鋼管混凝土結構概述

馬卓群

（太原鐵路房建段，山西 太原 030013）

鋼管混凝土就是在鋼管內填充混凝土而形成的結構構件，它是將鋼管抗彎能力強和混凝土軸向抗壓能力強的優點結合起來，同時利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中相互間的組合作用，克服了鋼管結構容易發生局部屈曲和混凝土抗彎能力弱的特點，而形成的一種新型組合結構。

1 鋼管混凝土結構的自身優點

由于鋼管混凝土結構的自身優點，其在我國的應用發展很快，被廣泛地應用于工程實踐中，主要優點有：

1.1 承載力高

鋼管混凝土結構構件受壓時，鋼管始終對填入的混凝土產生緊箍力，這樣，鋼管和混凝土都處在三向應力狀態下工作，使混凝土由原來的脆性材料轉變為塑性材料，因而，抗壓強度和變形能力都得到了極大的提高，同時，鋼管內部的混凝土又可以有效地防止鋼管發生局部屈曲。研究表明，鋼管混凝土受壓構件的強度承載力大約為鋼管和混凝土單獨承載力之和的1.7～2.0倍。

1.2 抗震性能優

對鋼管混凝土框架結構和鋼筋混凝土框架結構做頂層荷載—位移滯回曲線表明，鋼管混凝土結構的吸收性能比較好，而鋼筋混凝土框架出現明顯的捏縮現象。由于鋼管混凝土結構中鋼管位于混凝土外側，在側向力的作用下，其對內部的混凝土起到了很好的約束作用，從而延緩了混凝土裂縫的發展，降低了其剛度和強度的退化速度，使鋼管混凝土結構的抗側力能力優于普通的鋼筋混凝土結構，所以，鋼管混凝土結構抗震性能強于普通的鋼筋混凝土結構。

1.3 施工效率高

鋼管混凝土結構在施工中不需要搭設模板，節省了支模、拆模等工序；內部不需要配筋，鋼管兼作受力鋼筋與箍筋，節省了鋼筋下料、綁扎等工序；混凝土澆筑完畢后在相對密閉的環境中硬化，對環境的要求較低，相對于普通鋼筋混凝土結構省去了對混凝土的養護；鋼管柱具有足夠的剛度和強度，管內混凝土可選擇在任何時候進行澆灌，甚至可用泵灌頂升法3～4層樓澆灌1次，并不占用整個建筑的主導工期。鋼管混凝土結構混凝土澆筑一般采用頂升法和高拋自密實法，頂升法利用泵送的壓力將混凝土由底到頂注入鋼管，由混凝土自重及泵送壓力使混凝土達到密實的狀態。高拋自密實法是通過一定的拋落高度，利用混凝土墜落時的動能及混凝土自身的優異性能達到振實的效果，目前，兩種澆筑方法都有比較成熟的施工經驗。

1.4 抗火能力強

在遭受火災時，由于鋼管中的混凝土能夠吸收大量的熱量，使得鋼管混凝土柱截面溫度場的分布很不均勻，越到混凝土中心，溫度升高越慢，從而減慢了外側鋼管的溫度上升速度，但使柱子的耐火時間大大增加。即使鋼管達到屈服強度，混凝土還具有相當的軸向荷載承載能力，能夠有效防止結構失穩。

1.5 性價比高

采用普通強度混凝土的鋼管混凝土與鋼柱相比，可節約鋼材50%左右，造價也可降低；如與鋼筋混凝土柱相比，可節約混凝土50%以上，減輕結構自重50%以上，而二者耗鋼量和造價相當。如果采用在鋼管內填充高強度混凝土，可節約混凝土60%以上，同時減輕結構自重60%以上,可以有效降低工程建設成本。同鋼結構相比較，鋼管混凝土外露在空氣中的面積小，所需的抗腐蝕、防火費用較少，并且隨著柱子直徑的增大，經濟效果越顯著。

1.6 生態因素

在鋼管中填充再生混凝土，形成再生鋼管混凝土，在鋼管的約束之下也能發揮二者的相互作用。再生鋼管混凝土結構為廢棄混凝土的循環利用提供了一條有效的途徑，同時鋼管混凝土結構施工過程中省去了模板工程，大大減小了環境負擔。并且，同樣承載力的鋼管混凝土柱較鋼筋混凝土柱的截面小，尤其是高層建筑的底層或地下室柱截面較大，采用鋼管混凝土結構可以獲得更大的利用空間。

2 鋼管混凝土自身結構存在的弊端

2.1 使用范圍有限

鋼管混凝土結構的使用范圍目前僅限于柱、橋墩等軸心或小偏心受壓構件，還很少有使用鋼管混凝土梁的先例，這是因為梁一般都做成矩形。而矩形的鋼管混凝土結構受力比較復雜而且構造要求高，相對于圓鋼管混凝土，方鋼管混凝土存在鋼管對核心混凝土約束相對較弱的弱點，所以目前主要采用圓形截面的鋼管混凝土結構。

2.2 構件連接構造復雜

鋼管混凝土柱與梁的連接需要借助牛腿和加強板，當需要連接的梁較多，并且高度不同時，需要較多的牛腿和加強板，構造比較復雜，當采用暗牛腿時，會在一定程度上為混凝土的澆筑帶來不便。為了充分發揮承載力，使軸向荷載盡量傳遞到核心混凝土上，工程中常采用柱頂蓋板、柱腳底板和層間隔板、穿心板等來實現，這些構件與鋼柱的連接比較繁瑣，制作也較麻煩，不便于施工。當采用升板法施工時，鋼管混凝土柱與無梁蓋連接構造更為復雜，會直接影響到施工的進度。

2.3 混凝土質量檢查困難

鋼管中的混凝土屬于隱蔽工程范疇，澆筑完成后無法直觀檢查混凝土質量。當采用超聲脈沖檢測發現混凝土有缺陷時，需要將鋼管開孔來補強混凝土，然后再修復鋼管。檢查和修復工程繁瑣而復雜，所以鋼管混凝土結構對澆筑的混凝土質量要求較高，施工中必須嚴格控制混凝土的各項質量參數。

2.4 鋼管構件制作安裝要求高

鋼管混凝土結構中使用的鋼管優先使用螺旋焊管，對焊接質量要求很高，并且鋼管內部有除銹要求。在構件制作過程中，鋼管的對接是一個關鍵點，要求焊后的管肢符合質量要求，這就需要在焊接時采取相應的措施，嚴格按照焊接的順序作業，并且要考慮到焊接變形對構件的影響?，F場拼接時，通常在管內接縫處設置附加襯管來確保連接處的焊縫質量。格構式柱要求柱的肢管和各種腹桿的組裝連接尺寸和角度必須準確，更為施工增加了難度。為了控制鋼管在吊裝荷載作用下的變形，構件在吊裝前要驗算吊點設置的位置和數量，并且要控制吊裝速度。吊裝就位后，要立即進行校正，并采取可靠的固定措施以保證構件的穩定性。

3 對新型鋼管混凝土結構的研究成果

近年來，筆者對一些新型的鋼管混凝土結構進行了研究，并取得了一定的成果，具體的研究成果有：

3.1 薄壁鋼管混凝土結構

薄壁鋼管混凝土結構是由薄壁鋼管與混凝土組合形成的新型結構，通過設置縱向加筋肋，既具有組合結構的優點，又能節約鋼材，在一些荷載較輕的結構中具有良好的應用潛力。

3.2 采用高性能混凝土的鋼管混凝土

高性能混凝土的用水量較低，抗離析性高、流動性好，具有良好的自密實性，它可以在鋼管中自密實成型，大大方便了鋼管混凝土結構的施工，對確保工程質量具有重要的意義。

3.3 中空夾層鋼管混凝土結構

中空夾層鋼管混凝土結構是在兩個同心放置的鋼管之間灌注混凝土而成的構件，由于內外鋼管和混凝土三者的相互作用，與傳統實心鋼管混凝土構件相比，具有剛度大、自重輕、抗火能力強等優點，適用于大直徑樁和高層建筑中。

綜上所述，鋼管混凝土結構是一種新型的結構形式，自20世紀60年代引入我國以來，經過40多年的不斷發展和完善，被越來越廣泛地應用于高層、超高層建筑、大跨度橋梁工程、地下工程和工業廠房建設中，并已取得良好的經濟效益和社會效益。但是，相對于鋼筋混凝土結構和鋼結構，人們對鋼管混凝土結構的研究還處于起步階段，許多阻礙鋼管混凝土結構發展應用的深層次問題還有待解決。值得肯定的是，鋼管混凝土結構的優點遠多于缺點，隨著理論研究的不斷深入、新的施工工藝的出現和高性能材料的應用，鋼管混凝土結構的優點會充分體現出來，在工程中的應用必將更加廣泛。