浅析钢管混凝土结构在土木工程中的应用

摘要：钢管混凝土结构能充分发挥混凝土及钢管的优良特点，且具有良好的承载性能，耐腐蚀性高、施工方便等优点的新型建筑结构，因此在现代土木工程建设中得到了广泛的应用。本文概括了钢管混凝土结构及其应用于土工工程中发挥的优点和工作机理，并对其在土木工程中的应用作了阐述。

关键词：钢管混凝土结构；土木工程；优点；应用

中图分类号： TU528文献标识码：A文章编号：

钢管混凝土结构通过钢管约束及改善混凝土的力学性能，借助灌入钢管中的混凝土增强钢管壁的稳定性，降低和避免了钢管发生变形，大大解决了混凝土和钢管的缺点。由于钢管混凝土结构具有良好性能，而且施工方便，工期短，提高了经济效益，因此被广泛应用于土木工程建筑中。

1. 钢管混凝土结构及其特点

1.1钢管混凝土结构是一种将混凝土灌入钢管内制成的组合材料，按照截面技术区分，钢管混凝土分为圆钢管混凝土，方、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。

1.2 钢管混凝土结构的特点

钢管混凝土结构由于具有许多良好特点在土木工程建筑施工中被广泛使用，主要表现在以下几方面：

①承载力高，抗震性优越，塑性和延性好

在轴向压力下，钢管对灌入的混凝土的约束作用，改变了混凝土的受力性能，让混凝土处于三向受压状态，因此使得混凝土的抗压强度大大提高，而灌入钢管内的混凝土也提高了钢管的刚度，保证了钢管的稳定，可防止钢管发生屈曲变形，两者的结合产生了互补的作用，使得承载性能大幅度提高。不仅如此，二者的相互作用还能将混凝土的脆性破坏转变为塑性破坏，明显改善了提高构件的延性，使、耗能能力提高，具有优越的抗震性能。

②有利于钢管的抗火防火和防锈防腐蚀

发生火灾时，混在钢管中的混凝土可从中吸收热量，从而增加了钢管的耐火时间，还能承受住钢管大部分轴向荷载，防止结构倒塌。两者的互相作用提高了钢管混凝土结构的耐火性能。钢管内因注入了混凝土，减少了钢管的外露面积，因此也相对减少了钢管需受到外界腐蚀的面积，防锈蚀和抗腐蚀也相对得到提升。

③施工方便，缩短工期，节约材料

由于钢管本身就是模板，因此在施工过程中免去了制作与安装模板的一系列工作，而且还减少了放置纵筋和箍筋的工作，方便了混凝土的浇灌和振捣施工过程。钢管混凝土结构不但减少了施工工作量，缩短了施工工期，还节省施工材料，大大提升了经济效益，根据大量工程经验表明，采用钢管混凝土的的承压构件与比钢筋混凝土承压构件相比，可节约混凝土约70% , 减少自重70% , 节省模板100%，和钢柱相比，可节约 50% 的钢材, 降低造价约45%，而耗钢量相等或略多。

2. 钢管混凝土的工作机理

2.1材料要求

①针对设计要求的不同，钢管混凝土结构的钢材材质要求也不同，钢材材质应根据具体的要求。

②根据工程的特质，从直缝焊接管、螺旋焊接管或无缝钢管选择适用的钢管。

③钢管混凝土结构中的混凝土采用普通混凝土，强度等级不应低于C30，不宜高于C80。

④钢管混凝土结构的钢管构建一般采用厚度约40mm的板材卷制，减少和简便了焊接工序。一般采用的焊接技术有：手工焊接，自动或半自动焊接，二氧化碳气体保护焊接。针对不同的钢管材质，焊接时宜采用与强度较低的钢材相适应的焊条或焊丝。采用螺栓等紧固件连接的技术有：普通螺栓，高强度螺栓，栓钉。

2.2基本工作原理

（1）钢管混凝土轴心受压时分三种类型，随着套箍系数的减小塑性阶段的不同，区分的轴压构建工作类型也不同，分别为弹性、弹塑性和塑性三个阶段或分弹性、弹塑性和强化三个阶段。

（2）以圆钢管混凝土为例。圆钢管混凝土短试件在纵向轴心压力N的作用下产生纵向压应变，使得钢管纵向(σ2)、环向(σ1)与核心混凝土纵向(σ3 )、径向(σ2)和环向(σ1)都处于三项应力状态（见图1），进而产生钢管与核心混凝土之间的相互作用紧箍力。随着紧箍力增大，核心混凝土的抗压强度和压缩变形能力也随着提高，更有效地发挥了钢管和混凝土两种材料各自的优点。轴心压力作用下钢管与混凝土的三项应力状态见以下：

公式：ε1s= μsε3;μcε3 ,其中μs μc 分别是钢材和混凝土的泊松比。

①在轴心压力N的作用下，开始时μs〉μc；待钢管纵向压分应力б3≈ fp （比例极限）时μs≈μc 。

②轴心压力N继续增大，钢管应力超过比例极限后，μc将大于μ s即ε1c>ε1s。当ε1c>ε1s混凝土横向变形迅速增大，径向推挤钢管促使钢管的环向应力增大，进而产生了紧箍力。

③紧箍力在方管以及八边形管中都是中部分布小，而四角部大，但在圆钢管中则是均匀分布，从效应来说，圆钢管紧箍力最大，方钢管最小，而多边形钢管则介于两者之间。

图1 钢管与混凝土三向受力状态

（3）钢管混凝土结构在土木工程施工中的方法：高抛自密实法，使用此法可免去繁重的振捣工作，但砼密实度较难控制；泵送顶升浇灌法，好可免去繁重的振捣工作，但对输送泵的压力要求高且中断后无法继续顶升；人工振捣法，较易保证砼浇筑质量，但人工操作可能会造成振捣不密实。

3. 钢管混凝土结构在土木工程建筑中的应用

具有优越力学性能的钢管混凝土结构已有将近百年的使用历史，随着技术的发展，钢管混凝土结构在土木工程中的应用范围越来越宽。近年来，钢管混凝土结构在我国被广泛用于地铁车站工程，单层和多层工业厂房柱，高层建筑工程，大跨度桥梁结构等领域中。

高层建筑工程中的应用

将钢管混凝土结构应用于高层建筑工程中可解决高强混凝土柱的脆性问题和胖柱问题，还能减少柱截面和钢材用量，既节约了建筑材料，扩大了使用空间，同时钢管混凝土自重较轻，还减少了基础负担。

地铁车站工程中的应用

钢管混凝土结构在早期就已经应用于北京的地铁工程中。近年来随着发展，钢管混凝土结构也被越来越多的大型地铁车站使用，一般采用盖挖逆作法进行施工，既可以有效减少对城市生活的干扰，也减少对地面交通和周围建筑的影响，是比较理想的施工技术选择。

单层、多层工业厂房柱和各种支架柱中的应用

由于钢管混凝土结构中的混凝土可以在主体结构安装以后再进行浇注，因此在工业厂房施工中采用钢管混凝土结构可缩短工期，节省施工时间。

（4）桥梁结构中的应用

经过长期的发展，我国拱桥的建造技术越来越完整，由于拱桥的跨度大，拱肋承受极大轴向压力，而钢管混凝土结构构件主要用以承受轴向压力，因此将钢管混凝土结构用于拱桥工程建筑十分合理。钢管混凝土空间桁架组合梁式结构也常被应用于斜拉桥和梁式桥的施工工程中，既提高了结构承载力，也简化了施工工序和节省了材料，缩短了施工工期，减少了造价，同样取得了良好的经济效益。

4. 结语

钢管混凝土结构具有承载力高，良好的抗震性，能承受恶劣条件，构造简单，施工方便速度快等特点，符合现代施工技术的工业化要求，在建筑工程的使用中也取得了良好的经济效益和建筑效果，因此钢管混凝土结构应用范围也越来越宽，被广泛引入民用土木建筑工程中，对加快土木工程施工进度，提高经济效益具有重要意义。

参考文献

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