鋼管混凝土結構特性及改進方式

徐高棟 李佳

【摘要】鋼管混凝土利用鋼材強度高和韌性好的特點進行復合，組成鋼混結構組合材料，正在因為其優越性能越發廣泛的應用于高層建筑，橋梁，地下結構及港口，海洋工程建設中，具有廣闊的發展前景。本文介紹了鋼管混凝土的工作機理，結構特點，以及可供研究的改進方式。

【關鍵詞】鋼管混凝土；結構特點；工作機理；改進方式

1.鋼棍混凝土的工作機理

1.1用作受壓桿件的的鋼管混凝土，借助鋼管對核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土處于受壓狀態。從而大大提高了核心混凝土的抗壓強度和延性。使其由脆性材料轉化為塑性材料，基本性能有了質的變化。

1.2借助內填混凝土增加鋼管壁的穩定性。

對于薄壁鋼管來說，其臨界承載力不穩定，對局部缺陷很敏感，承載力取決于薄壁鋼管的局部穩定，強度常得不到充分利用。實際承載力通常只能達到理論值的三分之一左右。當有殘余應力存在時，影響將會更加明顯，混凝土的存在可以避免或者延緩鋼管的局部變形。增加其穩定性。

2.鋼管混凝土結構的特點

2.1鋼管混凝土作為一種新的組合結構，有著傳統結構無法比擬的優點

2.1.1構件受壓承載力大幅度提高

在薄壁鋼管中灌入混凝土形成鋼管混凝土后，鋼管起著保護混凝土的作用，鋼管的局部穩定也得到了保證，混凝土的三向受壓狀態也提高了其抗彎性能，從而大大提高了結構的承載能力。大量實驗數據及理論分析表明，鋼管混凝土受壓構件承載力可以達到鋼管和混凝土單獨承載力之和的1.8倍左右。

2.1.2具有良好的抗震性能

抗震性能是指在動荷載作用下或地震作用下，結構的延性和吸能性，實驗表明，鋼管混凝土柱被破壞時最大可以壓縮為原來的2/3，混凝土的塑性特征得到改善，耗能能力得到提高。在動荷載作用下，由P-△滯回曲線可以看到，鋼管混凝土的吸能性能特別好，無剛度退化現象，彎矩和曲率的關系曲線無下降段。據有關資料分析，高層建筑中采用鋼管混凝土結構體系比采用鋼筋混凝土結構自重可以減少1/3-1/2，地震作用減少一半左右。

2.1.3耐火，耐腐蝕性能好

鋼管混凝土的抗火性能雖然不如鋼筋混凝土，卻較大程度改善了鋼管的抗火性能，鋼管受熱時，內層的混凝土可吸收大量熱量，延長構件的耐火時間，即便在鋼管受熱屈服后，混凝土還可承受大部分的軸向荷載，防止結構倒塌，其次，在外界溫度有所降低時，已經屈服截面處的鋼管可得到不同程度的恢復，結構整體性比火災發生時反而有所提高，可減少補強工作量，降低維修費用。

2.2盡管鋼管混凝土作為新的組合結構有著顯著的優點，然后由于其材料本身性質的限制，目前該結構尚且有一些弊端

2.2.1使用范圍不夠廣泛

目前，鋼管混凝土結構的使用仍限于柱，橋墩，拱架，很少使用于鋼管混凝土梁，主要原因是矩形鋼管混凝土梁的受力復雜，不易進行理論分析，且構造比較繁瑣，應用起來經濟效益不佳。

2.2.2構件之間連接復雜

鋼管混凝土柱子和鋼筋混凝土梁相連接時，一般要借助于柱子上的牛腿和加強板；鋼筋混凝土柱子和無梁樓板連接時，尤其是采用升班法施工時，柱子和板的連接構造尤其復雜，直接影響到施工進度。

3.鋼管混凝土結構的改進形式

針對鋼管混凝土結構的特性以及存在的弊端，從工程實際出發，綜合考慮，有如下幾種改進方式

3.1使用鋼管活性粉末混凝土

僅僅使用高強混凝土，會因為其塑性，耐久性不夠好對結構產生不利影響，而活性粉末混凝土是一種高強度，高韌性，體積穩定性良好的高性能混凝土，基本原理是：通過提高組分的細度與活性使混凝土內部的缺陷減少到最少，以獲得高強度，將粉末活性混凝土灌入鋼管柱內有如下優點：（1）鋼管的約束作用能有效改善核心活性粉末混凝土的延性；（2）活性粉末混凝土組成成分中沒有粒徑大于1mm的粗骨料，流動性好，內部結構更加均勻。

3.2鋼管膨脹混凝土

鋼管混凝土在養護過程中，由于混凝土的干縮，使鋼管和混凝土之間產生離隙，其次，構件受熱時，由于鋼材的膨脹系數大于混凝土的膨脹系數，鋼管膨脹較大，離隙更大，鋼管不但不對混凝土具有橫向約束作用，反而存在拉力。因此，將膨脹混凝土灌入鋼管形成鋼管膨脹混凝土能彌補鋼管混凝土的不足之處。膨脹混凝土最常見的是在混凝土中加入膨脹劑，膨脹混凝土由于鋼管約束而更加密實。使混凝土在受荷初期就處于三向受力狀態。鋼管膨脹混凝土的彈性模量大于一般的混凝土，因此可以提高長柱的穩定承載力。

3.3鋼纖維鋼管混凝土

鋼纖維鋼管混凝土是在混凝土中摻入由鋼絲剪斷，鋼片切割或者高溫熔抽制成的鋼纖維，以增大混凝土抵抗裂縫開展的能力，防止脆性破壞，增大韌性和延性，鋼纖維可有效的制約核心混凝土的宏觀和微觀裂縫，可以提高構件抗拉，抗壓，抗彎承載力，因此，鋼纖維鋼管混凝土在工程中有著廣闊的前景。

3.4復式鋼管混凝土

為了提高鋼管混凝土構件的耐火安全性，或者為了加固現有的鋼管混凝土構件，或者為了避免在尺度較大的構件中采用厚壁鋼管，采用由多重鋼管組成的復式鋼管混凝土構件是合適有效的，具體的截面形式有如下幾種。

3.5離心鋼管混凝土

離心鋼管混凝土是將混凝土澆灌在鋼管內，經高速離心機離心而成。由于在離心機上形成，養護條件好，所以混凝土更為密實，強度提高顯著，又適應于工廠化生產，運輸也不困難，目前正被廣泛用于工業，電力，橋梁等領域，而且應用范圍日益擴大。

3.6鋼骨-鋼管混凝土

鋼骨-鋼管混凝土是將鋼骨插入鋼管中，然后內填混凝土形成。鋼骨可布置在鋼管內側，也可以布置在外側。由于鋼管的約束作用，提高了混凝土的強度和延性，鋼骨的存在可有效地延緩或阻止混凝土中剪切滑移裂縫的產生，混凝土的存在則增強了鋼管和鋼骨的穩定性。總之，鋼管，鋼骨，混凝土的協同工作，形成了良好的抵抗機制，能進一步提高構件承載力及延性。

結 語

本文介紹了鋼管混凝土的工作機理，結構特性，并提出了可能的幾種改進形式，這幾種改進形式擴展了鋼管混凝土的應用范圍，給組合結構增加了活力。隨著鋼管混凝土特性研究和計算機技術的日益發展，相信在不久的將來，鋼管混凝土定在工程建設領域中得到不斷的創新。

參考文獻

[1]肖顯強，邱為民，張海林.鋼管混凝土結構的特點及其應用研究【j】.安徽建筑.2010.3

[2]朱雷 鋼管混凝土結構特性及其應用發展 建筑工程技術與設計 2013.10

指導老師：黃亮，男，江西人，博士，現任教鄭州大學土木工程學院。

作者簡介：

徐高棟，男，河南開封人，鄭州大學土木工程學院2012級本科生，土木工程專業。

李佳，女，河南許昌人，鄭州大學土木工程學院2012級本科生，土木工程專業。