3. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

    早在19世紀(jì)80年代，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就已經(jīng)出現(xiàn)。例如，1879年英國(guó)賽文（severn）鐵路橋的建造中采用了鋼管橋墩，在鋼管中灌了混凝土以防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。前蘇聯(lián)烏拉爾的伊謝特鐵路橋采用鋼管混凝土構(gòu)件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子，省鋼25％。1961年比利時(shí)建造船塢時(shí)，采用鋼管混凝土構(gòu)件做桁架的壓桿和立柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%.法國(guó)巴黎居民區(qū)的第一座摩天大樓采用了鋼管混凝土框架柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%.前蘇聯(lián)在一些吊車棧橋（跨度達(dá)48m）中采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，比全鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材12％－28％，降低造價(jià)28%，比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)省鋼9%，降低造價(jià)56%.日本、瑞士等國(guó)在輸電跨越塔中采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，也都取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

    在20世紀(jì)60年代以前，由于鋼管內(nèi)澆注混凝土的施工工藝尚未得到很好的解決，現(xiàn)場(chǎng)的施工操作顯得繁瑣，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工性能方面的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到應(yīng)有的發(fā)揮。到80年代后期，由于泵送混凝土工藝的發(fā)展，解決了現(xiàn)場(chǎng)鋼管內(nèi)部澆灌混凝土的工藝問(wèn)題，加上現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土需要用鋼管約束來(lái)克服其脆性。因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在美國(guó)和澳大利亞等國(guó)的高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是高層建造技術(shù)的一次重大突破。

    我國(guó)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已有近40年的歷史。1966年鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于北京地鐵車站工程，70年代又在單層工業(yè)廠房、重型構(gòu)架中得到了成功的應(yīng)用。近10年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成效地應(yīng)用，推動(dòng)了建造技術(shù)的發(fā)展。在我國(guó)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于以下的領(lǐng)域中。

    3.1 高層建筑工程

    在高層建筑結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土柱具有很大的優(yōu)勢(shì)：具有承載力高，抗震性能好的特點(diǎn)，既可以取代鋼筋混凝土柱，解決高層建筑結(jié)構(gòu)中普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部的“胖柱”問(wèn)題和高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中柱的脆性破壞問(wèn)題；也可以取代鋼結(jié)構(gòu)體系中的鋼柱，以減少鋼材用量，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。鋼管混凝土構(gòu)件的自重較輕，可以減小基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)，降低基礎(chǔ)的造價(jià)。全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”進(jìn)行施工，從而加快施工進(jìn)度；鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小，取材容易、價(jià)格低。其耐腐蝕和防火性能也優(yōu)于鋼柱。鋼管混凝土柱不易倒塌，即使損壞，修復(fù)和加固也比較容易。

    3.2 大跨度橋梁工程

    隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，需要建造能夠跨越江河、海灣和山谷的，安全、經(jīng)濟(jì)且輕盈美觀的大跨度橋梁。在我國(guó)，鋼管混凝土已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu)中，也開(kāi)始應(yīng)用于斜拉橋結(jié)構(gòu)中。

    在拱橋結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土構(gòu)件主要用來(lái)承受軸向壓力。拱橋的跨度很大時(shí)，拱肋將承受很大的軸向壓力，采用鋼管混凝土構(gòu)件是非常合理的。另外，鋼管可以做為橋梁安裝架設(shè)階段的勁性骨架和灌注混凝土的模板。因此，鋼管混凝土被認(rèn)為是建造大跨度拱橋的一種比較理想的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。自1990年在四川省旺蒼縣建成跨度為115米的我國(guó)第一座鋼管混凝土拱橋以來(lái)，在10來(lái)年的時(shí)間里，我國(guó)已經(jīng)建成了100多座鋼管混凝土拱橋，其中跨度在100米以上的就有30多座，尤其是重慶市萬(wàn)縣長(zhǎng)江公路大橋，跨度達(dá)到420米，一跨過(guò)江。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，我國(guó)在鋼管混凝土拱橋建設(shè)上已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術(shù)。

    近年來(lái)，在斜拉橋和梁式橋中也開(kāi)始采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，同樣取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。例如，廣東南海市紫洞大橋、湖北秭歸縣向家壩大橋和四川萬(wàn)縣萬(wàn)洲大橋都采用了鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)，減輕了結(jié)構(gòu)恒載，提了結(jié)構(gòu)承載力利用系數(shù)，同時(shí)采用與之相適應(yīng)的、合理的施工工藝，簡(jiǎn)化了施工程序，減少了施工設(shè)備，加快了施工進(jìn)度，降低了工程造價(jià)。在對(duì)廣東南海市紫洞大橋主橋進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，主橋采用鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)與采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)方案相比較，可以節(jié)省混凝土44%，節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材62％，增加普通鋼材23％。加上施工設(shè)備、臨時(shí)設(shè)施和施工工期等方面的因素，主橋的經(jīng)濟(jì)效益就更為可觀。鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)適用于多種橋型，如系桿拱橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)等，推廣其應(yīng)用必將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

    3.3 地鐵車站工程

    地鐵車站是我國(guó)最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程項(xiàng)目。早期的地鐵車站是深埋地下的多跨結(jié)構(gòu)，用明挖法施工；采用鋼管混凝土柱主要是利用其承載力高的特點(diǎn)，以減小柱子的截面尺寸，有效地利用空間。近年來(lái)，在城市中心地區(qū)修建的地鐵車站多為淺埋式的、具有綜合功能的多層地下建筑。采用蓋挖逆作法施工，以盡量減少對(duì)城市正常生活的干擾以及對(duì)地面交通和鄰近建筑的影響。蓋挖逆作法，是先施工地下結(jié)構(gòu)的頂蓋，在頂蓋的保護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖，按照從頂?shù)降椎捻樞蜻M(jìn)行施工。為此，必須在土方開(kāi)挖前設(shè)置好頂蓋的中間支撐柱，鋼管混凝土柱將施工階段的臨時(shí)柱和結(jié)構(gòu)的永久柱合二為一，因此是最好的選擇。90年代以來(lái)，北京地鐵的復(fù)八線工程中，采用蓋挖逆作法建成了“天安門(mén)東站”、“大北窯站”和“永安里站”；在建中的南京地鐵的“三山街站”也是采用的蓋挖逆作法進(jìn)行施工。

    3.4 單層和多層工業(yè)廠房柱

    單層工業(yè)廠房的柱屬于偏心受壓構(gòu)件，為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，很多工程中的柱子設(shè)計(jì)成格構(gòu)式組合柱，如雙肢柱、三肢柱和四肢柱，把偏心彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S心力。如1972年建成的本溪鋼鐵公司二煉鋼軋輥鋼錠模車間采用了四肢柱；1980年建成的太原鋼鐵公司第一軋鋼廠第二小型廠的下柱采用雙肢柱；1982年建成的吉林種籽處理車間采用了三肢柱；1980年建成的武昌造船廠船體結(jié)構(gòu)車間采用了四肢柱。與鋼筋混凝土柱和普通鋼柱相比，鋼管混凝土組合柱顯得特別輕巧，節(jié)約鋼材，施工簡(jiǎn)便，同時(shí)剛度好。單層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱時(shí)，鋼管中混凝土的澆注可以在全部主體結(jié)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行，所以大大縮短了工期。如1992年建成的哈爾濱建成機(jī)械廠大容器車間，從破土動(dòng)工到竣工只用了15.5個(gè)月；同年該廠又建成了容罐式汽車車間，主體結(jié)構(gòu)的施工僅用了半年時(shí)間。

    80年代初，我國(guó)開(kāi)始在多層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱。多層工業(yè)廠房柱基本為偏心受壓?jiǎn)喂苤?；?984年建成的上海特種基礎(chǔ)科研所的科研樓，1985年建成的柳州水泥廠窯尾加熱車間。

    4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展方向

    4.1 高強(qiáng)度材料的應(yīng)用

    采用高強(qiáng)混凝土可以減輕結(jié)構(gòu)自重、降低工程造價(jià)。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，其延性下降，這阻礙了它在實(shí)際工程中的應(yīng)用。將高強(qiáng)混凝土灌入鋼管中形成高強(qiáng)鋼管混凝土，由于受到鋼管的約束作用，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，其延性將大為提高，而其構(gòu)件的承載力也得到了相應(yīng)的提高。因此，高強(qiáng)鋼管混凝土具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/P>

    近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土構(gòu)件的研究表明；高強(qiáng)鋼管混凝土的力學(xué)性能與普通鋼管混凝土有所不同，其設(shè)計(jì)不能套用普通鋼管混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)公式。而我國(guó)現(xiàn)行的鋼管混凝土設(shè)計(jì)施工規(guī)范和規(guī)程只適用于普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，因此必須加大高強(qiáng)鋼管混凝土的研究力度，盡快制定出相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范和觀察。

    4.2 節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能的研究

    節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部位，也是施工的難點(diǎn)。對(duì)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)，其合理與否直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和整個(gè)工程的造價(jià)。鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)可以分為兩種；鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)和鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)靜力性能的研究較多，而對(duì)于節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能的研究報(bào)導(dǎo)還較少。

    4.3 耐火性能的研究

    我國(guó)還沒(méi)有制定針對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的防火規(guī)定。對(duì)于已經(jīng)建成的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，有的采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要求外包混凝土，有的按照鋼結(jié)構(gòu)的要求涂防火材料，都沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定和科學(xué)的依據(jù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者就鋼管混凝土的耐火性能問(wèn)題進(jìn)行了研究，已經(jīng)取得了可喜的成績(jī)；應(yīng)盡快編制出適合我國(guó)國(guó)情的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)防火規(guī)范。

    4.4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系抗震性能的研究

    在對(duì)采用鋼管混凝土柱及鋼筋混凝土柱的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能的對(duì)比試驗(yàn)研究；并從理論上分析比較了兩種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，得出了鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的結(jié)論。但目前對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，主要還是集中在基本構(gòu)件方面，而對(duì)于鋼管混凝土整體結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究還不多。應(yīng)開(kāi)展這方面充分的研究，以提供合理的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)，便于工程應(yīng)用。

    4.5 矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究

    矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼管對(duì)于其內(nèi)部混凝土的約束作用相對(duì)較弱，但是它具有節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單，便于施工等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者對(duì)矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已進(jìn)行了大量的研究，制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)程，在工程應(yīng)用上也取得了很大的進(jìn)展。我國(guó)的矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工規(guī)程尚在制定中。

    與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種相對(duì)年輕的結(jié)構(gòu)形式。隨著其理論研究的深入和完善，新型施工工藝的產(chǎn)生和高性能材料的應(yīng)用，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。

    4.6 鋼管混凝土施工方面的研究

    鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工中也有一些問(wèn)題不容忽視。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接構(gòu)造方面：①當(dāng)鋼管混凝土柱與混凝土梁連接時(shí)，就必須借助于柱上的牛腿和加強(qiáng)板。如果用暗牛腿、會(huì)給澆注混凝土帶來(lái)不便，影響施工進(jìn)度；②當(dāng)鋼管混凝土柱與無(wú)梁蓋連接時(shí)，尤其是采用升板法施工時(shí)，板與柱的連接構(gòu)造是相當(dāng)復(fù)雜的，會(huì)直接影響到施工的進(jìn)度；③為了能夠充分發(fā)揮鋼管混凝土的承載力，鋼管混凝土的連接應(yīng)盡可能地將連接力可靠地傳遞到核心混凝土上。常采用柱頂蓋板、柱腳底板和層間隔板、穿心板等來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然前提條件必須是應(yīng)保證管內(nèi)混凝土的密實(shí)，做到這一點(diǎn)也是不易的。橫隔板和上、下柱的連接是比較縈瑣的，尤其是對(duì)于小直徑管，特別不便于施工。穿心板的制作也很麻煩，而且還會(huì)妨礙管內(nèi)混凝土的澆注和振搗。一般僅在大直徑鋼管混凝土中使用。

    4.7 預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土方面的研究

    實(shí)際上，隨著鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛，鋼管混凝土還常用于結(jié)構(gòu)的受拉部位，如鋼管混凝土空間桁架的下弦及受拉腹桿、大跨度拱橋的水平拉桿和擋土墻的錨桿等。因此，本文提出了預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，即對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力，以提高結(jié)構(gòu)的承載力。預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不僅有效地拓展了鋼管混凝土的應(yīng)用范圍（鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍不再局限于軸心受壓短柱，可擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)的受拉部位），而且改善了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的性能，也充分發(fā)揮了組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。另外，預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用于斜拉橋的斜拉索亦是一種有益的嘗試，可改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，減小斜索垂度的影響，提高索的耐久性和抗腐蝕能力。

    4.8薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

    薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是介于鋼筋混凝土環(huán)形桿和鋼管桿之間的一種新型鋼—砼復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既可以充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的物理力學(xué)性能，又可避免這兩種材料在各自單獨(dú)實(shí)用條件下的弱點(diǎn)，具有良好的共同工作和力學(xué)性能。我國(guó)從1984年起，開(kāi)始該結(jié)構(gòu)研究試驗(yàn)，目前關(guān)于該種結(jié)構(gòu)的基本