淺談鋼管結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

陳佳廉 張松

摘 要：筆者通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，綜述了鋼管結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)了鋼管結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，并對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用作了簡(jiǎn)要闡述。

關(guān)鍵詞：鋼管結(jié)構(gòu);發(fā)展?fàn)顩r;問(wèn)題;特點(diǎn);應(yīng)用

0 引言

鋼管結(jié)構(gòu)因外表美觀、承載力高、簡(jiǎn)化施工、防腐防火成本低、可填充、風(fēng)及波浪阻力小等特點(diǎn)被應(yīng)用于體育館、會(huì)展中心、機(jī)場(chǎng)、大跨度橋梁建設(shè)中，但因生產(chǎn)能力有限、管結(jié)構(gòu)研究較少等問(wèn)題在國(guó)內(nèi)應(yīng)用受限。

1 鋼管結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

1825年，英國(guó)開始生產(chǎn)煅焊圓管，鋼材開始以管狀形式進(jìn)入人們視野，受焊接工藝的限制，煅焊圓管大多用于制作裝飾品、簡(jiǎn)單的工具和武器;1845年，電弧焊得以應(yīng)用和發(fā)展，德國(guó)開始生產(chǎn)焊接圓管，焊接圓管可用于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式[1];1886年，氣電焊工藝的發(fā)展使得德國(guó)能夠生產(chǎn)無(wú)縫圓管，無(wú)縫圓管具有外徑小、精度高、可做小批量生產(chǎn)、冷拔成品精度高、表面質(zhì)量好、鋼管性能更優(yōu)越、焊接性強(qiáng)，抗壓能力大等特點(diǎn)，鋼管結(jié)構(gòu)作為大中型建筑結(jié)構(gòu)形式變成可能;1890年，蘇格蘭首次采用圓管建造橋梁，標(biāo)志著鋼管結(jié)構(gòu)正式應(yīng)用于工程界;1959年，英國(guó)開始生產(chǎn)焊接軋制矩形管;1962年，德國(guó)開始生產(chǎn)無(wú)縫軋制矩形管;20世紀(jì)70年代后，國(guó)際上大量進(jìn)行管結(jié)構(gòu)性能和設(shè)計(jì)的研究。在我國(guó)，管結(jié)構(gòu)的研究較少，同濟(jì)大學(xué)“鋼與輕型結(jié)構(gòu)研究室”進(jìn)行的鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，有效指導(dǎo)了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的涉及與施工[2-3]。

2 鋼管結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼管結(jié)構(gòu)具有外表美觀、承載力高、簡(jiǎn)化施工、防腐防火成本低、可填充、風(fēng)及波浪阻力小等特點(diǎn)。

（1）外表揉合，明快美觀。鋼管結(jié)構(gòu)外表光滑、圓潤(rùn)，較傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)而言，視覺(jué)效果更受建筑師青睞，被廣泛用于體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、高鐵車站等大跨度公用建筑，滿足結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)更加美觀。

（2）抗彎、扭性能好，承載力高。鋼管結(jié)構(gòu)為閉口截面，與開口截面型材相比，抗彎、扭性好，承載力高，可滿足大跨度結(jié)構(gòu)承載需求，被廣泛用于大跨度公用建筑及大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。

（3）外表面積小，防腐、防火費(fèi)用低。與L型鋼、工字鋼相比，鋼管結(jié)構(gòu)外表面積小，相應(yīng)的用于表面防腐、防火涂層的材料較少，費(fèi)用較低。

（4）光滑表面，風(fēng)、波浪阻力小。與L型鋼、工字鋼相比，鋼管結(jié)構(gòu)體形系數(shù)小，受到的空氣動(dòng)力效應(yīng)較小，分及波浪阻力小，能廣泛應(yīng)用于堤壩、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)、塔桅結(jié)構(gòu)等。

（5）內(nèi)部可填充混凝土，有效提高承載力和耐火極限。鋼管內(nèi)部填充混凝土后形成新型組合結(jié)構(gòu)——鋼管混凝土。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過(guò)程中的相互作用，即鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高混凝土的強(qiáng)度，改善其塑性和韌性，同時(shí)克服了鋼管容易發(fā)生局部屈曲的缺點(diǎn);其次，改變空鋼管的失穩(wěn)模態(tài)，從而提高其承載能力;此外，由于鋼管內(nèi)填有混凝土，能夠吸收大量的熱能，在遭受火災(zāi)時(shí)，外部鋼管雖然升溫較快，但內(nèi)部混凝土升溫滯后，仍具有議定的承載能力，因而增加了鋼管的耐火時(shí)間，提升了結(jié)構(gòu)的耐火性[4]。

3 我國(guó)發(fā)展鋼管結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

（1）鋼管生產(chǎn)能力有限，規(guī)格品種不齊全，限制了鋼管結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域的大規(guī)模、大范圍應(yīng)用。

（2）質(zhì)量欠缺，尺寸誤差較大，主要表現(xiàn)為圓度、壁厚不均，難以滿足工程要求。

（3）大直徑鋼管生產(chǎn)困難，在重大、重要工程建設(shè)時(shí)所需建筑材料需進(jìn)口，大大增加了建造費(fèi)用，限制了鋼管結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。

（4）管結(jié)構(gòu)研究（特別是節(jié)點(diǎn)性能）較少，缺乏嚴(yán)格的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，跟不上工程應(yīng)用的迫切需要。

4 我國(guó)鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

（1）大跨度公共建筑物。鋼管結(jié)構(gòu)具有外表美觀、承載力高、簡(jiǎn)化施工、防腐防火成本低，可廣泛用于大跨度公共建筑物。如建筑面積達(dá)25.8萬(wàn)平米的鳥巢，利用方鋼管構(gòu)成空間骨架，與屋面及里面的次結(jié)構(gòu)形成了形似鳥巢的特殊建筑造型。如長(zhǎng)沙賀龍?bào)w育場(chǎng)，建筑造型象征湖南省省花“芙蓉花”，屋面為雙曲面，結(jié)構(gòu)采用相貫鋼管桁架，主檁條為H型鋼，次檁條采用C型鋼。如三亞美麗之冠文化會(huì)展中心為三亞市標(biāo)志性建筑，是目前亞洲最大的單體膜結(jié)構(gòu)工程，會(huì)館為44層鋼框架結(jié)構(gòu)，頂部為由空間管桁架支撐的膜結(jié)構(gòu)，整個(gè)建筑外形呈皇冠狀，建筑面積為11932平方米，總用鋼量為1262噸。

（2）塔桅結(jié)構(gòu)。與L型鋼、工字鋼相比，鋼管結(jié)構(gòu)體形系數(shù)小，受到的空氣動(dòng)力效應(yīng)較小，分及波浪阻力小，能廣泛應(yīng)用于堤壩、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)、塔桅結(jié)構(gòu)等。如全球第一高塔廣州新電視塔總高610米（其中結(jié)構(gòu)高度450米，發(fā)射天線高度160米），主體結(jié)構(gòu)采用“傾斜立柱+斜撐+傾斜環(huán)梁”組成的鋼結(jié)構(gòu)外框筒。

（3）大跨度橋梁。鋼管內(nèi)部填充混凝土形成鋼管混凝土。鋼管混凝土是一中高強(qiáng)輕質(zhì)且便于施工的高效結(jié)構(gòu)材料，其單位重量承載力甚至略強(qiáng)于鋼材，鋼管又可以充當(dāng)安裝架設(shè)階段的勁性骨架、灌注混凝土階段的模板和鋼筋，以及具有對(duì)核心混凝土的套箍約束等多種功能，較全面地解決了橋梁結(jié)構(gòu)所要求的用料省、安裝重量輕、施工便捷、承載力大等諸多條件，是一種建造大跨度橋梁的比較理想的結(jié)構(gòu)材料。如廣東南海市紫洞大橋和四川萬(wàn)縣的萬(wàn)州大橋都采用了鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)，減輕了結(jié)構(gòu)所承受的恒載，提高了結(jié)構(gòu)的承載力系數(shù)，同時(shí)簡(jiǎn)化施工程序，減少施工設(shè)備，加快施工進(jìn)度，帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]翰林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京科學(xué)出版社，2014：5-8.

[2]江興敏，欒經(jīng)正.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展和展望[J].工業(yè)建筑，2007，37（S1）：501-503.

[3]陳銘.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特征及應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2013（17）.

[4]孫春蕾，付善春.高層鋼管混凝土柱的抗火研究[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2012（32）.

作者簡(jiǎn)介：陳佳廉（1991-），男，貴州畢節(jié)人，研究生在讀，研究方向：邊坡穩(wěn)定分析。