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钢管混凝土结构在我国的应用与成就

作者：蔡益燕    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
钢管混凝土自上一世纪六十年代由前苏联引入我国以来，在我国得到广泛的应用，应用范围很广，发展十分迅速。上一世纪八十年代末以后，钢管混凝土的应用进入高层和超高层建筑以及公路和城市?梁，发展十分迅速。
    哈尔滨工业大学

    摘 要：钢管混凝土自上一世纪六十年代由前苏联引入我国以来，在我国得到广泛的应用，应用范围很广，发展十分迅速。上一世纪八十年代末以后，钢管混凝土的应用进入高层和超高层建筑以及公路和城市?梁，发展十分迅速。先后建成了采用钢管混凝土柱的世界最高的超高层建筑和世界跨度最大的公路?梁。本文简略地介绍其应用和发展过程。同时，在科研方面，我国创建了《钢管混凝土统一理论》。提出了新的研究方法和新的设计方法，得到了统一设计公式。
    关键词：钢管混凝土 研究及应用
    1.前言
    当前建筑中最常用的承重结构材料是建筑钢材和混凝土，它们各有优缺点。
    钢材的优点是：抗拉、抗压强度高，强度与自重之比大，属于轻质高强、匀质等向材料；用作承重结构时，内力和变形与力学计算结果符合最好。因而，广泛用于大跨、重载和高层建筑中。缺点是：用作受压和受弯构件时，承载力常决定于稳定。为了保证稳定性，需加强构造，采用宽展截面，或加设一些附加构件，因而增加了钢材的消耗。此外，还有防锈和抗火问题，也提高了工程造价。
    混凝土的优点是：抗压性能好，取材容易，价格低。缺点是：自重大，抗拉强度很低，受压时呈脆性破坏。
    如果把钢材和混凝土两种材料组合在一个构件中，则可扬长避短，充分发挥各自的优点，又相互克服各自的缺点，达到了各尽其材，物尽其用的目的。钢筋混凝土结构就是钢材和混凝土两种材料的很好组合。
    但是，在钢筋混凝土构件和结构中，钢材和混凝土组合在一起，虽然相互间克服了对方的弱点，使对方能发挥固有的优点；但并未改变对方的受力性能，提高对方的承载力。
    当人们创造了把混凝土灌入钢管中的方法，就出现了钢管混凝土构件。把它用作受压构件时，对钢材和混凝土两种材料的组合使用，又步入了一个新时代。
    众所周知，薄壁钢管受压时，局部缺陷对稳定承载力很敏感，稍有一点局部凹凸缺陷，就将使钢管的临界应力大幅度下降。但当管内灌入了混凝土，保证了薄钢管的稳定，可以充分发挥钢管抗压的强度承载力。而管内的混凝土在压力的作用下，受到钢管的约束，处于三向受压状态，不但提高了抗压强度，而且增加了塑性，克服了脆性。由此可见，钢管混凝土中钢材和混凝土的组合使用，不仅克服了两种材料的弱点，使钢材和混凝土彼此的优点得以充分发挥，而且还改变了钢管和混凝土的受力状态，改变了两种材料的工作性能，特别是混凝土的工作性能，由单向受压变为三向受压，由脆性材料变为塑性材料。它们的组合对提高承载力的效果远远超过了钢筋混凝土。
    由此可见：钢管混凝土是对钢材和混凝土两种材料的最佳组合应用。
    1． 钢管混凝土在我国的应用
    2.1 钢管混凝土在工业建筑中的应用
    钢管混凝土是上世纪五六十年代由前苏联引入我国的。辽宁鞍山市第三冶金建设工业公司的土建技术人员在混凝土预制构件厂的制管车间中，首次采用了三肢钢管混凝土框架柱，于1968年建成，迄今安全使用已三十六年。
    上一世纪60年代后期建成通车的首都地铁一号线，在北京站和前门站两个站台工程中，初次采用了钢管混凝土柱。取得了显著的经济效益。如：柱子截面减小了，节约了大量混凝土，增加了有效使用空间，不需要支模和折模，简化了施工工序，缩短了施工工期等。因此，在随后建成的地铁线中，普遍采用了钢管混凝土柱。
    随后，钢管混凝土在工业厂房，高炉构架和锅炉构架、送变电杆塔等领域得到了推广应用，先后建成了上百个工程，遍及全国各地的冶金工业、造船工业、机械制造业以及电力工业等。在各种工业厂房中，桥式起重机最大吨位达600吨，最大跨度达55m，柱子最大高度达42m。锅炉构架中最大的是湖北省荆门市热电厂的670t/h，HG670-140-8型悬吊式锅炉，构架柱高达49.3m，承受轴心压力达12000kN，1983年建成。输电线路塔架中，最大的是500kV线路塔架；而跨越塔高达175m，跨越档距超过1300m。总之，我国已成为全世界钢管混凝土结构采用范围最广、数量最多的国家。
    图1示鞍山钢铁总公司新轧钢公司于2000年3月建成的一炼钢连铸连轧主厂房，这是一个五跨单层工业厂房。

    跨度L=14+27+2×30+27=128米，柱距24米，全长180米,柱顶标高23.59米至42米；设有100/50t和200/75t硬钩重级工作制吊车。这是迄今为止在重工业厂房中采用钢管混凝土柱的最大的单层工业厂房，也是迄今国内外采用钢管混凝土柱规模最大的工业厂房建筑。全部柱子都采用了钢管混凝土三肢柱和四肢柱。管柱均为Φ450×12,钢材Q235B,内灌C40混凝土。
    图2示1999年建成的上海电机厂跨度为33米的露天车间, 柱距为24米和16米,全长64米, 备有600t桥式起重机.这是起重机最大的采用钢管混凝土柱的工业车间。柱子为四肢柱4600×2200mm，由4Φ500×

    在工业厂房中除单层工业厂房外，还有很多多层工业厂房也普遍采用了钢管混凝土柱，如西宁铝厂、柳州水泥厂等。
    2.2 钢管混凝土在高层建筑中的应用
    从上一世纪八十年代中期开始，钢管混凝土在我国进入了高层建筑领域。如地下1层，地上15层，高87.5m的福建省泉州市邮电局，地下层与营业厅部分应业主要求，由原设计1.23m×1.23m的钢筋混凝土柱改为Φ800×10的钢管混凝土柱，取得了节约混凝土68%、节约钢材10%、柱子截面减小2/3的显著经济效果。这是我国局部柱子采用钢管混凝土柱的第一个高层建筑，工程于1992年建成（图3）
    通过这一工程实践，显示出采用钢管混凝土柱很大的优越性，为钢管混凝土在高层建筑中的推广和应用起了很大的促进作用。因而在短短的十几年时间里，钢管混凝土柱在高层建筑中的应用就由局部柱子采用，到大部分柱子采用，到全部柱子采用，发展十分迅速。截至2005年，已建成采用钢管混凝土柱的高层和超高层建筑已超过60栋。这些建筑主要

    分布在广州、深圳和天津。其中最具代表性的：如天津今晚报大厦，地下2层，地上38层，高137m。包括裙房的总建筑面积为8.2万m2，按7度抗震设防设计。平面为D=44m圆形，框架采用8.4m×8.4m柱网，由16根钢管混凝土柱和现浇双向多肋钢筋混凝土楼盖组成的框架，以及现浇钢筋混凝土内筒构成的框筒结构体系。柱子的最大轴向压力达35000kN，于1997年初竣工。
    采用钢管混凝土柱的最高建筑是广东深圳市赛格广场大厦，地下4层，地上72层，屋顶直升机停机坪高291.6m；裙房10层，总建筑面积175000m2，于1999年底建成。是我国自行设计、国内投资、采用全部国产钢材、自己加工制造和施工的第一个超高层建筑，也是迄今世界上包括抗震内筒在内的全部柱子全都采用钢管混凝土柱的最高的建筑物。通过这一工程实践，充分反映了我国在钢管混凝土结构这一领域内已经取得的理论研究和工程实践方面的巨大成就，也为钢管混凝土结构的深入研究和发展应用做出了巨大的贡献。
    图4是哈尔滨市黑龙江省联通枢纽楼，地下2层，地上35层，高149m，于2003年建成。这是东北地区建成的第一座采用钢管混凝土柱的高层建筑，也是哈尔滨市的标志性建筑。建筑总面积为35000m。
    2.3 钢管混凝土在住宅建筑中的应用
    我国第十个五年计划期间以发展中国建筑金属结构信息网住宅为建设重点。国家建设部在全国组织了一批试点工程。根据有关报道，中国建筑金属结构信息网住宅的造价高于通常采用的钢筋混凝土混合结构。显然，造价已成为发展中国建筑金属结构信息网住宅的障碍，使国家的推广计划难以实现。但是，如果中国建筑金属结构信息网住宅中采用钢管混凝土柱以代替钢柱，则造价可与钢混结构持平；而在高烈度地震区采用圆钢管混凝土柱时，造价还可低于普通钢混结构。因此，采用钢管混凝土柱的中国建筑金属结构信息网住宅必将成为发展的方向。




    但时隔仅三年，2004年我国又建成了重庆市奉节巫山长江大?。主跨达460m,宽19m，成为目前世界上跨度最大的钢管混凝土拱?，拱肋钢管直径达1220mm(图8)。

    此外，我国已开始在铁路?中采用了钢管混凝土拱?。也是迄今为止国内外第一个采用钢管混凝土的铁路拱?。跨度达236m。

    3.钢管混凝土结构的研究成就
    经过近20年对钢管混凝土构件工作性能的系统而深入的研究，作者于1994年创建了《钢管混凝土统一理论》。
    《钢管混凝土统一理论》的内容是：
    把钢管混凝土视为统一体,是钢材和混凝土组合成的一种组合材料。它的工作性能随着材料的物理参数,统一体的几何?数和截面形式,以及应力状态的改变而改变。变化是连续的,相关的,计算是统一的。概括而言,钢管混凝土的工作性能具有统一性,连续性和相关性。

    3.1 统一理论的应用和发展
    统一理论形成后,提出了对钢管混凝土进行研究的新方法。在其指引下,继续进行理论研究,不断取得新的研究成果.它已经成为我们开展这一方面的研究工作的指路标。
    1994年获得了圆钢管混凝土构件动力性能的科研成果。限制构件的长细比，可不限制轴压比。大大地提高了采用钢管混凝土构件时的经济效益。
    2001年获得了实心圆形,多边形和方(矩)形钢管混凝土构件工作性能的新成果（图10）。

    随着截面形式的变化，其性能的变化是连续的。
    2005年又获得了空心圆形,多边形和方(矩)形钢管混凝土构件工作性能的成果。

    图11示空心钢管混凝土构件的各种截面形式。图12示空心率变化时的系列N-ε关系曲线。也可看到，随着空心率Ψ的变化，N-ε的变化也是连续的。

    至此,《钢管混凝土统一理论》基本上形成一个完整的理论体系。
    应该指出的是: 《钢管混凝土统一理论》的形成和发展并非我个人的力量,它是五十多位博士和硕士辛勤劳动与共同奋斗和努力的结果。同时,科学发展是永无止境的,它的进一步发展还有待于后人的继续努力。
    钢管混凝土结构非常适合我国国情。迄今为止,我国已成为钢管混凝土结构应用最广，理论研究最深的国家。
    在我国, 钢管混凝土结构的发展十分迅速,从开始时的实心圆形构件发展到方形和矩形构件；又由实心构件发展到空心构件等等。如下图所示。
    钢管混凝土

    除了实心多边形构件外，其他各种形式的钢管混凝土构件在工程中都有采用。而且，在实心中的圆形,方形和矩形钢管混凝土,以及空心圆形钢管混凝土方面,也都先后制订了设计规程。这些规程采用的构件设计方法多种多样。
    在统一理论的指导下,获得了统一设计公式。 因为以受压为主的构件总是决定于稳定,故只需用以下公式:



    无论是实心或空心钢管混凝土构件,也无论是圆形截面,多边形或方形截面,其承载力都用同一公式。只是式中的分母采用各自的参数。因而，便于设计工作者的掌握和应用。
    由于“统一理论”把钢管混凝土视为是一种组合材料，即单一材料，才能得到压弯扭剪复杂受力状态的相关设计公式。采用钢管和混凝土承载力叠加法对压弯扭剪复杂受力状态是无法计算的。而且，构件的承载力设计值都是以实心圆形构件为基本，不同的截面形式以及空心构件，无论是强度或稳定,都在实心圆形构件承载力的基础上获得。这是这种新的设计方法的特点。
    因为有了统一的设计公式,所有的钢管混凝土构件都可用一套公式来计算,将来也只需要制定一个统一的设计规范。

    参考文献：
    1） 钟善桐著：《钢管混凝土结构》第3版，清华大学出版社，2003。北京。
    2） 钟善桐著：《钢管混凝土统一理论—研究与应用》清华大学出版社，2006。北京。
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