大地提高了承载能力。钢管砼结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能,具体表现为以下几个方面:

1.承载力高、延性好,抗震性能优越。钢管砼柱中,钢管对其内部砼的约束作用使砼处于三向受压状态,提高了砼的抗压强度;钢管内部的砼又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明,钢管砼柱的承载力高于相应的钢管柱承载力和砼柱承载力之和。钢管和砼之间的相互作用使钢管内部砼的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏,构件的延性性能明显改善,耗能能力大大提高,具有优越的抗震性能。

2.施工方便,工期大大缩短。钢管砼结构施工时,钢管可以做为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量,施工不受砼养护时间的影响;由于钢管砼内部没有钢筋,便于砼的浇注和捣实;钢管砼结构施工时,不需要模板,既节省了支模、拆模的材料和人工费用,也节省了时间。

3.有利于钢管的抗火和防火。由于钢管内填有砼,能吸收大量的热能,因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀,增加了柱子的耐火时间,减慢钢柱的升温速度,并且一旦钢柱屈服,砼可以承受大部分的轴向荷载,防止结构倒塌。组合梁的耐火能力也会提高,因为钢梁的温度会从顶部翼缘把热量传递给砼而降低。经实验统计数据表明:达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3一2/3甚至更多,随着钢管直径增大,节约涂料也越多。

4.耐腐蚀性能优于钢结构。钢管中浇注砼使钢管的外露面积减少,受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多,抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。钢管砼构件的截面形式对钢管砼结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。圆钢管砼受压构件借助于圆钢管对其内部砼有效的约束作用,使钢管内部的砼处于三向受压状态,使砼具有更高的抗压强度。但是圆钢管砼结构的施工难度大,施工成本较高。相比之下,方钢管砼结构的施工较为方便,但钢管砼受到的约束作用较小,结构的承载力较低。

5.施工方面。钢管砼柱的零件较少,焊缝少,构造简单,柱脚常采用在棍凝土基础上预留杯口的插人式柱脚,因而工厂制造比较简单,同时构件自重较小,运输和吊装也较易,施工很简便,而且钢管馄凝土柱采用板材卷制,板材厚度都不大,一般在40m以内,无论工厂焊接和现场进行对接,都没有什么困难。同时,与钥筋砼柱相比,钢管砼柱的外皮钢管具有钢筋的功能,兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用,所以管内没钢筋,省了钢筋下料和绑扎钢筋等一系列工艺,又由于柱外皮钢管本身就是耐侧压的模板,同时也省了支模和拆模等工序。近年来,泵送砼相当普遍,现场浇注并无困难,我国创造并广泛使用的高位抛落不振捣砼的施工方法,更简化了现场浇筑砼的工序,简便了施工。也有在管柱下部开临时浇注孔,用砼泵自下而上灌注砼的方法,既快,又保证浇灌质量。而且,在浇筑后,钢管内处于相当稳定的湿度条件,水分不易蒸发,省去浇水养护工序,简化了砼的养护工艺。

在钢管构件的制作、安装要求方面:①钢管砼柱用的钢管,焊接、制作要求较高。一般应优先采用螺旋焊管,无螺旋焊接管时,也可以用滚床自行卷制钢管,但卷管的方向应与钢板压延方向垂直且对管的内径有一定的要求。焊接时除一般钢结构的制作要求外要严格保证管的平、直,不得有翘曲、表面锈蚀和冲击痕迹。特别是它对钢管内壁的除锈要求。可能会增加钢管的制作周期。②在构件制作过程中,钢管的对接是一个难点。结构要求焊后的管肢要平直,这就需要在焊接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响。管肢对接焊接前,对于小直径钢管应采用点焊定位.对于大直径钢管应另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定联焊。在钢管对接焊过程中,如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝,则该微裂缝部位必须全部铲除重焊。为了确保联接处的焊缝质量,在现场拼接时,在管内接缝处必须设置附加衬管。对于格构式柱要求往的肢管和各种腹杆的组装连接尺寸和角度必须准确。特别是腹杆与肢管联接处的间隙,应采用自动切管机按照相接面管的直径和角度切割成空间相交曲线的管端。

二、钢管砼结构研究的发展方向

1.高强度材料的应用。采用高强砼可以减轻结构自重、降低工程造价。随着砼强度的提高,其延性下降,这阻碍了它在实际工程中的应用。将高强砼灌入钢管中形成高强钢管砼,由于受到钢管的约束作用,砼处于三向受压状态,其延性将大为提高,而其构件的承载力也得到了相应的提高。因此,高强钢管砼具有很大的发展潜力。

2.节点动力性能的研究。节点是结构设计中的关键部位,也是施工的难点。对于钢管砼节点,其合理与否直接关系到结构的安全性和整个工程的造价。钢管砼节点可以分为两种;钢管砼柱与钢筋砼梁的连接节点和钢管砼柱与钢梁的连接节点。目前,国内对于钢管砼节点静力性能的研究较多,而对于节点动力性能的研究报导还较少。

3.耐火性能的研究。我国还没有制定针对钢管砼结构的防火规定。对于已经建成的钢管砼结构,有的采用钢筋砼结构的要求外包砼,有的按照钢结构的要求涂防火材料,都没有统一规定和科学的依据。近年来,国内学者就钢管砼的耐火性能问题进行了研究,已经取得了可喜的成绩;应尽快编制出适合我国国情的钢管砼结构防火规范。

4.钢管砼结构体系抗震性能的研究。在对采用钢管砼柱及钢筋砼柱的框架结构进行了抗震性能的对比试验研究;并从理论上分析比较了两种结构的动力性能,得出了钢管砼框架结构的抗震性能明显优于钢筋砼框架结构的结论。但目前对钢管砼结构抗震性能的研究,主要还是集中在基本构件方面,而对于钢管砼整体结构的抗震性能的研究还不多。应开展这方面充分的研究,以提供合理的抗震设计参数,便于工程应用。

5.矩形钢管砼结构的研究。矩形钢管砼结构中,钢管对于其内部砼的约束作用相对较弱,但是它具有节点形式简单,便于施工等优点。国外学者对矩形钢管砼结构已进行了大量的研究,制定了相应的设计规程,在工程应用上也取得了很大的进展。我国的矩形钢管砼结构的设计施工规程尚在制定中。与钢筋砼结构和钢结构相比,钢管砼结构是一种相对年轻的结构形式。随着其理论研究的深入和完善,新型施工工艺的产生和高性能材料的应用,钢管砼结构的应用范围将不断扩大。

特别不便于施工。穿心板的制作也很麻烦,而且还会妨碍管内砼的浇注和振捣。一般仅在大直径钢管砼中使用。

6.薄壁离心钢管砼结构。薄壁离心钢管砼结构是介于钢筋砼环形杆和钢管杆之间的一种新型钢—砼复合结构,该结构既可以充分发挥钢和砼两种材料的物理力学性能,又可避免这两种材料在各自单独实用条件下的弱点,具有良好的共同工作和力学性能。我国从1984年起,开始该结构研究试验,目前关于该种结构的基本计算理论、技术规程、制造工艺以及施工及验收规程均图#以编制出版,已形成较为完整的体系。

该种结构与传统的其它结构相比具有以下优缺点:(1)与钢筋砼电杆相比,其优点为:在使用钢材相同的情况下,可减小断面,减轻重量;简化制造工艺,不需要钢模,提高劳动生产率;抗震和抗冲击能力强,运输、安装破损少,搬运及立塔施工方便;可解决砼杆所普遍存在的裂缝问题,延长使用寿命;不需预埋件、抱箍等附件,连接方便;提高了构件及工程的美观效果。(2)与钢管结构或普通钢结构相比,其优点为:节省25-50%的钢材,降低造价20-40%左右;提高局部稳定性;解决钢管内壁防腐问题。

参考文献:

[1]钢管砼结构设计与施工规程(CECS 28:90)

[2]中国建筑科学研究院 PKPM系列.STS用户手册及技术条件.

[3]钟善桐.钢管砼结构.第3版.