摘要:綜述了鋼管混凝土結構理論研究及應用的現狀和新進展.對鋼管混凝土的靜力性能,長期荷載作用下的力學性能、動力性能及耐火性能等研究成果做了概述,并對其粘結性能研究、鋼管高強高性能混凝土研究、火災后剩余承載力研究等最新研究進展和關鍵技術進行了介紹.總結了鋼管混凝土結構在拱橋和高層超高層建筑中的應用,并對其需要進一步深入研究的關鍵技術問題進行了探討.

　　關鍵詞:鋼管混凝土結構 力學性能 工程實踐 研究進展

　　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：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：

　　鋼管混凝土結構是指在鋼管中填充混凝土而成的構件,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,充分發揮了兩種材料的優點,不僅使混凝土的強度大大提高,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點.

　　1　鋼管混凝土結構理論研究現狀及進展

　　1.1　鋼管混凝土統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越的力學性能的關鍵.也正是由于對這種相互作用的研究出發點不同,形成了不同的研究方法,其區別在于如何估算鋼管和混凝土之間相互約束而產生的“效應”.這種效應的存在,形成了鋼管混凝土構件的固有特性,從而導致了其力學性能的復雜性.哈爾濱工業大學(原哈爾濱建筑大學)經過多年研究率先提出把兩種材料組成的構件作為統一體來研究其綜合性能的“統一理論”[5,6],使得鋼管混凝土結構研究成為理論完整的新體系,改變了傳統方法,并給設計帶來了許多方便.“統一理論”的基本思想為:分別確定鋼材和核心混凝土的應力-應變關系模型,然后利用數值分析方法計算出各類構件(如軸壓、軸拉、純彎曲、純扭轉和純剪切)的綜合荷載-變形全過程關系曲線,由這些關系曲線推導出鋼管混凝土的各種綜合力學性能指標(如軸壓和軸拉模量、軸壓和軸拉強度指標、抗彎模量和抗彎剛度、剪切模量和剪切剛度等).由于計算時采用的鋼材及核心混凝土的應力-應變關系模型中已包含了鋼材和混凝土二者相互作用的效應,因而在鋼管混凝土結構的綜合力學性能指標中自然也就包含了這種效應.利用這些指標和構件的幾何性質參數(如截面積、抗彎和抗扭抵抗矩及慣性矩等)可直接計算構件的承載力,概念清楚,計算方便.對于各種復雜受力(如壓彎、彎扭、壓彎扭等)的情況,同樣可以計算出不同加載路徑下的荷載-變形全過程關系曲線,并基于此推導各種荷載作用下的極限準則,利用所獲得的綜合力學性能指標推導各種荷載作用下各自相應的承載力計算公式,并使其相互銜接起來,概念清楚,符合實用原則,最終形成了鋼管混凝土統一理論,并用統一理論的思想指導鋼管混凝土的研究.在該理論的指導下,還可以進行鋼管高強度混凝土的力學性能與設計方法以及鋼管混凝土耐火性能與防火設計方法的研究.

　　1.2　鋼管混凝土的靜力性能近幾十年來,國內外對鋼管混凝土構件在靜力作用下的力學性能進行了大量的試驗研究和理論分析,取得了豐富的成果,基本都反映在各國的設計規范中.我國的研究者在大量試驗研究和參數分析的基礎上,建立了基于統一理論的鋼管混凝土軸壓構件、彎曲構件、偏壓(壓彎)構件等的設計方法和計算公式,并且在圓鋼管、方鋼管和矩形鋼管混凝土構件方面都取得了相應的成果,已應用在電力規范(DL/T 5085—1999)、國家軍用標準(GJB 4142—2000)和正在編制的《矩形鋼管混凝土結構設計規程》之中.

　　1.3　長期荷載作用下鋼管混凝土柱力學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,將導致混凝土模量的降低,同時在鋼管和核心混凝土之間產生內力重分布,使鋼管應力增加,從而導致鋼材應力進入塑性階段,鋼管發生局部屈曲.因此,核心混凝土的徐變與收縮現象將影響到整個鋼管混凝土構件的剛度和承載力.在長期荷載作用下,核心混凝土的工作具有以下特點:一是核心混凝土處于密閉狀態,和周圍環境基本沒有濕度交換;二是核心混凝土的收縮會受到其外包鋼管的限制作用;三是在受力過程中,當核心混凝土的泊松比大于鋼管的泊松比時,將會受到鋼管的有效約束而處于復雜受力狀態.這些都會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雜.國內學者曾研究過圓鋼管混凝土在長期荷載作用下的力學性能,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.研究結果顯示:對于軸壓短柱或偏壓短柱,無論荷載比的高低,徐變對構件的承載力都沒有顯著影響.

　　1.4　鋼管混凝土的動力性能近些年,國內外學者對鋼管混凝土的動力性能進行了大量的試驗研究,我國也進行了一些相關研究,但目前國內外對鋼管混凝土的動力性能研究基本上只限于試驗研究,尚沒有提供可供規范使用的計算理論和設計公式.由于鋼管混凝土柱的抗震性能(延性和耗能性能)優于鋼筋混凝土柱,因此,在沒有進行更多的專門研究之前,對由鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土橫梁組成的框架結構,其抗震等級的劃分和計算參數暫按鋼筋混凝土結構的有關規定執行[3],這樣的處理顯然是偏于安全的,但也是比較粗糙的.

　　2　鋼管混凝土結構研究的關鍵技術

　　2.1　鋼管混凝土中鋼與混凝土粘結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越力學性能的根本原因,也正是由于這種相互作用,構成了鋼管混凝土力學性能的復雜性.“統一理論”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之上的.鋼管混凝土中鋼與混凝土粘結強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和構件兩端加蓋板焊接密封是二者共同工作的關鍵,對于鋼管混凝土并不需要采用其他措施來加強其二者的共同作用.另一方面,粘結強度的大小是荷載傳遞的關鍵,鋼管混凝土構件的截面形狀、混凝土的養護齡期,尤其澆注方式等對粘結強度影響較大.混凝土的澆注質量對其粘結性能的影響也是需要繼續進行研究的一個主要方向.

　　2.2　鋼管高強高性能混凝土的研究高強混凝土具有耐久、高強度和變形小等優點,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用.然而,高強混凝土具有脆性大、延性比普通混凝土差的缺點.單軸受壓下,其應力-應變關系在達到峰值后急劇下降,尤其在復雜受力狀態下,將由脆性破壞控制,其工作的可靠性大大降低.如果將高強度混凝土灌入鋼管中形成鋼管高強度混凝土,高強度混凝土受到鋼管的有效約束,其延性將大為增強.此外,在復雜受力狀態下,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混凝土脆性大、延性差的弱點,使高強混凝土的工程應用得到擴展.近年來對鋼管高強混凝土構件力學性能的理論分析和實驗研究結果表明,鋼管高強混凝土構件的基本力學性能與鋼管普通強度混凝土有所不同,在設計時,不能簡單地套用鋼管普通強度混凝土結構的設計方法.隨著現代高強混凝土技術的開發與發展,僅僅以高強度為目標已不能滿足工程的需要,對高強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度和拌合物的高工作度作為共同目標.鋼管高強高性能混凝土結構由于承載力高,構件尺寸較小,也使得對其中的混凝土的工作性能有了新的要求,免振搗的自密實高性能混凝土是鋼管高強高性能混凝土結構的很好選擇.目前國內外對鋼管高強混凝土結構和高性能混凝土的研究較多,而對于二者的結合———鋼管高強高性能混凝土的力學性能的研究不多.由于混凝土性能的改變,必然對鋼管高性能混凝土的力學性能產生影響,鑒于當前鋼管高性能混凝土結構廣闊的應用前景,對其極限承載力的研究也是十分必要和迫切的.

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

　　3　鋼管混凝土的工程應用鋼管混凝土結構宜用作軸心受壓或偏心較小的受壓柱,偏心較大時宜采用格構式柱.目前,鋼管混凝土已在單層和多層工業廠房、地下工程、高爐和鍋爐構架、各種支架及送變電構架、地鐵站臺柱結構等方面得到較為廣泛應用,全國采用鋼管混凝土的重大工程項目已有200多項.根據其自身的特點,鋼管混凝土結構對拱橋和高層、超高層建筑尤為適用,由于其具有良好的耗能性能,適宜于地震區的建筑物和構筑物.近些年,鋼管混凝土結構在拱橋和高層、超高層建筑中的應用取得了長足的發展.

　　3.1　鋼管混凝土在拱橋中的應用將鋼管混凝土用于拱橋,符合拱橋設計中要求材料高強、拱圈無支架施工及輕型化的發展方向.我國采用鋼管混凝土拱橋是從上個世紀80年代開始的,四川旺蒼縣東河大橋是國內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構的主要受力部分,同時也作為結構施工時的勁性骨架,截面設計由前者控制;另一種是先將鋼管用于施工時的勁性骨架,然后再內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、截面設計以及施工階段控制.

　　3.2 鋼管混凝土在高層和超高層建筑中的應用鋼管混凝土用于高層和超高層建筑的柱結構和抗側力體系,可使構件截面減小,節約建筑材料,增加使用空間,且構件自重減輕,從而可減小基礎的負擔和造價.同時,鋼管混凝土抗震性能好,耐火性能優于鋼結構,相對于鋼結構可降低防火造價.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,降低施工費用.

　　4綜上所述,國內外學者對鋼管混凝土的工作機理和力學性能研究方面已取得了一系列的重要成果,為進一步深入研究創造了條件.目前鋼管混凝土構件的研究中需要進一步解決的主要關鍵問題有:1)鋼管混凝土承載力計算中采用理想彈塑性模型的假設,這對抗變形能力很強的鋼管混凝土是不合理的;2)圓鋼管混凝土根據定值側壓力的實驗結果得到縱向承載力與側壓力的關系從而確定其承載力,這和核心混凝土的工作狀態不符;3)把鋼管普通混凝土和鋼管高強混凝土機械地分開進行研究; 4)對鋼管混凝土在動力荷載作用下的性能研究主要以實驗為主,這不利于深入系統地了解動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構,還應進行以下幾個方面的研究:1)鋼管混凝土防火設計規程的制定及防火設計方法的推廣;2)鋼管混凝土施工力學的研究;3)鋼管混凝土中核心混凝土質量問題的控制和檢測;4)鋼管混凝土的徐變、疲勞及動力性能的進一步深入研究;5)鋼管混凝土構件及其與梁連接節點制造及構造的標準化和工業化.以上這些問題也是鋼管混凝土結構使用和設計中的關鍵技術問題.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越的力學特性,也構成了其力學性能的復雜性,與鋼筋混凝土結構和鋼結構相比,鋼管混凝土結構是一種相對較新的結構體系,因此還有必要對鋼管混凝土的性能進行更深入更系統的研究.

　　參考文獻:

　　[1]　JCJ 01—89,鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].

　　[2]　CECS 28:90,鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].

　　[3]　DL/T 5085—1999,鋼-混凝土組合結構設計規程[S].

　　[4]　GJB 2000,戰時軍港搶修早強型組合結構技術規程[S].

　　[5]　韓林海.鋼管混凝土結構[M].北京:科學出版社,2000.

　　[6]　鐘善桐.鋼管混凝土統一理論[J].哈爾濱建筑工程學院學報,1994,(6):21-27.