2.鋼管混凝土結構的研究現狀

　　20世紀60年代之前，鋼管混凝土結構的研究對象主要是圓鋼管混凝土結構。從60年代后半期以后，開始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結構。目前，圓鋼管混凝土結構的研究已經取得了豐碩的成果，很多國家制定了相應的設計和施工規(guī)范或規(guī)程，如歐洲標準EC4（1996）、德國標準DIN18800（1997）、美國標準ACI319－89、SSLC（1979）和LRFD（1997）、日本標準AIJ（1980，1997）。在我國，鋼管混凝土結構的研究主要集中在圓鋼管中填充素混凝土的內填型圓鋼管混凝土結構，最早開展研究工作的是原中國科學院哈爾濱土建研究所。1968年以后，中國建筑科學研究院、冶金部冶金建筑科學研究院等單位也先后對鋼管混凝土基本構件的工作性能、設計方法、節(jié)點構造和施工技術等方面展開了系統(tǒng)的研究。進入80年代后，研究工作進一步深入，通過大量的試驗研究和理論分析，對構件的承載力和變形性能及其影響因素進行了全面的研究，得到了實用的設計計算公式。與此同時，鋼管混凝土結構的施工技術也在迅猛發(fā)展，涌現出很多新的施工工藝和施工方法，鋼管混凝土結構的優(yōu)勢得到了更加充分的發(fā)揮。近十幾年來，我國鋼管混凝土結構的科學研究和工程應用都取得了令人矚目的成就。目前已經先后有國家建材局、中國工程建設標準化委員會、國家經濟貿易委員會和解放軍總后勤部頒布發(fā)行了有關鋼管混凝土結構的設計規(guī)程。為鋼管混凝土結構在我國的推廣奠定了堅實的基礎，使鋼管混凝土結構廣泛應用于各種大型建筑工程和交通運輸工程中。鋼管混凝土結構的應用在近十年的時間里得到了飛速的發(fā)展。

　　我國對于矩形鋼管混凝土結構的研究工作開展得較晚，1985年鄭州工學院開始進行方鋼管混凝土軸壓短柱的研究，其后同濟大學等單位也進行了方鋼管混凝土構件的研究，取得了一定的成果，而我國的矩形鋼管混凝土結構的設計施工規(guī)程尚在制定中。

　　3.鋼管混凝土結構的工程應用

　　早在19世紀80年代，鋼管混凝土結構就已經出現。例如，1879年英國賽文（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年比利時建造船塢時，采用鋼管混凝土構件做桁架的壓桿和立柱，比鋼結構節(jié)省鋼材40%.法國巴黎居民區(qū)的第一座摩天大樓采用了鋼管混凝土框架柱，比鋼結構節(jié)省鋼材40%.前蘇聯(lián)在一些吊車棧橋（跨度達48m）中采用鋼管混凝土結構，比全鋼結構節(jié)省鋼材12%－28%，降低造價28%，比鋼筋混凝土結構省鋼9%，降低造價56%.日本、瑞士等國在輸電跨越塔中采用了鋼管混凝土結構，也都取得了顯著的經濟效益。

　　在20世紀60年代以前，由于鋼管內澆注混凝土的施工工藝尚未得到很好的解決，現場的施工操作顯得繁瑣，鋼管混凝土結構在施工性能方面的優(yōu)勢沒有得到應有的發(fā)揮。到80年代后期，由于泵送混凝土工藝的發(fā)展，解決了現場鋼管內部澆灌混凝土的工藝問題，加上現代高強混凝土需要用鋼管約束來克服其脆性。因此，鋼管混凝土結構在美國和澳大利亞等國的高層建筑中得到了廣泛應用，被認為是高層建造技術的一次重大突破。

　　我國鋼管混凝土結構技術的開發(fā)和應用已有近40年的歷史。1966年鋼管混凝土結構應用于北京地鐵車站工程，70年代又在單層工業(yè)廠房、重型構架中得到了成功的應用。近10年來，隨著國家經濟的迅猛發(fā)展，鋼管混凝土結構在我國的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成效地應用，推動了建造技術的發(fā)展。在我國，鋼管混凝土結構主要應用于以下的領域中。

　　3.1高層建筑工程

　　在高層建筑結構中，鋼管混凝土柱具有很大的優(yōu)勢：具有承載力高，抗震性能好的特點，既可以取代鋼筋混凝土柱，解決高層建筑結構中普通鋼筋混凝土結構底部的“胖柱”問題和高強鋼筋混凝土結構中柱的脆性破壞問題；也可以取代鋼結構體系中的鋼柱，以減少鋼材用量，提高結構的抗側移剛度。鋼管混凝土構件的自重較輕，可以減小基礎的負擔，降低基礎的造價。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”進行施工，從而加快施工進度；鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小，取材容易、價格低。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，修復和加固也比較容易。

　　3.2大跨度橋梁工程

　　隨著經濟的迅速發(fā)展，需要建造能夠跨越江河、海灣和山谷的，安全、經濟且輕盈美觀的大跨度橋梁。在我國，鋼管混凝土已經被廣泛地應用于拱橋結構中，也開始應用于斜拉橋結構中。

　　在拱橋結構中，鋼管混凝土構件主要用來承受軸向壓力。拱橋的跨度很大時，拱肋將承受很大的軸向壓力，采用鋼管混凝土構件是非常合理的。另外，鋼管可以做為橋梁安裝架設階段的勁性骨架和灌注混凝土的模板。因此，鋼管混凝土被認為是建造大跨度拱橋的一種比較理想的復合結構材料。自1990年在四川省旺蒼縣建成跨度為115米的我國第一座鋼管混凝土拱橋以來，在10來年的時間里，我國已經建成了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，尤其是重慶市萬縣長江公路大橋，跨度達到420米，一跨過江。經過多年的實踐，我國在鋼管混凝土拱橋建設上已經積累了豐富的經驗，形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術。

　　近年來，在斜拉橋和梁式橋中也開始采用鋼管混凝土結構，同樣取得了良好的經濟效益。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縣萬洲大橋都采用了鋼管混凝土空間桁架組合梁式結構，減輕了結構恒載，提了結構承載力利用系數，同時采用與之相適應的、合理的施工工藝，簡化了施工程序，減少了施工設備，加快了施工進度，降低了工程造價。在對廣東南海市紫洞大橋主橋進行了技術經濟分析，主橋采用鋼管混凝土空間桁架組合梁式結構與采用預應力混凝土連續(xù)鋼結構方案相比較，可以節(jié)省混凝土44%，節(jié)省預應力鋼材62%，增加普通鋼材23%.加上施工設備、臨時設施和施工工期等方面的因素，主橋的經濟效益就更為可觀。鋼管混凝土空間桁架組合梁式結構適用于多種橋型，如系桿拱橋結構、特大跨徑斜拉橋結構、特大跨徑懸索橋結構等，推廣其應用必將帶來顯著的經濟效益和社會效益。

　　3.3地鐵車站工程

　　地鐵車站是我國最早采用鋼管混凝土結構的工程項目。早期的地鐵車站是深埋地下的多跨結構，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，以減小柱子的截面尺寸，有效地利用空間。近年來，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，以盡量減少對城市正常生活的干擾以及對地面交通和鄰近建筑的影響。蓋挖逆作法，是先施工地下結構的頂蓋，在頂蓋的保護下進行開挖，按照從頂到底的順序進行施工。為此，必須在土方開挖前設置好頂蓋的中間支撐柱，鋼管混凝土柱將施工階段的臨時柱和結構的永久柱合二為一，因此是最好的選擇。90年代以來，北京地鐵的復八線工程中，采用蓋挖逆作法建成了“天安門東站”、“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件，為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結構的特點，很多工程中的柱子設計成格構式組合柱，如雙肢柱、三肢柱和四肢柱，把偏心彎矩轉變?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構車間采用了四肢柱。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，施工簡便，同時剛度好。單層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱時，鋼管中混凝土的澆注可以在全部主體結構安裝完成后進行，所以大大縮短了工期。如1992年建成的哈爾濱建成機械廠大容器車間，從破土動工到竣工只用了15.5個月；同年該廠又建成了容罐式汽車車間，主體結構的施工僅用了半年時間。

　　80年代初，我國開始在多層工業(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單管柱；如1984年建成的上海特種基礎科研所的科研樓，1985年建成的柳州水泥廠窯尾加熱車間。

　　4.鋼管混凝土結構研究的發(fā)展方向

　　4.1高強度材料的應用

　　采用高強混凝土可以減輕結構自重、降低工程造價。隨著混凝土強度的提高，其延性下降，這阻礙了它在實際工程中的應用。將高強混凝土灌入鋼管中形成高強鋼管混凝土，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，而其構件的承載力也得到了相應的提高。因此，高強鋼管混凝土具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　近年來，國內外對高強鋼管混凝土構件的研究表明；高強鋼管混凝土的力學性能與普通鋼管混凝土有所不同，其設計不能套用普通鋼管混凝土構件的設計公式。而我國現行的鋼管混凝土設計施工規(guī)范和規(guī)程只適用于普通鋼管混凝土結構，因此必須加大高強鋼管混凝土的研究力度，盡快制定出相應的設計施工規(guī)范和觀察。

　　4.2節(jié)點動力性能的研究

　　節(jié)點是結構設計中的關鍵部位，也是施工的難點。對于鋼管混凝土節(jié)點，其合理與否直接關系到結構的安全性和整個工程的造價。鋼管混凝土節(jié)點可以分為兩種；鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點和鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點。目前，國內對于鋼管混凝土節(jié)點靜力性能的研究較多，而對于節(jié)點動力性能的研究報導還較少。

　　4.3耐火性能的研究

　　我國還沒有制定針對鋼管混凝土結構的防火規(guī)定。對于已經建成的鋼管混凝土結構，有的采用鋼筋混凝土結構的要求外包混凝土，有的按照鋼結構的要求涂防火材料，都沒有統(tǒng)一規(guī)定和科學的依據。近年來，國內學者就鋼管混凝土的耐火性能問題進行了研究，已經取得了可喜的成績；應盡快編制出適合我國國情的鋼管混凝土結構防火規(guī)范。

　　4.4鋼管混凝土結構體系抗震性能的研究

　　在對采用鋼管混凝土柱及鋼筋混凝土柱的框架結構進行了抗震性能的對比試驗研究；并從理論上分析比較了兩種結構的動力性能，得出了鋼管混凝土框架結構的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土框架結構的結論。但目前對鋼管混凝土結構抗震性能的研究，主要還是集中在基本構件方面，而對于鋼管混凝土整體結構的抗震性能的研究還不多。應開展這方面充分的研究，以提供合理的抗震設計參數，便于工程應用。

　　4.5矩形鋼管混凝土結構的研究

　　矩形鋼管混凝土結構中，鋼管對于其內部混凝土的約束作用相對較弱，但是它具有節(jié)點形式簡單，便于施工等優(yōu)點。國外學者對矩形鋼管混凝土結構已進行了大量的研究，制定了相應的設計規(guī)程，在工程應用上也取得了很大的進展。我國的矩形鋼管混凝土結構的設計施工規(guī)程尚在制定中。

　　與鋼筋混凝土結構和鋼結構相比，鋼管混凝土結構是一種相對年輕的結構形式。隨著其理論研究的深入和完善，新型施工工藝的產生和高性能材料的應用，鋼管混凝土結構的應用范圍將不斷擴大。

　　4.6鋼管混凝土施工方面的研究

　　鋼管混凝土結構在施工中也有一些問題不容忽視。在結構構件的連接構造方面：①當鋼管混凝土柱與混凝土梁連接時，就必須借助于柱上的牛腿和加強板。如果用暗牛腿、會給澆注混凝土帶來不便，影響施工進度；②當鋼管混凝土柱與無梁蓋連接時，尤其是采用升板法施工時，板與柱的連接構造是相當復雜的，會直接影響到施工的進度；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、穿心板等來實現。當然前提條件必須是應保證管內混凝土的密實，做到這一點也是不易的。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，而且還會妨礙管內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預應力鋼管混凝土方面的研究

　　實際上，隨著鋼管混凝土組合結構體系的應用愈來愈廣泛，鋼管混凝土還常用于結構的受拉部位，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，本文提出了預應力鋼管混凝土結構，即對鋼管混凝土構件施加預應力，以提高結構的承載力。預應力鋼管混凝土結構不僅有效地拓展了鋼管混凝土的應用范圍（鋼管混凝土結構的應用范圍不再局限于軸心受壓短柱，可擴展到結構的受拉部位），而且改善了鋼管混凝土結構的性能，也充分發(fā)揮了組合結構的優(yōu)勢。另外，預應力鋼管混凝土結構用于斜拉橋的斜拉索亦是一種有益的嘗試，可改善結構的動力性能，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構

　　薄壁離心鋼管混凝土結構是介于鋼筋混凝土環(huán)形桿和鋼管桿之間的一種新型鋼—砼復合結構，該結構既可以充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的物理力學性能，又可避免這兩種材料在各自單獨實用條件下的弱點，具有良好的共同工作和力學性能。我國從1984年起，開始該結構研究試驗，目前關于該種結構的基本計算理論、技術規(guī)程、制造工藝以及施工及驗收規(guī)程均圖#以編制出版，已形成較為完整的體系。

　　該種結構與傳統(tǒng)的其它結構相比具有以下優(yōu)缺點：

　�。�1）與鋼筋混凝土電桿相比，其優(yōu)點為：在使用鋼材相同的情況下，可減小斷面，減輕重量；簡化制造工藝，不需要鋼模，提高勞動生產率；抗震和抗沖擊能力強，運輸、安裝破損少，搬運及立塔施工方便；可解決混凝土桿所普遍存在的裂縫問題，延長使用壽命；不需預埋件、抱箍等附件，連接方便；提高了構件及工程的美觀效果。

　　（2）與鋼管結構或普通鋼結構相比，其優(yōu)點為：節(jié)省25－50%的鋼材，降低造價20－40%左右；提高局部穩(wěn)定性；解決鋼管內壁防腐問題。