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浅谈钢管混凝土结构工程使用现状

来源:原创论文网 添加时间:2019-05-20

  摘要:在本文中主要讨论了钢管混凝土 (CFST) 方向上的科研和工程应用等方面的发展概况, 也阐述了未来对于钢管混凝土研究的重点。

  关键词:钢管混凝土; 高强度混凝土; 抗震性能; 尺寸效应; 耐火性能;

工程结构论文

  钢管混凝土是一种将钢管和混凝土两种材料结合的一种组合结构, 使将混凝土填充在钢管内形成的一种组合形式, 钢管混凝土一般依据方形横截面, 圆形横截面以及多边形横截面分为方, 圆及多边形混凝土, 钢管混凝土构件是通过将两种工程中常用的材料组合后而产生共同作用, 即组合效应, 其主要表现为外部钢管对核心混凝土产生的约束效应, 充分发挥两者各自的优点, 不仅能大大改善混凝土的塑性和韧性, 并且还对钢管发生局部屈曲的现象产生限制, 所以钢管混凝土具有承载力高, 韧性好, 塑性好, 施工相较于钢筋混凝土更加方便, 也更节省材料。

  在过去的几十年里, 世界各国研究者们对采用低强度等级钢材和混凝土的钢管混凝土构件进行了大量的研究, 主要是钢管混凝土构件在轴心受压, 偏心受压, 抗扭, 抗剪以及动载作用下的力学性能的分析, 取得了丰富的结果。。

  最近几年, 对钢管混凝土的研究不管是在科研方面还是工程应用方面均取得了重大的进展。在科研方面, 各国研究员们对钢管眼混凝土构件的力学性能以及钢管混凝土的尺寸效应进行了大量的研究, 并取得了许多有实际意义的研究成果, 在工程运用方面, 钢管混凝土已经在高层以及超高层建筑, 桥梁结构以及部分大跨度结构当中被广泛的应用。

  1 钢管混凝土新研究进度

  1.1 填充高强度混凝土的钢管混凝土性能的研究

  高强混凝土, 即强度等级为C60及以上的混凝土, 在过去这几年来一直都是世界各国科研工作者工作的重点, 该混凝土的优点为强度很高, 可以节约水泥材料, 降低构件的尺寸, 减轻自重, 所以非常适用于承受荷载很大的结构, 例如各种高, 超高层建筑, 地下建筑以及大跨度结构。同时, 高强混凝土的缺点也明显, 延性较差, 脆性较大, 在安全要求较高的建筑中, 通常由脆性进行破坏控制, 以致其可靠性大大降低, 如果利用钢管优异的延性与柔性, 将高强度混凝土灌入钢管中, 通过两种材料的组合, 利用钢管优异的延性, 混凝土卓越的承载性能以及外钢管对混凝土的套箍作用, 提高了整体的延性以及承载性能, 不仅如此, 由于钢管同时也具有优异的抗剪, 抗扭性能, 将钢管和混凝土相组合, 就可以有效的克服高强混凝土脆性大延性差的弱点。钢管混凝土相对于纯钢结构, 在同时, 满足工程承载能力的要求的情况下, 可以减少约50%的钢材需求, 减少了材料成本, 而普通钢筋混凝土结构相比, 减少了约50%的混凝土需求, 同时因为混凝土用量减少, 结构重量也相应的大大降低, 并且在施工过程中, 省去了支模的过程, 降低了施工成本。如果在钢管内填入高强度混凝土而构成的钢管混凝土, 相比于普通钢管混凝土又可以减少约10%的混凝土用量, 同时自重相比普通钢管混凝土也更加轻, 可以显著降低成本, 提高经济效益。高强度的钢管混凝土构件以及结构的发展对于未来越来越多的高层以及超高层结构, 桥梁结构, 地下工程等产生重大影响。

  近几年来, 国内外学者对填充高强混凝土的钢管混凝土结构的力学性能进行了大量的研究并取得了丰硕的成果, 结果表明, 填充高强混凝土的钢管混凝土的力学性能与普通的钢管混凝土有所不同, 不能直接采用现有的施工方法, 需要进行适当的改进。

  1.2 钢管混凝土短柱尺寸效应的研究

  因为混凝土在施工过程不可避免的会在内部残留有裂纹缺陷, 影响混凝土材料的性能, 并且随着截面尺寸的增加, 微裂缝缺陷的数量也随着增多, 因此在同材料混凝土构成的混凝土结构中, 增大截面尺寸, 会导致混凝土构件的单位承载力随之降低, 这种现象被大家称为混凝土的尺寸效应, 这种现象在大体积混凝土中广泛存在, 该效应在在钢管混凝土中也不可避免的存在。

  因为大尺寸钢管混凝土短柱构件制作费事费力, 且试验器具要求较高, 所以现阶段主要是采取实际试验与数值模拟分析结合的方法, 在钢管混凝土尺寸效应的研究中, 需要考虑的影响因素主要有:含钢率, 套箍系数, 截面形式等, 现阶段实际试验主要都是直径或边长小于500mm, 大尺寸现阶段进行的较少, 主要是通过利用ABAQUS进行数值模拟分析, 在现阶段已经进行的试验当中, 得出含钢率, 拉筋配置对于钢管混凝土的尺寸效应具有缓解作用。如果在大尺寸钢管混凝土构件的力学性能和尺寸效应能够取得突破, 那对于大尺寸大跨度结构, 超高层建筑结构等领域都会产生及其重大的影响。

  2 钢管混凝土工程运用现状

  在工业厂房, 锅炉构架, 各类电塔, 码头结构, 地下工程结构以及各类支架结构如高压输电塔中钢管混凝土均有广泛运用, 在我国, 随着大家对钢管混凝土优异性能的认知越来越广泛, 钢管混凝土在工程结构中也运用的越来越频繁。

  因为钢管混凝土的种种优点, 该结构对于大跨度结构, 桥梁尤为适用, 且因为其优异的抗震性能, 适用于地震多发处。这几年来, 钢管混凝土在以上领域的建设中取得了很大的进展。

  2.1 钢管混凝土在桥梁结构中的应用

  在桥梁结构中使用钢管混凝土, 对于现阶段桥梁设计和施工所要求的高强度材料, 无支架施工以及轻量化有着显著的推动作用。使用钢管混凝土的桥梁结构一般分为两种:a.在将钢管混凝土作为主要受力结构的同时也作为桥梁的骨架;b.先将钢管作为施工时的骨架, 之后再在钢管内部灌注混凝土从而与外部的混凝土连接为共同的断面。

  2.2 钢管混凝土在高层和超高层结构中的应用

  将钢管混凝土用于高层和超高层柱的结构具有如下优势:a.相比于混凝土结构来说, 降低了横截面积, 即降低了自重和材料成本。b.抗震性能比一般钢混结构优异, 因为相比与钢筋混凝土结构, 因为外部钢管的存在, 大大增加了结构的延性, 于是抗震性能得到了有效的提高。c.相比于纯钢结构来说, 耐火性能大大提升。d.在施工过程方面选择更加灵活, 逆作法以及半逆作法均可实现。

  钢管混凝土结构的建筑已经遍布全国各个区域, 例如北京的世界金融中心大厦, 广州的新中国大厦, 伤害的陆海工程等。深圳的赛格广场为中国典型的钢管混凝土高层结构, 该大厦共70层, 地上商用部分的高度为278.8, 该建筑的柱结构以及抗侧力体系的内筒采取了钢管混凝土柱。

  3 现阶段钢管混凝土的主要研究方向

  3.1 钢管混凝土的耐火性能

  目前国内外对火灾后结构损伤的研究主要集中在混凝土结构和钢结构上, 对于钢管混凝土结构的研究好比较少。因为钢材有一个比较明显的缺点就是耐火性差, 而混凝土则具有极好的耐火性, 将两者组合在一起, 使钢管和混凝土之间相互作用, 协同互补, 能使其耐火性得到很大的提升。

  3.2 钢管混凝土抗震性能

  现在对于钢管混凝土抗震性能的研究主要还停留在单独的构件范围内, 对钢管混凝土梁柱构件通过节点而组成的较为复杂的框架结构的抗震性能专项的研究还比较罕见, 相信在以后的研究中, 大家会逐渐重视并且更多的进行对这方面的研究, 从而得出结论为实际的工程建设提供依据。

  4 结论

  在世界范围内, 近几十年来钢管混凝土的研究都有了巨大的进展, 与此同时各国也相继出台了钢管混凝土结构的设计规范, 如欧洲的Eurocode4, 日本的AIJ, 美国的AISC以及国内韩林海公式等。虽然钢管混凝土结构有着数十年的发展历史, 但是与生活中随处可见的钢筋混凝土结构和钢结构相比, 钢管混凝土无疑是一种年轻的结构。但是随着人们对钢管混凝土优异的各项性能逐步认知, 钢管混凝土吸引了越来越多的科研人员投入到该结构中的研究中来, 随着科学研究的愈加深入和完善, 在以后的生活中, 钢管混凝土将越来越频繁的出现在大家的视野中。

  参考文献
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  [3]杨勇, 龚志超, 邓辉, 张林, 吴波, 赵登攀.钢管混凝土十字形截面柱耐火性能试验研究[J].建筑结构学报, 2017, 38 (12) :88-96.

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