土木工程中钢管混凝土的应用分析

摘要：随着我国经济和建设事业的迅速发展，现代建筑工程对其材料和结构的要求越来越高。钢管混凝土施工技术符合现代施工技术工业化要求，被越来越广泛地应用于土木工程中，已取得良好的经济效益和建筑效果，是结构工程科学的一个重要发展方向，有着广阔的应用前景。

关键词：钢管混凝土；土木工程；地铁站台柱

由于工业生产的不断发展，人口向城市集中，逐渐地出现人口密集的大城市。在这些因素的影响下，现代建筑工程对建筑材料以及建筑结构的要求越来越高，而钢管混凝土组合结构正是适应了现代工程结构向大跨度、重载发展和承受恶劣环境条件的要求，同时也符合现代施工技术的工业化要求而逐渐发展起来的新型结构，它也适应了现代建筑工程的发展。

一、钢管混凝土的定义

钢管混凝土是混凝土的一种特殊形式，钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构。一般情况下，我们把混凝土强度等级在C50以下的钢管混凝土称为普通钢管混凝土。混凝土强度等级在C50以上的钢管混凝土称为钢管高强混凝土。混凝土强度等级在C100以上的钢管混凝土称为钢管超高强混凝土。由于钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点。近年来，随着理论研究的深入和新施工工艺的产生，工程应用日益广泛。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用

较广。

二、钢管混凝土在建筑施工中优点

（一）承载力高

在建筑工程中对于薄壁钢管来说，其临界承载力极不稳定，因为它对局部缺陷很敏感。在钢管中填充形成混凝土后，钢管约束了混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压，延缓了受压时的纵向开裂。而混凝土的存在却可以避免或延缓薄壁钢管过早地局部屈曲，两种材料相互弥补了彼此的弱点，却可以充分发挥彼此的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载力，大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之和。

（二）塑性和韧性好

混凝土脆性较大，对于高强度混凝土（各国对高强混凝土的定义有所不同，我国目前一般指立方试块强度fc。>60MPa的混凝土为高强混凝土）更是如此，其工作的可靠性因此大为降低。如果将混凝土灌入钢管中形成钢管混凝土，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，而且在破坏时具有很大的塑性变形。试验结果表明，钢管混凝土轴心受压短柱破坏时往往可以被压缩到原长的2/311，但仍没有呈现脆性破坏的特征。此外，混凝土耐撞击的能力，比钢结构都强，在承受冲击荷载和振动荷载时，也具有很好的韧性。

（三）施工方便

在一般的土木工程建设中，采用钢管混凝土柱，没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简便。因管内无钢筋，浇灌容易，振捣密实。特别是目前采用泵送混凝土、高位抛落不振捣混凝土和免振自密实混凝土等施工工艺，更可加速钢管混凝土构件的施工进度。与预制钢筋混凝土构件相比，不需要构件预制场地，与钢结构构件相比，钢管混凝土的构造通常比钢结构构件简单，焊缝少，关键在于制作特别是组成钢管混凝土构件的钢管壁厚一般均较小，现场拼接对焊简便快捷。由于空钢管构件的自重小，可以大大减少运输和吊装等费用。此外，钢管混凝土不论是单管柱还是格构式柱，和普通钢柱相比，柱脚零件少，焊缝短，可以直接插入混凝土基础的预留杯口中，免去了复杂的柱脚下构造。

（四）经济效益好

如前所述，作为一种较为合理的结构形式，采用钢管混凝土可以很好地发挥钢材和混凝土两种材料的特性和潜力，使材料得到更为充分和合理的应用，因此，钢管混凝土具有良好的经济效果。大量工程实际表明，钢管混凝土与钢结构相比，在保持自重相近和承载能力相同的条件下，可节省钢材约50%左右，焊接工作量可大幅度减少。钢管混凝土承压构件与普通钢筋混凝土承压构件相比，理论分析和工程实践都表明，可节约混凝土大约50%左右，减轻结构自重大约50%左右，仅仅钢材用量略高或约略相等。并且在保持钢材用量相近和承载能力相同条件下，构件的横载面面积可减小约一半，从而使建筑空间得到加大，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少约50%。圆形钢管混凝土柱截面中心对称的特点和任意方向等强度的性能。

三、钢管混凝土的应用

（一）做厂房

钢管混凝土是混凝土的一种特殊形式，在对单层和多层工业厂房柱和钢筋混凝土柱及普通钢柱的比较中，钢管混凝土组合柱有许多优势，因而被广泛地用做厂房柱。例如，1999年完工的大连船用柴油机厂总装部装联体厂房为低转速大功率船用柴油机装配调试车间，属高大型单层工业厂房，采用的是钢管混凝土柱。2000年完工的哈尔滨建成机械厂大容器车间和汽车改装车间两项大型工业厂房均采用了钢管混凝土柱。2000年洛阳化纤TPA工程中，料仓支撑柱的设计采用钢管混凝土柱。

（二）地铁站台柱

地下铁道的站台柱承受的压力很大，采用钢管混凝土柱，可以获得很好的经济效果，不但承载力高，而且柱截面也可以减小，从而扩大了使用空间。例如，北京地铁北京站和前门站及环线工程中所有的站台柱都采用了这种结构。上海地铁和一些地下公共工程中也普遍采用了钢管混凝土柱。1990年以来，北京地铁复八线，天安门站，大北窑站，永安里站；南京地铁的三山街站均采用钢管混凝土柱。

（三）各种支架柱

在各种平台或构筑物中，下部支柱常属于轴心受压构件，且往往荷载较大，因而采用钢管混凝土柱承受很大的重力荷载是合理的。例如1979年建成投产的黑龙江新华电厂加热器平台柱，1983年建成的江西德兴铜矿矿石储仓支架柱等采用钢管混凝

土柱。

（四）空间结构

建成于1998年的日本北九州市多目的赛车场，建筑面积94835m，地上8层，地下1层，地上1~8层采用了钢管混凝土柱和钢结构梁，充分发挥了钢管混凝土刚性大、强度高、抗变形能力强和耐火特性好等特点，取得了良好的建筑效果和经济效果。

（五）高层建筑

在高层建筑的钢管混凝土柱的施工过程中，采用泵送顶升混凝土的施工方法，施工十分便捷，加之钢管混凝土结构本身所具有的优点，所以在高层建筑中采用钢管混凝土结构是十分合理的。钢管混凝土结构在美、日和澳大利亚等国己得到较为广泛的应用。我国第一个全部柱子采用钢管混凝土的高层建筑是厦门金源大厦，已于1995年全部竣工。由我国企业自行投资、设计、制造和施工的深圳赛格广场大厦是比较典型的一座高层建筑，该建筑于1999年建成，占地面积9653m2，地下4层，上72层，地上建筑高度为291.6m，为框筒结构体系，其框架柱及抗侧力体系内筒的28根密排柱均采用了圆钢管混凝土柱。

（六）拱桥结构

钢管混凝土在拱桥中的应用发展十分迅速。1995年竣工的广东省南海县三山西桥，为中承式拱桥，L=200m，两端带两个上承式半拱，各45m。主跨拱肋由4根直径0.75m的钢管混凝土组成1.smx3.sm的四边形组合截面。1998年建成的长江三峡工程三座公路拱桥一黄柏河大桥、下牢溪大桥和莲沱大桥，跨度分别为16Om、16Om和114m，拱肋皆采用两个钢管混凝土组成的哑铃形截面。

四、钢管混凝土工程应用中不足之处

由钢材和混凝土两种材料组成的钢管混凝土，能够发挥二者各自的优点，起到优势互补作用，但在实际的生产工作中存在着一定的不足之处，在施工中需要注意。

（一）材料性能缺陷

对于外包型钢管混凝土，钢管壁与管内混凝土相比较薄。在应用于桥梁结构中时，必然受环境的影响大。最常见的问题就是钢管与管内混凝土脱空现象。与工民建厂房内的钢管混凝土构件不同，桥梁构件常期处于大气中，直接承受阳光和温度作用，在夏天钢管表面温度高达80℃，内部核心混凝土50℃，钢管混凝土结构经过5～10年，核心混凝土收缩、徐变完成时（相当温度下降20℃）。这两种情况共同作用，相当发生一70℃温差，在大直径钢管中导致钢管和核心混凝土脱空（即钢管与核心混凝土分离）。

（二）在构件制作过程中，钢管的对接是一个难点

结构要求焊后的管肢平直，这就需要在焊接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序，以及考虑到焊接变形的影响。管肢对接焊接前，对于小直径钢管应采用点焊定位，对于大直径钢管应另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定连焊。在钢管对接焊过程中，如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝，则该微裂缝部位必须全部铲除重焊。为了确保联接处的焊缝质量，在现场拼接时，在管内接缝处必须设置附加衬管。对于格构式柱要求柱的肢管和各种腹杆的组装连接尺寸和角度必须准确。特别是腹杆与肢管联接处的间隙应采用自动切管机按照相接面管的直径和角度切割成空间相交曲线的管端。

五、钢管混凝土未来的发展趋势

（一）新型组合构件的研制与创新

钢管混凝土柱的研究和应用都日趋成熟，未来将对组合转换层、轻型大跨组合楼盖、组合节点、组合剪力墙等新型组合构件开展更多的研究和开发工作，并将为全组合结构体系的发展奠定良好的基础。

（二）在新材料的应用方面

在施工企业的组合结构中采用薄壁钢管、高强材料，可以进一步降低钢材用量，采用密实高性能钢管混凝土，不仅可以省略混凝土振捣工序，降低混凝土施工强度和费用，而且可以减轻城市噪声污染。采用耐腐蚀、耐高温钢材，不仅可以使组合结构的耐久性和耐火极限得到提高，而且可以降低维护费用和防火

费用。

（三）应用领域不断扩大

钢管混凝土的应用会越来越广泛，会向地下工程、隧道工程、海洋工程和结构加固等领域推广发展，该结构能够充分发挥钢钢管混凝土的力学性能，当采用新型材料和新工艺后，还可以获得更好的施工性能、抗渗防水性能、抗火性能和耐火性，除了建筑及桥梁结构外，在其他领域也能够发挥显著的经济技术效益。

六、结语

总之，钢管混凝土是发展前景广阔的一种结构形式。随着我国经济和建设事业的迅猛发展，在土木工程的建设中，混凝土的应用日益增多且发展速度惊人。随着科学技术的发展，新技术、新材料和新结构的应用，钢管混凝土在土木施工中必将会有新的发展和新的问题出现，这些是值得我们做更深入和细致的研究。