談鋼管混凝土結構在大型構筑物中的應用

熊 浩 李穎超

0 引言

鋼管混凝土是“鋼管套箍混凝土”的簡稱(STCC)，它是將混凝土填入圓形鋼管內而形成的組合結構材料，是套箍混凝土的一種特殊形式，是一種具有承載力高、塑性和韌性好、節省材料、方便施工等特點的新型組合結構材料。

1 工程概況

河北某軋鋼廠100 m3事故水塔，由4根φ377×16(材質為Q235B)鋼管柱支撐著上部的鋼結構水箱，水箱頂部標高為58.860。鋼管柱共分為四節，第一節為 ±0.000～15.000，第二節為15.000 ～30.000，第三節為 30.000 ～45.000，第四節為45.000 ～53.000，相鄰兩鋼管柱由10.9級扭剪型高強度螺栓連接，其中每根鋼管柱29.000以下灌注C30無收縮混凝土。

2 鋼管混凝土柱的結構特點

鋼管混凝土結構的工作機理是利用鋼管內的混凝土增加鋼管柱的穩定性，并同時利用鋼管對混凝土的約束作用，使核心混凝土處于三向受力狀態，提高核心混凝土的抗壓強度和變形能力。鋼管混凝土柱是充分利用了鋼結構和混凝土結構的一種新結構，該結構具有如下優點:

1)承載力高。

當鋼管混凝土柱受壓時鋼管處于雙向應力狀態，管內混凝土處于三向受壓狀態。

以該水塔φ377×16鋼管混凝土柱為例，分別計算鋼管柱和管內混凝土的承載力，然后與鋼管混凝土結構的承載力進行比較。

鋼管柱的承載力N鋼管=fa·Aa。

鋼管柱內混凝土的承載力N混凝土=fc·Ac。

其中，No為鋼管混凝土軸心受壓短柱的承載力設計值;fc為混凝土的抗壓強度設計值，fc=15 N/mm2;Ac為鋼管內混凝土的橫截面面積，Ac=93482.02 mm2;fa為鋼管的抗拉、抗壓強度設計值，fa=215 N/mm2;Aa為鋼管的橫截面面積，Aa=18145.84 mm2;θ為鋼筋混凝土的套箍指標，θ=fa·Aa/(fc·Ac)=215×18145.84/(15×93482.02)=2.782250248。

a.鋼管柱的承載力:N鋼管=fa·Aa=215×18145.84=3901355.6 N。

b.鋼管柱內混凝土的承載力:N混凝土=fc·Ac=15×93482.02=1402230.3 N。

No/(N鋼管+N混凝土)=7642517.073/5303585.9=1.44 倍。

通過上述計算可知，鋼管混凝土柱受力時是將兩種不同材料的受力特性的綜合利用，大大提高了結構的承載能力，而不是鋼管與混凝土兩種結構承載力的簡單疊加。

2)有良好的塑性。

混凝土在無約束的情況下的破壞屬于脆性破壞。核心混凝土在鋼管的約束下當在正常受力時接近于彈性工作的，當破壞時還將產生較大的塑性變形，處于鋼管中的核心混凝土由脆性破壞變為塑性破壞，使受力結構表現出彈性破壞的特性。

3)鋼管混凝土結構的鋼管還同時兼作模板，較混凝土結構省去了模板的安裝與拆除工作。

由于鋼管混凝土柱具有上述的優點，也使該結構有利于提高抗震性能，決定了該結構在大型構筑物中的廣泛應用。

3 鋼管混凝土的施工

3.1 鋼管柱制作、安裝

3.1.1 鋼管柱制作、拼裝

采用成品φ377×16(材質為Q235B)的螺旋焊接鋼管，每根鋼管標準長度12 m，鋼管對接按照設計要求開坡口焊接，橫梁、支撐及系桿也為管狀，節點構造按1∶1展開放樣。按照設計要求，焊縫質量需符合GB 50205-2001鋼結構工程施工及驗收規范二級焊縫質量標準要求，制作焊縫按規范要求在制作場做無損檢測，合格后除銹、刷漆;拼裝焊縫按規范要求在拼裝現場做無損檢測，合格后補刷油漆。

為安裝時找正方便，故第一節鋼管柱的柱腳底板先不與柱焊接，以上各節鋼管柱的下法蘭也不與柱焊接。因該事故水塔較高，為了減少大型吊車的使用臺班，先用小型吊車將每節的4根鋼管柱、橫梁、支撐、平臺及爬梯在安裝現場拼裝成空間結構，上一節柱的下法蘭在拼裝時先與下節柱的上法蘭采用一半4.8級普通螺栓和一半的10.9級扭剪型高強度螺栓連接。

3.1.2 鋼管柱安裝

為保證鋼管內壁與核心混凝土的緊密粘結，在安裝前清除鋼管內雜物。

拼裝后的第一節柱結構呈“上口小、下口大”的空間結構形式，先將柱腳底板固定于地腳螺栓上，第一節柱結構整體安裝時經找中心、找正后與柱腳底板相焊接;第二節柱結構整體安裝時找中心、找正后與已經固定于第一節柱結構上的法蘭焊接;以上各節柱結構的安裝方法類推。按照設計要求，連接兩節鋼管柱為10.9級扭剪型高強度螺栓，將預先固定上節柱下法蘭的一半4.8級普通螺栓全部換成10.9級扭剪型高強度螺栓，并按照規范要求的時間內完成終擰。

安裝焊縫按規范要求在安裝后做無損檢測，合格后補刷油漆。

3.2 混凝土的澆筑

混凝土經有資質和有成熟經驗的試驗室作出C30自密實無收縮混凝土配合比，并由有成熟經驗的商品混凝土公司配制該混凝土。

該工程鋼管混凝土采用高位拋落無振搗法澆筑，分別在每根鋼管柱標高16.000及標高31.500的位置開設φ120的灌漿孔。混凝土采用混凝土汽車泵泵送，先將混凝土通過汽車泵輸送管從鋼管柱標高16.000灌漿孔往下澆筑，當澆筑至標高16.000時轉移至下一根鋼管柱，在這過程中(停頓0.5 h)先將上一根鋼管柱內標高16.000以下澆筑的混凝土表面浮漿清除，用等強度的鋼板(從多余的φ377×16鋼管上切割)將標高16.000灌漿孔焊接封堵，以此類推，直至第四根鋼管柱標高16.000以下混凝土澆筑完成后，進行第一根鋼管柱內上部混凝土的澆筑。每根鋼管柱內上部混凝土通過汽車泵輸送管從標高30.500灌漿孔將混凝土灌注至標高30.500，0.5 h后將混凝土表面浮漿清除至設計標高29.000。

同條件試塊28 d混凝土抗壓強度平均值達119%，混凝土澆筑后30 d內鋼管內壁與混凝土間無可見縫隙，第31天將30.500灌漿孔用等強度的鋼板(從多余的φ377×16鋼管上切割)焊接封堵。

4 結語

兩個月后該事故水塔正式注水投入使用，至今已有兩年了，該水塔使用正常，為企業的正常生產起到了“保駕護航”作用。同時鋼管混凝土組合結構在滿足承載力條件下，相比鋼結構或混凝土結構截面小、用料省，解決了常規結構截面大、投資大的問題，也為其他大型構筑物中采用該新型組合結構積累了經驗。

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