鋼管混凝土的應(yīng)用和發(fā)展

鋼管混凝土的應(yīng)用和發(fā)展摘要由于鋼管混凝土具有承載力高,耐腐蝕,便于施工等一系列優(yōu)點,它在土木工程中的應(yīng)用越來越廣泛,尤其在橋梁工程中的應(yīng)用也越來越引起人們的興趣與重視。本文就鋼管混凝土的工作原理、計算理論、鋼管混凝土的主要優(yōu)缺點以及一些新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)做了簡要的論述。關(guān)鍵詞鋼管混凝土；新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；應(yīng)用；發(fā)展近1個多世紀以來,鋼管混凝土這種組合材料的研究不斷深入,施工工藝大幅度改進,鋼管混凝土在全世界范圍內(nèi)在房建、橋梁等工程中得到了大量的應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計,從1990年到1994年間已建和再建的鋼管混凝土拱橋達20多座[1],到1997年已達40多座[2],到1998年則已達60多座,到目前為止,跨度不等的鋼管混凝土拱橋已有200多座。1鋼管混凝土的工作原理鋼管混凝土,英文簡稱CFST。它是約束混凝土的一種特例，是將高強混凝土灌入薄壁圓鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材料,利用在一般的工作狀態(tài)下,2種不同力學性能的材料產(chǎn)生相互作用,即緊箍力來協(xié)調(diào)工作。這里以工程中使用最多的也是最最典型的圓形鋼管混凝土短柱為例來介紹鋼管混凝土的工作原理,如圖1(b)所示。據(jù)有關(guān)文獻介紹[3],鋼材在彈性工作階段,泊松比μs變化很小,在0.25～0.3之間,可以認為是常數(shù)。取μs=0.283;而混凝土的泊松比μc在受力過程中是不斷變化的。由低應(yīng)力狀態(tài)下的0.167左右逐漸增大到0.5,當接近破壞階段時,由于混凝土內(nèi)部縱向微裂縫的發(fā)展,將超過0.5。對于鋼管混凝土而言,在軸壓力的作用下,μc逐漸增大,并且迅速地超過鋼材的泊松比μs。當μs=μc時,鋼管和混凝土的徑向變形一致,相互間沒有緊箍力存在;當μs<μc,鋼管限制了混凝土的徑向變形,根據(jù)變形協(xié)調(diào)關(guān)系,相互間產(chǎn)生緊箍力;當μs>μc時,此時鋼管已進入塑性屈服階段,相互間作用力只剩下粘結(jié)力。由于緊箍力的存在,使得鋼管與混凝土處于三向受力狀態(tài),見圖1(a)。混凝土在圖1鋼管混凝土三向受力狀態(tài)三向壓應(yīng)力作用下,其工作性能發(fā)生了質(zhì)的變化,不但提高了承載力,而且還增大了其極限壓應(yīng)變;在軸心壓力作用下,薄壁鋼管的承載力是極不穩(wěn)定的,實驗證明,鋼管實際承載力往往是理論計算值的1P3～1P5。當在鋼管內(nèi)澆筑混凝土并達到一定強度后,混凝土保證了薄壁鋼管的局部穩(wěn)定,反過來,鋼管又約束混凝土的徑向變形,使它處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài),延緩了受壓時的縱向開裂,從而提高了鋼管混凝土構(gòu)件的承載力。因此,鋼管混凝土作為一種組合材料,具有獨特的工作特性:彈性工作而塑性破壞,承載力高而極限壓縮變形大。其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系近似于鋼材的性能。2新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于鋼管混凝土優(yōu)越的性能，這些年鋼管混凝土得到了飛速的法展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)得到了不斷的豐富和改進，許多新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。例如：薄壁鋼管混凝土、中空夾層鋼管混凝土、FRP-混凝土-鋼管組合柱、FRP約束鋼管混凝土、鋼管混凝土曲桿、鋼管再生混凝土、鋼管高性能混凝土等。在曲線形空鋼管內(nèi)澆筑混凝土可形成鋼管混凝土曲桿。與傳統(tǒng)的直線形鋼管混凝土類似,其同樣可利用鋼管和混凝土在受力過程中的相互作用,從而具有較高強度以及抗彎和抗變形能力。由于鋼管混凝土曲桿外形美觀,性能優(yōu)越,因而在體育館、機場航站樓、拱橋等大型結(jié)構(gòu)中有著較為廣闊的應(yīng)用前景。近年來，由于環(huán)保力度的加強，再生混凝土作為一種環(huán)保的再生資源再國內(nèi)外得到了大量的研究和應(yīng)用。將再生混凝土灌入鋼管形成鋼管再生混凝土之后,使再生混凝土處于鋼管的約束和保護之下,二者同樣也存在相互作用。鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)可促進再生混凝土在土木建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和發(fā)展,為廢棄混凝土資源化提供一條有效的途徑。高性能混凝土(指高流態(tài)自密實混凝土)很適合在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用,其在自重或少振搗的情況下就能自密實成形,對方便鋼管混凝土的施工,保工程質(zhì)量具有重要意義。鋼管混凝土是推廣和應(yīng)用高強超高強混凝土最佳的結(jié)構(gòu)形式之一。研究結(jié)果表明,鋼管高性能混凝土的力學性能與鋼管普通混凝土類似鋼管普通混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法基本適用于鋼管性能混凝土結(jié)構(gòu)。此外,在鋼管中還可灌注鋼纖維混凝土、輕骨料混凝土等,但由于其與普通混凝土學性能的顯著差異,導致將其灌入鋼管所形成的組合構(gòu)件的力學性能與鋼管普通混凝土也存在較大異。目前對鋼管高性能混凝土的研究已經(jīng)比較深入,但對其他核心混凝土的鋼管混凝土研究得還比較少。3鋼管混凝土的主要優(yōu)點及問題鋼管混凝土最初是使用在房建的立柱上。因為其承載能力高特別是抗壓強度大的特點可以大大地減少結(jié)構(gòu)的尺寸增加房屋的使用空間以及滿足視覺美觀的要求。但真正使這一結(jié)構(gòu)形式大放光芒的還是在橋梁上，特別是鋼管混凝土拱橋。3.1鋼管混凝土的優(yōu)點(1)核心混凝土處于三軸受壓狀態(tài)大大提高了混凝土的抗壓強度。因此其承載能力大。鋼管混凝土利用內(nèi)填混凝土增強管壁的穩(wěn)定性（單一的鋼結(jié)構(gòu)形式很容易局部失穩(wěn)）,又利用鋼管對核心混凝土的套箍作用,使鋼管混凝土的優(yōu)越性能得到充分發(fā)揮,具有很高的抗壓強度和抗變形能力,非常適合以受壓為主的立柱和以偏心受壓為主的拱橋。（2）施工快捷。施工時,鋼管充當很好的模板,無需額外的腳手架和模板,又起到勁性骨架的作用。另一方面,橋梁基坑開挖、基礎(chǔ)與混凝土澆筑、鋼管加工、吊桿制作、橫梁和橋面板預(yù)制可同時進行,模塊化程度高,節(jié)省了施工工期,與同等跨徑的其它體系橋梁相比,可節(jié)省工期30%以上。逼（3撫）經(jīng)縣濟效顏益好楊。有罰研究振統(tǒng)計赤數(shù)據(jù)敘：柄①斥鋼管臘混凝順土柱運比相銳同混柔凝土歪強度就的鋼狼筋混州凝土則柱節(jié)熟約混榜凝土姜50屑%以盞上,擔耗鋼翅量略庸多或猛相等稿。造與普音通鋼餡柱相鴿比,勇鋼管量混凝續(xù)土柱焰可節(jié)情約鋼兄材5欄0%凍以上憤,造偵價也陶可降勻低磚。層②丈混凝矛土的漠強度雞越高縱,鋼愿筋混緞凝土干的造咳價越當?shù)?陣60昨鋼筋貿(mào)混凝上土的躬造價躺比4愧0鋼適筋混撤凝土荷的造出價降迫低莊15總.2沾%賽。胳③洋鋼管里超高番強混義凝土巧的造乘價比田C聰60舒鋼筋川混凝抖土的奉造價啞降低潮28慧.8繪%；安比此C勸40擇鋼筋雄混凝律土的跡造價副降低極36餅.7惜%辰。畏④嗽混凝常土強榨度越絕高,測其鋼尊管混昏凝土貧的造總價越勸低"興在鋼威管壁宅厚和醉鋼材飄強度漢相同賞的前桃提下或,混斧凝土您強度玉為1畏16旗MP劫a拐的鋼慎管超踏高強略混凝倆土的揭造價蚊比惜30堡MP葉a、駛54蘆MP延a、遵83卵MP跨a拋的鋼甚管混死凝土舌分別叔降低闖了訓30預(yù).3蹲%、溉18櫻.7塞%和挎11良.5土%,夸橫截同面積銜分別皇減小寧了徹5罷4.邀9%防、3礦8.稅8%例、2允1.脂5%冬。掃3.想2鋼纖管混您凝土汪目前畫主要妄存在忌的問菌題茫盡管炒鋼管牛混凝蘿土發(fā)呆展很至快擱,飛但是請其設(shè)廚計理右論蠶,抵計算遵方法略,怕規(guī)范溝制定頌等方亞面卻雖比較地落后制,受具體辣體現(xiàn)種在以侮下幾肺個方賓面均:冶鋼管眾混凝霸土的乎本構(gòu)膠關(guān)系慈。由狡于鋼超管混跨凝土吧力學值行為歸的復(fù)搖雜性申,膊迄今吸尚未沃建立府起比歐較完屋善的卻本構(gòu)皆關(guān)系脊,壯特別剝是混毒凝土然的本純構(gòu)關(guān)挑系槽,遲現(xiàn)有征的本困構(gòu)關(guān)努系雖摔然包辯括混塑凝土幅的彈我性、園彈塑像性和她屈服咸階段東,西但大朱都以箭回歸供公式顯為主躲。鋼炕管與嫂混凝最土各志自的輝本構(gòu)異關(guān)系歲如何煎選取數(shù),簡才能塵使二刻者的潮結(jié)合板最優(yōu)招,情缺乏杜研究傍。論(麗2處)損由于刑核心詞混凝沃土的斤收縮描,個鋼管額混凝琴土拱束肋中銹出現(xiàn)燕鋼管董與混殿凝土悠不密倚貼的牧現(xiàn)象趁。尤質(zhì)其是順在拱潤頂。銷工程貝中常革采用絲壓漿嗚或微挨膨脹援混凝魔土來危解決敞混凝鍵土的等收縮容。但頓微膨茂脹混洽凝土琴的效瞇果也渴缺乏緞細致膜的研哲究。蓋此外州,鴉有人冰認為恐在日鎖照下魄鋼管遇與混預(yù)凝土滅會受勿到溫緒差的企影響巷而出湖現(xiàn)空勻隙滲,彎以致藍使套漠箍力述的發(fā)器揮在鐮工程封界存暴在質(zhì)哈疑。姜對于祖這個向問題拴目前荒還缺誤乏深宜入的贈研究賤。漢(3英)性鋼管支混凝大土的墳有限比元計椅算理鼻論缺嚴乏統(tǒng)消一性方?；斢诂F(xiàn)代有的笛資料洲,硬未呈株見過亮各種悠計算閃理論龜?shù)谋认^。貢現(xiàn)有拌的計臺算模京型有址熊峰辭的鋼食管混所凝土腥結(jié)構(gòu)寫的矩塊陣位悄移法梳[7瓣]洪,可嚴志健剛的攝3障節(jié)點授鋼管掘混凝淋土梁矮單元汗[伶8勇]材,H模aj則ja曾r麥建立塑的三綿維鋼歷管混沿凝土勇單元軋[遍9辭]勒,租王小榨崗提廟出的熔三維棟退化齒層合條曲梁提單元睜[1盜0軟]穩(wěn)等。霸這些日模型膀各有徐優(yōu)缺矮點。添(鐘4頭)存鋼管黑混凝怖土桁廚架節(jié)首點與勇柔性世吊桿碑的疲賣勞問轉(zhuǎn)題注,搜研究賽不夠主深入弱。賄(肝5凱)娛設(shè)計前規(guī)范將。隨側(cè)著鋼呀管混搶凝土悉拱橋每的不踏斷發(fā)菊展件,足對其糞專門候規(guī)范堂的制公定要偶求更洋加迫虎切。題當前閑存在哀于設(shè)臺計、煌制作雕、施餅工之赴間的地并影段響到戲業(yè)主扭、監(jiān)侄理判宇斷和征裁定筐的一熱些不倚協(xié)調(diào)參問題舟,栽既需喉要理尿論上奶的支各持問,主實踐耽中的剛檢驗否,六更需醉要規(guī)撈范的辨量定柳。示4唱鋼管加混凝盈土的驚計算奇理論披自從燃發(fā)現(xiàn)狠套箍丑混凝萄土比鮮一般帖結(jié)構(gòu)肚的混底凝土鉗承載的能力置有較匙大提紅高以棋來并,旬國內(nèi)退外均嚇開展抹了對絹這方豬面的筆系統(tǒng)徹研究僵,現(xiàn)取得峰了豐性碩的臺成果主,喂出版際、發(fā)寫表了聚大量堵的?？椭?、祥論文摩,胃鋼管累混凝紅土則陽是其跡中比氏較突裹出的穿一種遞。盡抹管如莖此率,位目前炕對鋼絹管混沈凝土呢仍存千在許姜多不次同的藝觀點企,效理論素研究鴉仍不暮完善浪,驅(qū)如鋼隸管混尚凝土姿本構(gòu)圣關(guān)系蜻,幫特別醉是處禽于三賊向受升壓狀族態(tài)的至核心墊混凝穗土本峽構(gòu)關(guān)曠系。凝即使株是最子基本查的鋼乘管混炸凝土谷短柱她試件害,辱如鋼單管混艱凝土濁短柱毯的長兩細比利值宅,的鋼管洪的縱匠向應(yīng)駱變與奉核心擁混凝療土的獻縱向沉應(yīng)變焦不協(xié)胸調(diào)一遠致等燈尚未揭取得妹一致曬看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