鋼管混凝土結構的特點與應用現狀

馬建軍

摘要：近年來，隨著經濟的快速發展，許多大跨度空間建筑結構大量涌現在世界各地，而傳統的鋼筋混凝土結構、木結構、砌體結構已經很難滿足這些空間形式，由于鋼管混凝土結構具有比以往傳統結構更好的力學性能，因此，鋼管混凝土結構得到了很好的發展，本文闡述了鋼管混凝土結構的特點及應用狀況。

關鍵詞：鋼管混凝土；住宅結構；鋼結構

前 言

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成、且鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用的結構構件。目前工程中最常用的鋼管混凝土柱按截面形式不同可分為圓鋼管混凝土柱、方鋼管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱。鋼管混凝土中的鋼管和混凝土是兩種力學性能截然不同的材料，鋼管混凝土受到兩種材料組合作用的影響：一方面，由于核心混凝土的存在，延緩了管壁局部屈曲現象的產生，一定程度上提高了薄壁受壓構件由穩定控制承載力的缺點；另一方面，由于鋼管外壁的存在，核心混凝土縱向受壓時，其橫向變形受到限制，處于三向受壓狀態，從而使混凝土的抗壓強度提高。

一、鋼管混凝土柱的特點

1.截面小，承載力高

隨著建筑物高度和跨度的增加，柱的軸向壓力值越來越大，為了滿足軸壓比限值的要求，在鋼筋混凝土柱中必然加大柱的截面尺寸。而采用鋼管混凝土柱后，由于兩種材料協同作用，可以提高柱的承載力，進而減小柱的截面尺寸。

2.塑性和韌性好，抗震性能好

混凝土在單軸應力狀態下屬于脆性材料，鋼材的塑性較好，混凝土阻止了鋼管的局部屈曲，鋼管限制了混凝土開裂變形，整體表現出較好的塑性和穩定性，增加柱的含鋼率，必然提高整個柱的延性，延性好的結構吸收地震能量的能力也就好。

3.耐火性能好

鋼管混凝土具有良好的耐火性能，總體上說主要表現在兩個方面：一是火災作用下構件具有優越的抗火性能；鋼管混凝土由于核心混凝土的熱容量較高，火災發生時，可以吸收部分熱量，降低鋼材的溫度，因而表現出較好的耐火性能。而且火災后，隨著外界溫度的降低，鋼管混凝土結構已經屈服截面處鋼管的強度可以得到不同程度的恢復，為結構的加固補強提供了一個較安全的工作環境，也減少了補強工作量。

4.施工方便

和鋼筋混凝土柱相比，采用鋼管混凝土柱時沒有綁扎鋼筋，支模和拆模等工序，施工簡便。與鋼結構構件相比，鋼管混凝土柱構造簡單，焊縫少，易于制作。

5.經濟效果好

采用鋼管混凝土的承壓構件比普通鋼筋混凝土承壓構件約可節約混凝土 50%，減輕結構自重 50%左右。鋼材用略高或者相等；和鋼結構相比，可節約鋼材 50%左右。此外，鋼管混凝土柱的防銹費用較空鋼管柱有所降低。

二、鋼管混凝土結構的應用

隨著生產規模的擴大以及人類文明的不斷進步，許多大空間、大跨度建筑如體育館、展覽館、機場航站樓、地鐵站、大型工業廠房等不斷涌現出來，顯然鋼筋混凝土結構、木結構、砌筑結構等很難實現這種大跨度空間結構形式。由于鋼材產量的快速增長、國家政策導向以及鋼結構設計、科研、施工隊伍日益強大等諸多有利因素的影響，鋼管結構憑借其自身優越的性能，近年來其應用得到飛速發展，應用范圍幾乎涉及所有結構領域，包括房屋建筑、橋梁、堤壩、海洋平臺和塔桅結構等。

1.鋼管混凝土在非住宅建筑中的應用及特點

近十幾年，鋼管混凝土被廣泛地應用于拱橋和空間桁架梁式橋梁結構中。據不完全統計，截止1999年，我國共建造鋼管混凝土拱橋一百多座，鋼管混凝土勁性骨架拱橋10余座。與此同時，鋼管混凝土在我國高層和超高層建筑中的應用發展很快，經歷了由局部柱子采用，到大部分柱子采用，最后發展到全部柱子采用的過程。其中深圳賽格廣場大廈獲得 2000 年國家科技進步二等獎，這是我國自行設計、自己加工制造自己施工并全部采用國產鋼材、自行投資的第一個組合結構高層建筑。鋼管混凝土在橋梁及高層建筑中的應用邁出了其在實際工程中應用的第二步。

近十年，鋼管混凝土被應用于疊合柱。隨著對鋼管混凝土理論研究的深入和工程應用的日益廣泛，提高鋼管混凝土的抗火性能和核心高強混凝土的脆性等問題成為迫切需要解決的問題。目前，解決這一問題主要有兩種方法：其一是通過在鋼管內填充配筋混凝土或鋼纖維混凝土來解決鋼管混凝土的脆性問題，通過在鋼管外表面噴涂防火涂料來解決鋼管混凝土的抗火問題；其二是采用疊合柱。疊合柱是將鋼管混凝土布置在柱的核心，外面再包圍灌澆一圈鋼筋混凝土所形成的鋼管、管內素混凝土和管外鋼筋混凝土三種材料組成的組合柱，疊合柱由于外包混凝土，所以其防火、耐腐性較好，同時，因總軸力的大部分由核心內鋼管混凝土承擔，外圍混凝土分擔（按豎向剛度比分配）的軸壓力小，因此軸壓比也較小，具有良好的延性。鋼管混凝土在疊合柱中的應用邁出了其在實際工程中應用的第三步。

2.鋼管混凝土在住宅中的應用特點及其應用

一方面是因為鋼結構自身具有科技含量較高，利于環境保護，且可再生利用等優點，另一方面是由于我國鋼產量大幅度增加，世界鋼產量日趨飽和，鋼材價格隨之下降，所以近年來我國開始大力推廣鋼結構，鼓勵采用鋼結構。建設部等部門也為此制定了加速推廣建筑鋼結構發展和應用的目標，確定 “十五” 期間以推廣住宅鋼結構為重點，力爭在“十五”期間使我國建筑鋼結構用鋼量達到全國鋼材總產量的3%，到2015年達到 6%。

三、結束語

以鋼管混凝土為例，在受力過程中，鋼管對混凝土產生約束作用，使混凝土處于復雜應力狀態下，從而使混凝土的強度得以提高，塑性和韌性性能大大改善。同時，由于混凝土的存在可以避免和延緩鋼管發生局部屈曲，從而保證其材料的性能充分發揮。此外在鋼管混凝土的施工工程中，鋼管還可以作為澆筑核心混凝土的模版，與鋼筋混凝土相比可節省模板費用，加快施工速度?？傊?，通過鋼管和混凝土的結合而成的鋼管混凝土，不僅可彌補兩種材料各自的缺點，而且能夠充分發揮二者的優點，這也正是鋼管混凝土組合結構的優勢所在。

參考文獻：

[1]韓林海.鋼管混凝土結構.北京：科學出版社，2000.

[2]丁大鈞.現代混凝土結構學.北京：中國建筑工業出版社，2000.