摘要:綜述了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)理論研究及應(yīng)用的現(xiàn)狀和新進(jìn)展.對(duì)鋼管混凝土的靜力性能,長期荷載作用下的力學(xué)性能、動(dòng)力性能及耐火性能等研究成果做了概述,并對(duì)其粘結(jié)性能研究、鋼管高強(qiáng)高性能混凝土研究、火災(zāi)后剩余承載力研究等最新研究進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹.總結(jié)了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在拱橋和高層超高層建筑中的應(yīng)用,并對(duì)其需要進(jìn)一步深入研究的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了探討.

　　關(guān)鍵詞:鋼管混凝土結(jié)構(gòu) 力學(xué)性能 工程實(shí)踐 研究進(jìn)展

　　Abstract: reviewed the theory research of concrete filled steel tubular structure and application of the present situation and new progress. Of the concrete filled steel tube of static performance, long-term load the mechanical properties, the dynamic performance and refractory properties research results is given, and the bond properties research, steel tube high strength of the high performance concrete research, after expoure to research the latest research progress and key technology are introduced in this paper. The concrete filled steel tube structure in the summary arch bridge and top tall building, the application of the need to be further studied are the key technical problems are discussed.

　　Keywords: steel tube concrete structure mechanics performance engineering practice research development

　　中圖分類號(hào)：TU37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

　　鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是指在鋼管中填充混凝土而成的構(gòu)件,按照截面形式的不同分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土、矩形鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土構(gòu)件等.它利用了鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中相互之間的組合作用,充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)點(diǎn),不僅使混凝土的強(qiáng)度大大提高,塑性和韌性大為改善,而且可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲,從而使鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好以及施工方便等優(yōu)點(diǎn).

　　1　鋼管混凝土結(jié)構(gòu)理論研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

　　1.1　鋼管混凝土統(tǒng)一理論組成鋼管混凝土的鋼管和混凝土在受力過程中的相互作用是形成鋼管混凝土具有一系列優(yōu)越的力學(xué)性能的關(guān)鍵.也正是由于對(duì)這種相互作用的研究出發(fā)點(diǎn)不同,形成了不同的研究方法,其區(qū)別在于如何估算鋼管和混凝土之間相互約束而產(chǎn)生的“效應(yīng)”.這種效應(yīng)的存在,形成了鋼管混凝土構(gòu)件的固有特性,從而導(dǎo)致了其力學(xué)性能的復(fù)雜性.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(原哈爾濱建筑大學(xué))經(jīng)過多年研究率先提出把兩種材料組成的構(gòu)件作為統(tǒng)一體來研究其綜合性能的“統(tǒng)一理論”[5,6],使得鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究成為理論完整的新體系,改變了傳統(tǒng)方法,并給設(shè)計(jì)帶來了許多方便.“統(tǒng)一理論”的基本思想為:分別確定鋼材和核心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,然后利用數(shù)值分析方法計(jì)算出各類構(gòu)件(如軸壓、軸拉、純彎曲、純扭轉(zhuǎn)和純剪切)的綜合荷載-變形全過程關(guān)系曲線,由這些關(guān)系曲線推導(dǎo)出鋼管混凝土的各種綜合力學(xué)性能指標(biāo)(如軸壓和軸拉模量、軸壓和軸拉強(qiáng)度指標(biāo)、抗彎模量和抗彎剛度、剪切模量和剪切剛度等).由于計(jì)算時(shí)采用的鋼材及核心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型中已包含了鋼材和混凝土二者相互作用的效應(yīng),因而在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)性能指標(biāo)中自然也就包含了這種效應(yīng).利用這些指標(biāo)和構(gòu)件的幾何性質(zhì)參數(shù)(如截面積、抗彎和抗扭抵抗矩及慣性矩等)可直接計(jì)算構(gòu)件的承載力,概念清楚,計(jì)算方便.對(duì)于各種復(fù)雜受力(如壓彎、彎扭、壓彎扭等)的情況,同樣可以計(jì)算出不同加載路徑下的荷載-變形全過程關(guān)系曲線,并基于此推導(dǎo)各種荷載作用下的極限準(zhǔn)則,利用所獲得的綜合力學(xué)性能指標(biāo)推導(dǎo)各種荷載作用下各自相應(yīng)的承載力計(jì)算公式,并使其相互銜接起來,概念清楚,符合實(shí)用原則,最終形成了鋼管混凝土統(tǒng)一理論,并用統(tǒng)一理論的思想指導(dǎo)鋼管混凝土的研究.在該理論的指導(dǎo)下,還可以進(jìn)行鋼管高強(qiáng)度混凝土的力學(xué)性能與設(shè)計(jì)方法以及鋼管混凝土耐火性能與防火設(shè)計(jì)方法的研究.

　　1.2　鋼管混凝土的靜力性能近幾十年來,國內(nèi)外對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件在靜力作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析,取得了豐富的成果,基本都反映在各國的設(shè)計(jì)規(guī)范中.我國的研究者在大量試驗(yàn)研究和參數(shù)分析的基礎(chǔ)上,建立了基于統(tǒng)一理論的鋼管混凝土軸壓構(gòu)件、彎曲構(gòu)件、偏壓(壓彎)構(gòu)件等的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式,并且在圓鋼管、方鋼管和矩形鋼管混凝土構(gòu)件方面都取得了相應(yīng)的成果,已應(yīng)用在電力規(guī)范(DL/T 5085—1999)、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB 4142—2000)和正在編制的《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》之中.

　　1.3　長期荷載作用下鋼管混凝土柱力學(xué)性能徐變和收縮是混凝土在長期荷載作用下的固有特性.由于核心混凝土的壓縮徐變與收縮,將導(dǎo)致混凝土模量的降低,同時(shí)在鋼管和核心混凝土之間產(chǎn)生內(nèi)力重分布,使鋼管應(yīng)力增加,從而導(dǎo)致鋼材應(yīng)力進(jìn)入塑性階段,鋼管發(fā)生局部屈曲.因此,核心混凝土的徐變與收縮現(xiàn)象將影響到整個(gè)鋼管混凝土構(gòu)件的剛度和承載力.在長期荷載作用下,核心混凝土的工作具有以下特點(diǎn):一是核心混凝土處于密閉狀態(tài),和周圍環(huán)境基本沒有濕度交換;二是核心混凝土的收縮會(huì)受到其外包鋼管的限制作用;三是在受力過程中,當(dāng)核心混凝土的泊松比大于鋼管的泊松比時(shí),將會(huì)受到鋼管的有效約束而處于復(fù)雜受力狀態(tài).這些都會(huì)影響到混凝土的徐變和收縮變形,從而使得鋼管混凝土的徐變與收縮性能更為復(fù)雜.國內(nèi)學(xué)者曾研究過圓鋼管混凝土在長期荷載作用下的力學(xué)性能,鑒于鋼管混凝土的收縮與徐變相比影響較小且在以往鋼管混凝土計(jì)算公式中已考慮了早期收縮,故研究著重于徐變問題.研究結(jié)果顯示:對(duì)于軸壓短柱或偏壓短柱,無論荷載比的高低,徐變對(duì)構(gòu)件的承載力都沒有顯著影響.

　　1.4　鋼管混凝土的動(dòng)力性能近些年,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土的動(dòng)力性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,我國也進(jìn)行了一些相關(guān)研究,但目前國內(nèi)外對(duì)鋼管混凝土的動(dòng)力性能研究基本上只限于試驗(yàn)研究,尚沒有提供可供規(guī)范使用的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)公式.由于鋼管混凝土柱的抗震性能(延性和耗能性能)優(yōu)于鋼筋混凝土柱,因此,在沒有進(jìn)行更多的專門研究之前,對(duì)由鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土橫梁組成的框架結(jié)構(gòu),其抗震等級(jí)的劃分和計(jì)算參數(shù)暫按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行[3],這樣的處理顯然是偏于安全的,但也是比較粗糙的.

　　2　鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1　鋼管混凝土中鋼與混凝土粘結(jié)問題的研究組成鋼管混凝土的鋼和混凝土材料在受力過程中的相互作用,是鋼管混凝土具有一系列優(yōu)越力學(xué)性能的根本原因,也正是由于這種相互作用,構(gòu)成了鋼管混凝土力學(xué)性能的復(fù)雜性.“統(tǒng)一理論”的基本假定也是建立在鋼管與混凝土能夠共同工作的基礎(chǔ)之上的.鋼管混凝土中鋼與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度是保證這種組合材料共同工作的前提.初步研究表明:保證核心混凝土密實(shí)和構(gòu)件兩端加蓋板焊接密封是二者共同工作的關(guān)鍵,對(duì)于鋼管混凝土并不需要采用其他措施來加強(qiáng)其二者的共同作用.另一方面,粘結(jié)強(qiáng)度的大小是荷載傳遞的關(guān)鍵,鋼管混凝土構(gòu)件的截面形狀、混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期,尤其澆注方式等對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度影響較大.混凝土的澆注質(zhì)量對(duì)其粘結(jié)性能的影響也是需要繼續(xù)進(jìn)行研究的一個(gè)主要方向.

　　2.2　鋼管高強(qiáng)高性能混凝土的研究高強(qiáng)混凝土具有耐久、高強(qiáng)度和變形小等優(yōu)點(diǎn),目前在橋梁工程、房屋建筑工程、港口海洋工程、地下工程等方面都有較為廣泛的應(yīng)用.然而,高強(qiáng)混凝土具有脆性大、延性比普通混凝土差的缺點(diǎn).單軸受壓下,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在達(dá)到峰值后急劇下降,尤其在復(fù)雜受力狀態(tài)下,將由脆性破壞控制,其工作的可靠性大大降低.如果將高強(qiáng)度混凝土灌入鋼管中形成鋼管高強(qiáng)度混凝土,高強(qiáng)度混凝土受到鋼管的有效約束,其延性將大為增強(qiáng).此外,在復(fù)雜受力狀態(tài)下,鋼管具有很大的抗剪和抗扭能力.這樣,通過二者的組合,可以有效地克服高強(qiáng)混凝土脆性大、延性差的弱點(diǎn),使高強(qiáng)混凝土的工程應(yīng)用得到擴(kuò)展.近年來對(duì)鋼管高強(qiáng)混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,鋼管高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的基本力學(xué)性能與鋼管普通強(qiáng)度混凝土有所不同,在設(shè)計(jì)時(shí),不能簡(jiǎn)單地套用鋼管普通強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法.隨著現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土技術(shù)的開發(fā)與發(fā)展,僅僅以高強(qiáng)度為目標(biāo)已不能滿足工程的需要,對(duì)高強(qiáng)混凝土的工作性能提出了更多更高的要求,從而開始以混凝土的高強(qiáng)度和拌合物的高工作度作為共同目標(biāo).鋼管高強(qiáng)高性能混凝土結(jié)構(gòu)由于承載力高,構(gòu)件尺寸較小,也使得對(duì)其中的混凝土的工作性能有了新的要求,免振搗的自密實(shí)高性能混凝土是鋼管高強(qiáng)高性能混凝土結(jié)構(gòu)的很好選擇.目前國內(nèi)外對(duì)鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)和高性能混凝土的研究較多,而對(duì)于二者的結(jié)合———鋼管高強(qiáng)高性能混凝土的力學(xué)性能的研究不多.由于混凝土性能的改變,必然對(duì)鋼管高性能混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生影響,鑒于當(dāng)前鋼管高性能混凝土結(jié)構(gòu)廣闊的應(yīng)用前景,對(duì)其極限承載力的研究也是十分必要和迫切的.

　　2.3　鋼管混凝土火災(zāi)后剩余承載力的研究由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的耐火性能,通過采取合理的計(jì)算方法和防火構(gòu)造可以滿足結(jié)構(gòu)所需要的耐火極限.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)在高溫、恒高溫、標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線等不同情況下鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能和耐火極限做了大量的研究,我國的相關(guān)抗火設(shè)計(jì)規(guī)程也在編制之中.由于鋼管混凝土耐火性能好,建筑物在遭受火災(zāi)后往往還具有一定的承載能力,如何評(píng)估和維修加固火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)是工程中面臨的新問題,因此很有必要研究火災(zāi)后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的承載力,建立其剩余承載力的計(jì)算理論和方法,為合理制定火災(zāi)后該類結(jié)構(gòu)的修復(fù)加固提供決策的依據(jù).以往國內(nèi)外尚缺乏這方面的資料,福州大學(xué)進(jìn)行了一系列火災(zāi)后鋼管混凝土柱的剩余承載力的試驗(yàn)研究,包括圓形截面、方形截面和矩形截面,并取得了相關(guān)成果.

　　3　鋼管混凝土的工程應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)宜用作軸心受壓或偏心較小的受壓柱,偏心較大時(shí)宜采用格構(gòu)式柱.目前,鋼管混凝土已在單層和多層工業(yè)廠房、地下工程、高爐和鍋爐構(gòu)架、各種支架及送變電構(gòu)架、地鐵站臺(tái)柱結(jié)構(gòu)等方面得到較為廣泛應(yīng)用,全國采用鋼管混凝土的重大工程項(xiàng)目已有200多項(xiàng).根據(jù)其自身的特點(diǎn),鋼管混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)拱橋和高層、超高層建筑尤為適用,由于其具有良好的耗能性能,適宜于地震區(qū)的建筑物和構(gòu)筑物.近些年,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在拱橋和高層、超高層建筑中的應(yīng)用取得了長足的發(fā)展.

　　3.1　鋼管混凝土在拱橋中的應(yīng)用將鋼管混凝土用于拱橋,符合拱橋設(shè)計(jì)中要求材料高強(qiáng)、拱圈無支架施工及輕型化的發(fā)展方向.我國采用鋼管混凝土拱橋是從上個(gè)世紀(jì)80年代開始的,四川旺蒼縣東河大橋是國內(nèi)第一座采用鋼管混凝土拱肋的公路拱橋,凈跨度為115 m,為下承式拱.近十幾年以來,鋼管混凝土拱橋在我國公路和城市橋梁中發(fā)展十分迅速.鋼管混凝土拱橋一般分為兩類,一種是將鋼管混凝土直接用作拱橋結(jié)構(gòu)的主要受力部分,同時(shí)也作為結(jié)構(gòu)施工時(shí)的勁性骨架,截面設(shè)計(jì)由前者控制;另一種是先將鋼管用于施工時(shí)的勁性骨架,然后再內(nèi)灌混凝土并與外包混凝土共同形成斷面,鋼管混凝土參與拱橋建成后的受力、截面設(shè)計(jì)以及施工階段控制.

　　3.2 鋼管混凝土在高層和超高層建筑中的應(yīng)用鋼管混凝土用于高層和超高層建筑的柱結(jié)構(gòu)和抗側(cè)力體系,可使構(gòu)件截面減小,節(jié)約建筑材料,增加使用空間,且構(gòu)件自重減輕,從而可減小基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)和造價(jià).同時(shí),鋼管混凝土抗震性能好,耐火性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu),相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)可降低防火造價(jià).由于鋼管混凝土中的鋼管可作為施工期間的支架,從而可采用“逆作法”或“半逆作法”的施工方法,大大加快施工速度,降低施工費(fèi)用.

　　4綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土的工作機(jī)理和力學(xué)性能研究方面已取得了一系列的重要成果,為進(jìn)一步深入研究創(chuàng)造了條件.目前鋼管混凝土構(gòu)件的研究中需要進(jìn)一步解決的主要關(guān)鍵問題有:1)鋼管混凝土承載力計(jì)算中采用理想彈塑性模型的假設(shè),這對(duì)抗變形能力很強(qiáng)的鋼管混凝土是不合理的;2)圓鋼管混凝土根據(jù)定值側(cè)壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到縱向承載力與側(cè)壓力的關(guān)系從而確定其承載力,這和核心混凝土的工作狀態(tài)不符;3)把鋼管普通混凝土和鋼管高強(qiáng)混凝土機(jī)械地分開進(jìn)行研究; 4)對(duì)鋼管混凝土在動(dòng)力荷載作用下的性能研究主要以實(shí)驗(yàn)為主,這不利于深入系統(tǒng)地了解動(dòng)力荷載作用下的性能.為了更安全地推廣使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),還應(yīng)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究:1)鋼管混凝土防火設(shè)計(jì)規(guī)程的制定及防火設(shè)計(jì)方法的推廣;2)鋼管混凝土施工力學(xué)的研究;3)鋼管混凝土中核心混凝土質(zhì)量問題的控制和檢測(cè);4)鋼管混凝土的徐變、疲勞及動(dòng)力性能的進(jìn)一步深入研究;5)鋼管混凝土構(gòu)件及其與梁連接節(jié)點(diǎn)制造及構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化.以上這些問題也是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)使用和設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題.鋼管混凝土中由于鋼管及核心混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用,使其具備了一系列優(yōu)越的力學(xué)特性,也構(gòu)成了其力學(xué)性能的復(fù)雜性,與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種相對(duì)較新的結(jié)構(gòu)體系,因此還有必要對(duì)鋼管混凝土的性能進(jìn)行更深入更系統(tǒng)的研究.

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