钢管混凝土组合结构在建筑工程领域发展分析

2010-08-15都吉平

山西建筑 2010年17期

都吉平

钢管混凝土(即钢管混凝土—CFST)是钢—混凝土组合结构中的一种重要形式,就是在钢管中充填素混凝土制成的建筑构件,是介于钢管和混凝土之间的一种材料,由混凝土填入薄壁钢管而形成的一种新型组合材料。

钢管混凝土通过借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性,借助钢管对核心混凝土的套箍(约束)作用,使核心混凝土处于三向受压状态,从而保证核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力,更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点。

20世纪60年代～80年代,钢管混凝土开始应用于工业与民用建筑。随着规范图集的日益完善及自身的特性优势,钢管混凝土被广泛地应用于单层和多层工业厂房柱、空间结构,近10年又被应用于桥梁结构、高层和超高层建筑中,取得了良好的经济效益和建筑效果,尤其是近年来随着我国城市建设的加速发展,建筑物的高度和要求越来越高,作为高层和超高层建筑中推广应用的新结构形式之一,钢管混凝土组合结构将得到更广泛的应用。

1 钢管混凝土组合结构特点分析

1)承载力高、延性好,抗震性能优越。钢管混凝土柱中,钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态,提高了混凝土的抗压强度;钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲,构件的延性性能明显改善,耗能能力大大提高。2)施工方便,工期大大缩短。钢管混凝土结构施工时,钢管可以作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量,施工不受混凝土养护时间的影响;由于钢管混凝土内部没有钢筋,便于混凝土的浇筑和捣实;钢管混凝土结构施工时,不需要模板,节省支模、拆模的材料和人工费用,也节省了时间。3)有利于钢管的抗火和防火。钢管混凝土的耐火极限时间比钢材的要长,由于钢管内填有混凝土,能吸收大量的热能,因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀,增加了柱子的耐火时间,减慢钢柱的升温速度,并且一旦钢柱屈服,混凝土可以承受大部分的轴向荷载,防止结构倒塌。4)抗腐蚀性能优于钢结构。钢管中浇筑混凝土使钢管的外露面积减少,受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多,抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。5)工程经济性好。相对于钢材和钢筋混凝土,钢管混凝土经济效益显著。和钢柱相比,可节约50%的钢材,降低造价约45%;和钢筋混凝土相比,可节约混凝土约70%,减少自重70%,节省模板100%,而用钢量相等或略多。

2 钢管混凝土组合结构设计和施工要点分析

当前我国钢管混凝土组合结构的设计和施工主要依据CECS 28∶90钢管混凝土结构设计与施工规程,06SG524钢管混凝土结构构造,CECS 230∶2008高层建筑钢—混凝土混合结构设计规程,GB 50017-2003钢结构设计规范以及GB 50205-2001钢结构结构施工质量验收规范等专业规范,图集指导实际工程。

2.1 钢管混凝土组合结构设计要点分析

1)承载力计算。针对单肢柱和格构柱不同类型考虑构件的单肢承载力计算和整体承载力计算两种情况进行计算分析,同时需要对钢管柱的局部受压承载力进行验算。2)变形计算。钢管混凝土柱的变形验算可以按照一般结构力学的方法进行。3)节点设计与构造。钢管混凝土节点构造措施对结构的安全性影响重大,节点构造的整体设计应该符合“构造简单,整体性好,传力明确,安全可靠,节约材料,施工方便”的原则。根据钢管混凝土柱同混凝土梁或者型钢梁,钢骨梁的不同连接类型,应采用不同的节点措施,但均应必须满足节点抗剪和抗弯的要求。4)柱脚设计。钢管混凝土与柱脚连接形式主要包括插入式和端承式两种,插入式柱脚的杯口设计和构造与预制钢筋混凝土柱的基础杯口应相同,柱脚插入深度不宜小于2倍钢管直径;端承式柱脚的设计和构造与钢结构相同,但应验算柱与基础连接面的局部受压强度;柱脚钢管的端头必须用封头板封固。

2.2 钢管混凝土组合结构施工要点分析

1)钢管柱制作。钢管混凝土制作的基本流程可以概括为:计算机辅助下料、调直→定型切割→螺旋钢管卷制焊接→校正→剪力环、内衬管等构件组装→完工报验→打磨、刷漆、标记→检验合格出厂8个环节。在钢管柱制作过程中,钢管混凝土柱用的钢管焊接、制作要求较高,一般应优先采用螺旋焊管,焊接时除一般钢结构的制作要求外要严格保证管的平、直,不得有翘曲、表面锈蚀和冲击痕迹,尤其要满足设计图纸对管壁的除锈要求。2)钢管柱安装。钢管柱的安装流程包括:测量钢管柱轴线尺寸与标高→定位环板预埋→基础节钢管柱吊装→基础节安装→钢柱轴线、垂直度、标高校正→焊接及检验→管顶盖板防护→检查、验收→混凝土浇筑→下一节起吊对接10个环节。在构件制作过程中,钢管的对接是一个难点,在焊接时应注意焊接的顺序,考虑焊接变形的影响;现场拼接时,在管内接缝处必须设置附加衬管;对于采用内环板或外环板式的钢管混凝土梁柱节点,施工与普通钢结构一致。3)钢管柱混凝土浇灌。钢管混凝土浇筑方法:可采用泵送顶升浇筑、立式手工浇筑、高位抛落无振捣法三类。

3 未来钢管混凝土组合结构发展对策分析

1)在防火设计方面,要简化钢管混凝土防火极限的设计方法,制定钢管混凝土结构住宅建筑的防火设计规范,更有利的推广钢管混凝土在住宅建筑中的应用。2)加强钢管混凝土住宅建筑在火灾后的残余力学性能评估与灾后的维修、加固措施的研究。3)钢结构住宅的关键在于外墙板的价格、质量、防水、耐久性及接缝的处理等。应该大力开发价廉物美、轻质高强且具有耐久性的外墙板与相应的配套构件。4)结合实际工程,进一步完善钢管混凝土住宅建筑的设计理论、不同类型结构设计规范和施工规程,尽快编制各类构件的配套图集指导实际工程。5)钢结构住宅对施工队伍的施工技术要求比较高,而国内大部分施工队伍主要进行混凝土结构的施工建设,因此应该加强对钢结构专业施工队伍的培训,进一步促进钢管混凝土在住宅中的发展与应用。6)对于节点的构造设计。钢管混凝土结构中应注意钢梁—钢管混凝土柱节点的构造设计,必须注意保证强柱、弱梁、节点更强的原则;符合计算的简图;节点中传力明确、简洁;构造简单,制作方便且节约钢材,这也是保证结构安全可靠的关键。