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鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用與成就

作者：蔡益燕    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
鋼管混凝土自上一世紀六十年代由前蘇聯(lián)引入我國以來，在我國得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展十分迅速。上一世紀八十年代末以后，鋼管混凝土的應(yīng)用進入高層和超高層建筑以及公路和城市?梁，發(fā)展十分迅速。
    哈爾濱工業(yè)大學

    摘 要：鋼管混凝土自上一世紀六十年代由前蘇聯(lián)引入我國以來，在我國得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展十分迅速。上一世紀八十年代末以后，鋼管混凝土的應(yīng)用進入高層和超高層建筑以及公路和城市?梁，發(fā)展十分迅速。先后建成了采用鋼管混凝土柱的世界最高的超高層建筑和世界跨度最大的公路?梁。本文簡略地介紹其應(yīng)用和發(fā)展過程。同時，在科研方面，我國創(chuàng)建了《鋼管混凝土統(tǒng)一理論》。提出了新的研究方法和新的設(shè)計方法，得到了統(tǒng)一設(shè)計公式。
    關(guān)鍵詞：鋼管混凝土 研究及應(yīng)用
    1.前言
    當前建筑中最常用的承重結(jié)構(gòu)材料是建筑鋼材和混凝土，它們各有優(yōu)缺點。
    鋼材的優(yōu)點是：抗拉、抗壓強度高，強度與自重之比大，屬于輕質(zhì)高強、勻質(zhì)等向材料；用作承重結(jié)構(gòu)時，內(nèi)力和變形與力學計算結(jié)果符合最好。因而，廣泛用于大跨、重載和高層建筑中。缺點是：用作受壓和受彎構(gòu)件時，承載力常決定于穩(wěn)定。為了保證穩(wěn)定性，需加強構(gòu)造，采用寬展截面，或加設(shè)一些附加構(gòu)件，因而增加了鋼材的消耗。此外，還有防銹和抗火問題，也提高了工程造價。
    混凝土的優(yōu)點是：抗壓性能好，取材容易，價格低。缺點是：自重大，抗拉強度很低，受壓時呈脆性破壞。
    如果把鋼材和混凝土兩種材料組合在一個構(gòu)件中，則可揚長避短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，又相互克服各自的缺點，達到了各盡其材，物盡其用的目的。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就是鋼材和混凝土兩種材料的很好組合。
    但是，在鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中，鋼材和混凝土組合在一起，雖然相互間克服了對方的弱點，使對方能發(fā)揮固有的優(yōu)點；但并未改變對方的受力性能，提高對方的承載力。
    當人們創(chuàng)造了把混凝土灌入鋼管中的方法，就出現(xiàn)了鋼管混凝土構(gòu)件。把它用作受壓構(gòu)件時，對鋼材和混凝土兩種材料的組合使用，又步入了一個新時代。
    眾所周知，薄壁鋼管受壓時，局部缺陷對穩(wěn)定承載力很敏感，稍有一點局部凹凸缺陷，就將使鋼管的臨界應(yīng)力大幅度下降。但當管內(nèi)灌入了混凝土，保證了薄鋼管的穩(wěn)定，可以充分發(fā)揮鋼管抗壓的強度承載力。而管內(nèi)的混凝土在壓力的作用下，受到鋼管的約束，處于三向受壓狀態(tài)，不但提高了抗壓強度，而且增加了塑性，克服了脆性。由此可見，鋼管混凝土中鋼材和混凝土的組合使用，不僅克服了兩種材料的弱點，使鋼材和混凝土彼此的優(yōu)點得以充分發(fā)揮，而且還改變了鋼管和混凝土的受力狀態(tài)，改變了兩種材料的工作性能，特別是混凝土的工作性能，由單向受壓變?yōu)槿蚴軌?，由脆性材料變?yōu)樗苄圆牧?。它們的組合對提高承載力的效果遠遠超過了鋼筋混凝土。
    由此可見：鋼管混凝土是對鋼材和混凝土兩種材料的最佳組合應(yīng)用。
    1． 鋼管混凝土在我國的應(yīng)用
    2.1 鋼管混凝土在工業(yè)建筑中的應(yīng)用
    鋼管混凝土是上世紀五六十年代由前蘇聯(lián)引入我國的。遼寧鞍山市第三冶金建設(shè)工業(yè)公司的土建技術(shù)人員在混凝土預(yù)制構(gòu)件廠的制管車間中，首次采用了三肢鋼管混凝土框架柱，于1968年建成，迄今安全使用已三十六年。
    上一世紀60年代后期建成通車的首都地鐵一號線，在北京站和前門站兩個站臺工程中，初次采用了鋼管混凝土柱。取得了顯著的經(jīng)濟效益。如：柱子截面減小了，節(jié)約了大量混凝土，增加了有效使用空間，不需要支模和折模，簡化了施工工序，縮短了施工工期等。因此，在隨后建成的地鐵線中，普遍采用了鋼管混凝土柱。
    隨后，鋼管混凝土在工業(yè)廠房，高爐構(gòu)架和鍋爐構(gòu)架、送變電桿塔等領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用，先后建成了上百個工程，遍及全國各地的冶金工業(yè)、造船工業(yè)、機械制造業(yè)以及電力工業(yè)等。在各種工業(yè)廠房中，橋式起重機最大噸位達600噸，最大跨度達55m，柱子最大高度達42m。鍋爐構(gòu)架中最大的是湖北省荊門市熱電廠的670t/h，HG670-140-8型懸吊式鍋爐，構(gòu)架柱高達49.3m，承受軸心壓力達12000kN，1983年建成。輸電線路塔架中，最大的是500kV線路塔架；而跨越塔高達175m，跨越檔距超過1300m?？傊?，我國已成為全世界鋼管混凝土結(jié)構(gòu)采用范圍最廣、數(shù)量最多的國家。
    圖1示鞍山鋼鐵總公司新軋鋼公司于2000年3月建成的一煉鋼連鑄連軋主廠房，這是一個五跨單層工業(yè)廠房。

    跨度L=14+27+2×30+27=128米，柱距24米，全長180米,柱頂標高23.59米至42米；設(shè)有100/50t和200/75t硬鉤重級工作制吊車。這是迄今為止在重工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱的最大的單層工業(yè)廠房，也是迄今國內(nèi)外采用鋼管混凝土柱規(guī)模最大的工業(yè)廠房建筑。全部柱子都采用了鋼管混凝土三肢柱和四肢柱。管柱均為Φ450×12,鋼材Q235B,內(nèi)灌C40混凝土。
    圖2示1999年建成的上海電機廠跨度為33米的露天車間, 柱距為24米和16米,全長64米, 備有600t橋式起重機.這是起重機最大的采用鋼管混凝土柱的工業(yè)車間。柱子為四肢柱4600×2200mm，由4Φ500×

    在工業(yè)廠房中除單層工業(yè)廠房外，還有很多多層工業(yè)廠房也普遍采用了鋼管混凝土柱，如西寧鋁廠、柳州水泥廠等。
    2.2 鋼管混凝土在高層建筑中的應(yīng)用
    從上一世紀八十年代中期開始，鋼管混凝土在我國進入了高層建筑領(lǐng)域。如地下1層，地上15層，高87.5m的福建省泉州市郵電局，地下層與營業(yè)廳部分應(yīng)業(yè)主要求，由原設(shè)計1.23m×1.23m的鋼筋混凝土柱改為Φ800×10的鋼管混凝土柱，取得了節(jié)約混凝土68%、節(jié)約鋼材10%、柱子截面減小2/3的顯著經(jīng)濟效果。這是我國局部柱子采用鋼管混凝土柱的第一個高層建筑，工程于1992年建成（圖3）
    通過這一工程實踐，顯示出采用鋼管混凝土柱很大的優(yōu)越性，為鋼管混凝土在高層建筑中的推廣和應(yīng)用起了很大的促進作用。因而在短短的十幾年時間里，鋼管混凝土柱在高層建筑中的應(yīng)用就由局部柱子采用，到大部分柱子采用，到全部柱子采用，發(fā)展十分迅速。截至2005年，已建成采用鋼管混凝土柱的高層和超高層建筑已超過60棟。這些建筑主要

    分布在廣州、深圳和天津。其中最具代表性的：如天津今晚報大廈，地下2層，地上38層，高137m。包括裙房的總建筑面積為8.2萬m2，按7度抗震設(shè)防設(shè)計。平面為D=44m圓形，框架采用8.4m×8.4m柱網(wǎng)，由16根鋼管混凝土柱和現(xiàn)澆雙向多肋鋼筋混凝土樓蓋組成的框架，以及現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)筒構(gòu)成的框筒結(jié)構(gòu)體系。柱子的最大軸向壓力達35000kN，于1997年初竣工。
    采用鋼管混凝土柱的最高建筑是廣東深圳市賽格廣場大廈，地下4層，地上72層，屋頂直升機停機坪高291.6m；裙房10層，總建筑面積175000m2，于1999年底建成。是我國自行設(shè)計、國內(nèi)投資、采用全部國產(chǎn)鋼材、自己加工制造和施工的第一個超高層建筑，也是迄今世界上包括抗震內(nèi)筒在內(nèi)的全部柱子全都采用鋼管混凝土柱的最高的建筑物。通過這一工程實踐，充分反映了我國在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)這一領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)取得的理論研究和工程實踐方面的巨大成就，也為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的深入研究和發(fā)展應(yīng)用做出了巨大的貢獻。
    圖4是哈爾濱市黑龍江省聯(lián)通樞紐樓，地下2層，地上35層，高149m，于2003年建成。這是東北地區(qū)建成的第一座采用鋼管混凝土柱的高層建筑，也是哈爾濱市的標志性建筑。建筑總面積為35000m。
    2.3 鋼管混凝土在住宅建筑中的應(yīng)用
    我國第十個五年計劃期間以發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅為建設(shè)重點。國家建設(shè)部在全國組織了一批試點工程。根據(jù)有關(guān)報道，鋼結(jié)構(gòu)住宅的造價高于通常采用的鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)。顯然，造價已成為發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅的障礙，使國家的推廣計劃難以實現(xiàn)。但是，如果鋼結(jié)構(gòu)住宅中采用鋼管混凝土柱以代替鋼柱，則造價可與鋼混結(jié)構(gòu)持平；而在高烈度地震區(qū)采用圓鋼管混凝土柱時，造價還可低于普通鋼混結(jié)構(gòu)。因此，采用鋼管混凝土柱的鋼結(jié)構(gòu)住宅必將成為發(fā)展的方向。




    但時隔僅三年，2004年我國又建成了重慶市奉節(jié)巫山長江大?。主跨達460m,寬19m，成為目前世界上跨度最大的鋼管混凝土拱?，拱肋鋼管直徑達1220mm(圖8)。

    此外，我國已開始在鐵路?中采用了鋼管混凝土拱?。也是迄今為止國內(nèi)外第一個采用鋼管混凝土的鐵路拱??？缍冗_236m。

    3.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究成就
    經(jīng)過近20年對鋼管混凝土構(gòu)件工作性能的系統(tǒng)而深入的研究，作者于1994年創(chuàng)建了《鋼管混凝土統(tǒng)一理論》。
    《鋼管混凝土統(tǒng)一理論》的內(nèi)容是：
    把鋼管混凝土視為統(tǒng)一體,是鋼材和混凝土組合成的一種組合材料。它的工作性能隨著材料的物理參數(shù),統(tǒng)一體的幾何?數(shù)和截面形式,以及應(yīng)力狀態(tài)的改變而改變。變化是連續(xù)的,相關(guān)的,計算是統(tǒng)一的。概括而言,鋼管混凝土的工作性能具有統(tǒng)一性,連續(xù)性和相關(guān)性。

    3.1 統(tǒng)一理論的應(yīng)用和發(fā)展
    統(tǒng)一理論形成后,提出了對鋼管混凝土進行研究的新方法。在其指引下,繼續(xù)進行理論研究,不斷取得新的研究成果.它已經(jīng)成為我們開展這一方面的研究工作的指路標。
    1994年獲得了圓鋼管混凝土構(gòu)件動力性能的科研成果。限制構(gòu)件的長細比，可不限制軸壓比。大大地提高了采用鋼管混凝土構(gòu)件時的經(jīng)濟效益。
    2001年獲得了實心圓形,多邊形和方(矩)形鋼管混凝土構(gòu)件工作性能的新成果（圖10）。

    隨著截面形式的變化，其性能的變化是連續(xù)的。
    2005年又獲得了空心圓形,多邊形和方(矩)形鋼管混凝土構(gòu)件工作性能的成果。

    圖11示空心鋼管混凝土構(gòu)件的各種截面形式。圖12示空心率變化時的系列N-ε關(guān)系曲線。也可看到，隨著空心率Ψ的變化，N-ε的變化也是連續(xù)的。

    至此,《鋼管混凝土統(tǒng)一理論》基本上形成一個完整的理論體系。
    應(yīng)該指出的是: 《鋼管混凝土統(tǒng)一理論》的形成和發(fā)展并非我個人的力量,它是五十多位博士和碩士辛勤勞動與共同奮斗和努力的結(jié)果。同時,科學發(fā)展是永無止境的,它的進一步發(fā)展還有待于后人的繼續(xù)努力。
    鋼管混凝土結(jié)構(gòu)非常適合我國國情。迄今為止,我國已成為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣，理論研究最深的國家。
    在我國, 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展十分迅速,從開始時的實心圓形構(gòu)件發(fā)展到方形和矩形構(gòu)件；又由實心構(gòu)件發(fā)展到空心構(gòu)件等等。如下圖所示。
    鋼管混凝土

    除了實心多邊形構(gòu)件外，其他各種形式的鋼管混凝土構(gòu)件在工程中都有采用。而且，在實心中的圓形,方形和矩形鋼管混凝土,以及空心圓形鋼管混凝土方面,也都先后制訂了設(shè)計規(guī)程。這些規(guī)程采用的構(gòu)件設(shè)計方法多種多樣。
    在統(tǒng)一理論的指導(dǎo)下,獲得了統(tǒng)一設(shè)計公式。 因為以受壓為主的構(gòu)件總是決定于穩(wěn)定,故只需用以下公式:



    無論是實心或空心鋼管混凝土構(gòu)件,也無論是圓形截面,多邊形或方形截面,其承載力都用同一公式。只是式中的分母采用各自的參數(shù)。因而，便于設(shè)計工作者的掌握和應(yīng)用。
    由于“統(tǒng)一理論”把鋼管混凝土視為是一種組合材料，即單一材料，才能得到壓彎扭剪復(fù)雜受力狀態(tài)的相關(guān)設(shè)計公式。采用鋼管和混凝土承載力疊加法對壓彎扭剪復(fù)雜受力狀態(tài)是無法計算的。而且，構(gòu)件的承載力設(shè)計值都是以實心圓形構(gòu)件為基本，不同的截面形式以及空心構(gòu)件，無論是強度或穩(wěn)定,都在實心圓形構(gòu)件承載力的基礎(chǔ)上獲得。這是這種新的設(shè)計方法的特點。
    因為有了統(tǒng)一的設(shè)計公式,所有的鋼管混凝土構(gòu)件都可用一套公式來計算,將來也只需要制定一個統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范。

    參考文獻：
    1） 鐘善桐著：《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)》第3版，清華大學出版社，2003。北京。
    2） 鐘善桐著：《鋼管混凝土統(tǒng)一理論—研究與應(yīng)用》清華大學出版社，2006。北京。
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