姜宝凤 姜新新 梁 晨

(山东科技大学土木与建筑学院)

我国钢管混凝土的发展概述

姜宝凤 姜新新 梁 晨

(山东科技大学土木与建筑学院)

从1980年，钢管混凝土结构开始逐渐出现在建筑工程中，且其应用价值越来越受到重视，因此，国内外学者对钢管混凝土结构的力学特性进行了大量研究，同时为方便规范化施工，也为其制定了相关规范，这也就促进了钢管混凝土的快速发展。本文首先对钢管混凝土的发展历程和国内外研究进行了简单介绍，其次对钢管混凝土的分类和结构优点进行详细的阐述，最后探讨钢管混凝土的应用和发展前景。

钢管混凝土；研究现状；结构分类；结构优点；发展方向

引言

钢管混凝土就是利用钢管和混凝土在受力时结构反应可以互补的特点，将素混凝土灌入钢管而制成的。组成的钢管混凝土既可有效降低钢材失稳破坏的概率，又可有效的避免混凝土受力过程中发生的脆性破坏，使组合材料既继承了钢材的强度高、延性好的特点有具备混凝土抗压强度高、经济性好的特点。这是因为二者组合以后，钢管对混凝土有约束作用，对其的作用类似于套箍，可在其承受荷载时增加混凝土的强度、塑性与韧性；而混凝土在钢管内部可以使钢管的局部以及整体的稳定性得到很大程度的提高，同时可降低用钢量，从而实现经济性原则。钢管混凝土的组合实现二中材料力的共生，达到了组合结构的强度大于单独两种结构强度叠加的效果，实现了结构组合后一加一大于二的目的。

1.钢管混凝土发展概况

1.1 国外发展概况

国外关于钢管混凝土的研究始于1897美国的John Lally在圆钢管填充混凝土作为房屋建筑的承重柱，至今已有 100多年的历史，以后陆续有单层多层厂房中的承重柱采用钢管混凝土结构，以及一些拱桥采用钢管混凝土结构，至 1939年Gvozdez 教授利用极限平衡方法分析得到钢管混凝土短柱的极限承载力。到 1960年，北美、苏联、日本等国开始重视钢管混凝土的研究与应用，这些国家开展了关于钢管混凝土性能的大量实验研究。

国外对于钢管混凝土受力性能的研究始于1960年，而日本在一次地震中发现结构中使用钢管混凝土的部分表现出更加良好的抗震性能，在北美、苏联等一些发达国家进行的试验研究中证明了钢管混凝土还具有施工简单、施工周期短、劳动力需求量小等优点。钢管混凝土在单层、多层厂房以及拱桥、大跨结构中应用也越来越广泛，在研究的过程中制定了许多关于钢管混凝土的规范规程，其中包括美国制定的ACI318和AISC设计规程等等。

1.2 国内发展概况

我国是自1950年开始进行钢管混凝土结构应用的研究，该研究方向由中国地震局工程力学研究所牵头进行，后续的北京地下铁道工程局、哈尔滨工业大学等单位和高校也纷纷开展了关于钢管混凝土的研究工作。至1980年，钢管混凝土被列入国家科学发展规划，我国关于钢管混凝土结构的研究已经形成了一个体系，并在国内的建筑行业得到广泛的应用。而蔡绍怀等专家也进行了钢管混凝土力学性能的研究，对钢管混凝土结构基本构件的承载能力、稳定性等力学性能的计算都提出了自己的计算理论。随着钢管混凝土结构的发展和广泛应用，我国制定了相关规范来规范施工设计过程，如《钢管混凝土结构计算规范》等。

2.钢管混凝土的分类

由于钢管外形以及钢管与混凝土的组合方式有多种，所以根据不同的分类方式有以下种类的钢管混凝土：

第一，根据受力状态不同分类，当钢管混凝土中的钢管与混凝土在承载的初期是以一个整体的形式共同受力，我们可以将之称为钢管混凝土；当在整个结构的受力过程中钢管只是对内部的混凝土起一个约束作用但二者不共同承力时，称为钢管套箍混凝土。

第二，按钢管混凝土结构的截面形式的不同可将钢管混凝土分为圆形、矩形、多边形的钢管混凝土。

第三，根据混凝土中配置钢筋状况的不同对其进行分类，未配置钢筋的称为钢管混凝土；配置少量钢筋的称为钢管配筋混凝土；核心混凝土中配置型钢的称为钢管型钢混凝土；外部钢管是大钢管套小钢管形式的混凝土称为复式钢管混凝土。

第四，根据混凝土部分空心情况分类，混凝土部分是实心的称为钢管混凝土；核心混凝土部分存在空心的称为离心钢管混凝土；两层钢管之间灌注混凝土的称为中空夹层钢管混凝土。

第五，依据混凝土的振捣情况不同进行分类，灌注的核心混凝土采用自密实混凝土时，灌注后无需振捣，便于施工，称为钢管自密实混凝土；当核心混凝土是用普通混凝土浇筑是就是钢管混凝土。

第六，依据含钢量多少进行分类，当钢管混凝土中的外径与钢管厚度的比值在20到100之间的为钢管混凝土；当比值大于100时则称为薄壁钢管混凝土。

3.钢管混凝土结构的优点

3.1 高承载力

单一的钢管在受荷载作用时容易发生失稳破坏严重影响其承载力发挥，当在钢管中灌注上混凝土时，形成一个新结构体系：钢管混凝土结构。钢管混凝土基本构件在承受轴向压力时，钢管混凝土外部的钢管可以对核心混凝土起到约束的作用，阻止核心混凝土发生横向的变形，使其处于三向受压的受力状态，同时也在混凝土发生纵向裂缝时，延缓裂缝的开展速度；而内部的混凝土对外部的钢管也起到支撑的作用，可以延迟甚至避免外部钢管过早发生局部屈曲失稳而丧失承载力。在整个结构中钢管与混凝土充分发挥各自优势，短处互补实现材料承载性能叠加后的一加一大于二。

3.2 良好的塑性、韧性

塑性的定义是某一材料自屈服到失去承载力能力过程中发生变形的能力；韧性的定义是材料在发生变形或者断裂的过程中吸收能量的能力，若材料的韧性越好则越不易发生脆性断裂。钢管混凝土因为钢管的约束改善了内部混凝土性能，使其组合后具有更好的塑性变形能力，也具有良好的韧性，韧性好可在发生地震时更多的吸收地震能，因此钢管混凝土结构具有良好的抗震性能。

3.3 其它优点

钢管混凝土结构与钢筋混凝土结构相比更便于施工，外部钢管可直接作为浇筑混凝土时的模板，免去了支模板拆模板的步骤；钢管混凝土中的钢管可直接代替钢筋骨架，比钢筋骨架更加的省工省料且加工简便。

钢管混凝土结构与全钢结构相比具有更好的防火抗火性，其核心填充的混凝土可减缓或避免发生钢结构中刚才受热变软失去承载能力的现象。

4 钢管混凝土结构的应用及发展前景

4.1 钢管混凝土应用于柱子

在现有结构中，有许多柱子为达到强度高、稳定性高、经济效果好、节约空间的目的而采用钢管混凝土柱子的，钢管混凝土柱是通过在钢管中注入混凝土而形成的一种组合结构，如1963年建成使用的北京地铁车站的站台柱等。

4.2 钢管混凝土应用于大跨结构

钢管混凝土由于其良好的承载性能被应用于大跨结构中，可代替原有的钢结构同时具有更高的承载力和稳定性。如苏联在1830年建造的跨度达140米的铁路拱桥，该大跨度的拱桥的上下弦杆采用钢管混凝土结构，在保证其承载力的前提下，节省了 52%的钢材，整体结构造价下降了两成。而将钢管混凝土结构应用于铁路隧道以及公路隧道的建设中，是一个前沿的研究方向，将钢管混凝土结构应用于隧道支护中，既可以节省材料降低造价，又可以充分发挥材料强度提高其后期承载力避免全钢结构因失稳而不能发挥出其承载能力现象的发生。

此外，钢管混凝土结构还在很多方面得到广泛的应用。如在多高层建筑中，若采用单一的钢筋混凝土结构来建设可能不能满足承载力要求，而当承载力满足要求时，整个建筑的可使用的空间被大大减少了；采用全钢结构时造价高，且由于钢材耐热性能差，对其后期的护理仍需投入大量资金。而采用钢管混凝土结构来建造，可以增大建筑空间，加快施工速度，降低整个工程的造价。

综上所述，钢管混凝土结构因其高承载力、良好的稳定性、低造价、方便的施工具有广泛的发展前景，在各种建筑中的应用越来越普遍，会成为未来建筑结构发展的主要方向之一。

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