[摘要]鋼管砼結(jié)構(gòu)是由砼填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)。由于鋼管砼結(jié)構(gòu)能夠更有效地發(fā)揮鋼材和砼兩種材料各自的優(yōu)點,同時克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點。近年來,隨著理論研究的深入和新施工工藝的產(chǎn)生,工程應(yīng)用日益廣泛。
[關(guān)鍵詞]鋼管砼 結(jié)構(gòu) 應(yīng)用
近幾年來,隨著城市高層建筑的日益發(fā)展,鋼管砼結(jié)構(gòu)逐漸被應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)中,隨著建筑物高度的增加,鋼管高強砼和鋼管超高強砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也將會得到快速的發(fā)展。
鋼管砼結(jié)構(gòu)是由砼填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)。由于鋼管砼結(jié)構(gòu)能夠更有效地發(fā)揮鋼材和砼兩種材料各自的優(yōu)點,同時克服了鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點。近年來,隨著理論研究的深入和新施工工藝的產(chǎn)生,工程應(yīng)用日益廣泛。鋼管砼結(jié)構(gòu)按照截面形式的不同可以分為矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)、圓鋼管砼結(jié)構(gòu)和多邊形鋼管砼結(jié)構(gòu)等,其中矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)和圓鋼管砼結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣。
一、鋼管砼結(jié)構(gòu)的特點
砼的抗壓強度高,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(wěn)而喪失軸向抗壓能力。而鋼管砼在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點結(jié)合在一起,可使砼處于側(cè)向受壓狀態(tài),其抗壓強度可成倍提高.同時由于砼的存在,提高了鋼管的剛度,兩者共同發(fā)揮作用,從而大大地提高了承載能力。鋼管砼結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展是由于它具有良好的受力性能和施工性能,具體表現(xiàn)為以下幾個方面:
1.承載力高、延性好,抗震性能優(yōu)越。鋼管砼柱中,鋼管對其內(nèi)部砼的約束作用使砼處于三向受壓狀態(tài),提高了砼的抗壓強度;鋼管內(nèi)部的砼又可以有效地防止鋼管發(fā)生局部屈曲。研究表明,鋼管砼柱的承載力高于相應(yīng)的鋼管柱承載力和砼柱承載力之和。鋼管和砼之間的相互作用使鋼管內(nèi)部砼的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?構(gòu)件的延性性能明顯改善,耗能能力大大提高,具有優(yōu)越的抗震性能。
2.施工方便,工期大大縮短。鋼管砼結(jié)構(gòu)施工時,鋼管可以做為勁性骨架承擔(dān)施工階段的施工荷載和結(jié)構(gòu)重量,施工不受砼養(yǎng)護時間的影響;由于鋼管砼內(nèi)部沒有鋼筋,便于砼的澆注和搗實;鋼管砼結(jié)構(gòu)施工時,不需要模板,既節(jié)省了支模、拆模的材料和人工費用,也節(jié)省了時間。
3.有利于鋼管的抗火和防火。由于鋼管內(nèi)填有砼,能吸收大量的熱能,因此遭受火災(zāi)時管柱截面溫度場的分布很不均勻,增加了柱子的耐火時間,減慢鋼柱的升溫速度,并且一旦鋼柱屈服,砼可以承受大部分的軸向荷載,防止結(jié)構(gòu)倒塌。組合梁的耐火能力也會提高,因為鋼梁的溫度會從頂部翼緣把熱量傳遞給砼而降低。經(jīng)實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:達到一級耐火3小時要求和鋼柱相比可節(jié)約防火涂料1/3一2/3甚至更多,隨著鋼管直徑增大,節(jié)約涂料也越多。
4.耐腐蝕性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。鋼管中澆注砼使鋼管的外露面積減少,受外界氣體腐蝕面積比鋼結(jié)構(gòu)少得多,抗腐和防腐所需費用也比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省。鋼管砼構(gòu)件的截面形式對鋼管砼結(jié)構(gòu)的受力性能、施工難易程度、施工工期和工程造價都有很大的影響。圓鋼管砼受壓構(gòu)件借助于圓鋼管對其內(nèi)部砼有效的約束作用,使鋼管內(nèi)部的砼處于三向受壓狀態(tài),使砼具有更高的抗壓強度。但是圓鋼管砼結(jié)構(gòu)的施工難度大,施工成本較高。相比之下,方鋼管砼結(jié)構(gòu)的施工較為方便,但鋼管砼受到的約束作用較小,結(jié)構(gòu)的承載力較低。
5.施工方面。鋼管砼柱的零件較少,焊縫少,構(gòu)造簡單,柱腳常采用在棍凝土基礎(chǔ)上預(yù)留杯口的插人式柱腳,因而工廠制造比較簡單,同時構(gòu)件自重較小,運輸和吊裝也較易,施工很簡便,而且鋼管餛凝土柱采用板材卷制,板材厚度都不大,一般在40m以內(nèi),無論工廠焊接和現(xiàn)場進行對接,都沒有什么困難。同時,與鑰筋砼柱相比,鋼管砼柱的外皮鋼管具有鋼筋的功能,兼有縱向鋼筋和橫向箍筋的作用,所以管內(nèi)沒鋼筋,省了鋼筋下料和綁扎鋼筋等一系列工藝,又由于柱外皮鋼管本身就是耐側(cè)壓的模板,同時也省了支模和拆模等工序。近年來,泵送砼相當普遍,現(xiàn)場澆注并無困難,我國創(chuàng)造并廣泛使用的高位拋落不振搗砼的施工方法,更簡化了現(xiàn)場澆筑砼的工序,簡便了施工。也有在管柱下部開臨時澆注孔,用砼泵自下而上灌注砼的方法,既快,又保證澆灌質(zhì)量。而且,在澆筑后,鋼管內(nèi)處于相當穩(wěn)定的濕度條件,水分不易蒸發(fā),省去澆水養(yǎng)護工序,簡化了砼的養(yǎng)護工藝。
在鋼管構(gòu)件的制作、安裝要求方面:①鋼管砼柱用的鋼管,焊接、制作要求較高。一般應(yīng)優(yōu)先采用螺旋焊管,無螺旋焊接管時,也可以用滾床自行卷制鋼管,但卷管的方向應(yīng)與鋼板壓延方向垂直且對管的內(nèi)徑有一定的要求。焊接時除一般鋼結(jié)構(gòu)的制作要求外要嚴格保證管的平、直,不得有翹曲、表面銹蝕和沖擊痕跡。特別是它對鋼管內(nèi)壁的除銹要求�？赡軙黾愉摴艿闹谱髦芷�。②在構(gòu)件制作過程中,鋼管的對接是一個難點。結(jié)構(gòu)要求焊后的管肢要平直,這就需要在焊接時采取相應(yīng)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,對于小直徑鋼管應(yīng)采用點焊定位.對于大直徑鋼管應(yīng)另用附加鋼筋焊于鋼管外壁作臨時固定聯(lián)焊。在鋼管對接焊過程中,如發(fā)現(xiàn)點焊定位處的焊縫出現(xiàn)微裂縫,則該微裂縫部位必須全部鏟除重焊。為了確保聯(lián)接處的焊縫質(zhì)量,在現(xiàn)場拼接時,在管內(nèi)接縫處必須設(shè)置附加襯管。對于格構(gòu)式柱要求往的肢管和各種腹桿的組裝連接尺寸和角度必須準確。特別是腹桿與肢管聯(lián)接處的間隙,應(yīng)采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。
二、鋼管砼結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展方向
1.高強度材料的應(yīng)用。采用高強砼可以減輕結(jié)構(gòu)自重、降低工程造價。隨著砼強度的提高,其延性下降,這阻礙了它在實際工程中的應(yīng)用。將高強砼灌入鋼管中形成高強鋼管砼,由于受到鋼管的約束作用,砼處于三向受壓狀態(tài),其延性將大為提高,而其構(gòu)件的承載力也得到了相應(yīng)的提高。因此,高強鋼管砼具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?nbsp;
2.節(jié)點動力性能的研究。節(jié)點是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵部位,也是施工的難點。對于鋼管砼節(jié)點,其合理與否直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和整個工程的造價。鋼管砼節(jié)點可以分為兩種;鋼管砼柱與鋼筋砼梁的連接節(jié)點和鋼管砼柱與鋼梁的連接節(jié)點。目前,國內(nèi)對于鋼管砼節(jié)點靜力性能的研究較多,而對于節(jié)點動力性能的研究報導(dǎo)還較少。
3.耐火性能的研究。我國還沒有制定針對鋼管砼結(jié)構(gòu)的防火規(guī)定。對于已經(jīng)建成的鋼管砼結(jié)構(gòu),有的采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)的要求外包砼,有的按照鋼結(jié)構(gòu)的要求涂防火材料,都沒有統(tǒng)一規(guī)定和科學(xué)的依據(jù)。近年來,國內(nèi)學(xué)者就鋼管砼的耐火性能問題進行了研究,已經(jīng)取得了可喜的成績;應(yīng)盡快編制出適合我國國情的鋼管砼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范。
4.鋼管砼結(jié)構(gòu)體系抗震性能的研究。在對采用鋼管砼柱及鋼筋砼柱的框架結(jié)構(gòu)進行了抗震性能的對比試驗研究;并從理論上分析比較了兩種結(jié)構(gòu)的動力性能,得出了鋼管砼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)論。但目前對鋼管砼結(jié)構(gòu)抗震性能的研究,主要還是集中在基本構(gòu)件方面,而對于鋼管砼整體結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究還不多。應(yīng)開展這方面充分的研究,以提供合理的抗震設(shè)計參數(shù),便于工程應(yīng)用。
5.矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)的研究。矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)中,鋼管對于其內(nèi)部砼的約束作用相對較弱,但是它具有節(jié)點形式簡單,便于施工等優(yōu)點。國外學(xué)者對矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)已進行了大量的研究,制定了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)程,在工程應(yīng)用上也取得了很大的進展。我國的矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工規(guī)程尚在制定中。與鋼筋砼結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比,鋼管砼結(jié)構(gòu)是一種相對年輕的結(jié)構(gòu)形式。隨著其理論研究的深入和完善,新型施工工藝的產(chǎn)生和高性能材料的應(yīng)用,鋼管砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍將不斷擴大。
特別不便于施工。穿心板的制作也很麻煩,而且還會妨礙管內(nèi)砼的澆注和振搗。一般僅在大直徑鋼管砼中使用。
6.薄壁離心鋼管砼結(jié)構(gòu)。薄壁離心鋼管砼結(jié)構(gòu)是介于鋼筋砼環(huán)形桿和鋼管桿之間的一種新型鋼―砼復(fù)合結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)既可以充分發(fā)揮鋼和砼兩種材料的物理力學(xué)性能,又可避免這兩種材料在各自單獨實用條件下的弱點,具有良好的共同工作和力學(xué)性能。我國從1984年起,開始該結(jié)構(gòu)研究試驗,目前關(guān)于該種結(jié)構(gòu)的基本計算理論、技術(shù)規(guī)程、制造工藝以及施工及驗收規(guī)程均圖#以編制出版,已形成較為完整的體系。
該種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)缺點:(1)與鋼筋砼電桿相比,其優(yōu)點為:在使用鋼材相同的情況下,可減小斷面,減輕重量;簡化制造工藝,不需要鋼模,提高勞動生產(chǎn)率;抗震和抗沖擊能力強,運輸、安裝破損少,搬運及立塔施工方便;可解決砼桿所普遍存在的裂縫問題,延長使用壽命;不需預(yù)埋件、抱箍等附件,連接方便;提高了構(gòu)件及工程的美觀效果。(2)與鋼管結(jié)構(gòu)或普通鋼結(jié)構(gòu)相比,其優(yōu)點為:節(jié)省25-50%的鋼材,降低造價20-40%左右;提高局部穩(wěn)定性;解決鋼管內(nèi)壁防腐問題。
參考文獻:
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