钢管混凝土在结构设计中的应用
钢管混凝土在结构设计中的应用
李 伟
【摘要】本文介绍钢管混凝土结构的性能特点及其在结构设计中的应用，分析钢管混凝土柱梁节点的构造与力学性能以及施工质量对其力学性能的影响。
【关键词】钢管混凝土；结构设计；梁柱节点设计；节点构造；施工质量
一、钢管混凝土的特点
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成构件，其截面形式通常为圆形与矩形，实际结构中，根据钢管作用的差异，钢管混凝土柱又分为两种形式：一是组成钢管混凝土的钢管和混凝土在受荷初期即共同受力；二是外荷载只作用在核心混凝土上，钢管只起约束作用，即所谓的钢管约束混凝土柱。实际工程中多采用前一种形式。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的共同作用，即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下。从而使混凝土的强度得以提高，韧性和塑性性能大为改善。同时由于混凝土的存在可以缓解或避免钢管发生局部屈曲，保证其材料性能的充分发挥；此外，在施工过程中，钢管还可以作为核心混凝土的外模板。与钢筋混凝土柱相比，采用钢管混凝土柱可减少构件断面，满足建筑使用功能的要求，同时节省模板费用，加快施工速度。总之，钢管混凝土作为一个组合体，不仅可以弥补两种材料各自的缺点而且可以充分发挥二者的优点，这也正是钢管混凝土得以广泛应用的优势所在。并具有以下特点：
1、承载力高
钢管混凝土承载力至少高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之和的1.5倍。承载力提高，将使构件截面减少，节约材料，增加使用空间，且构件自重减轻，基础荷载减少，可降低基础造价。
2、塑性和韧性好
混凝土脆性大，对于高强度混凝土更是如此，其工作的可靠性会因此大为降低。而对于钢管混凝土，在钢管的约束下，核心混凝土在正常使用阶段的弹性性能得到了改善，在破坏时还具有较大的塑性变形。此外，这种结构在承受冲击荷载和振动荷载时，也具有很好的韧性。因而抗震性能好。
3、施工方便
与钢筋混凝土柱相比，采用钢管混凝土柱没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简便，因管内无钢筋，浇筑方便。其施工特点符合现代施工技术工业化的要求。钢管混凝土在施工制造方面的一个重要发展方向是其钢管与钢梁或混凝土梁连接节点制造的标准化、工厂化。
4、耐火性能较好
和钢结构相比，耐火性能得到较大程度的提高。
5、经济效果好
钢管混凝土作为一种较合理的结构形式，可以很好的发挥钢材与混凝土的特性和潜力，使之得到更为充分和合理的应用。大量工程实践表明：用钢管混凝土作承压构件，比普通混凝土承压构件节约混凝土约50%，减轻结构自重50%左右，钢材用量稍有增加；和钢结构相比，可节约钢材50%左右。
二、节点设计
建筑工程中，通常是高层或超高层建筑、大跨度且单柱轴力大以及抗震等级较高的建筑采用钢管混凝土结构，钢管混凝土结构设计与施工最大的难点在于其柱脚节点和梁柱节点；目前工程设计中较常用的节点有：加强环式节点，双梁节点，半穿心牛腿节点和环梁节点。
1、柱脚节点
为了满足基础埋置深度，高层建筑通常设置地下室，上部结构受风荷载和地震作用而引起的结构整体剪力和弯矩基本由刚度较大的核心筒、地下室外墙及地下室周边的土体承受。柱脚节点主要承受轴力，剪力和弯矩可以忽略。同时为方便施工，节点设计时不采用插入式节点，即钢管不插入基础承台，这样可使基础承台在确保满足抗震、抗冲、剪切所需承台厚度的情况下，尽量上抬以减少承台基坑开挖量，降低施工难度；同时为改善基础板的局部承压，在钢管底部焊有法兰盘，盘上设加劲肋，以加强整体刚度，有效传递轴力，法兰盘用锚栓锚固在基础承台上。由于加劲肋高于地下室底板面影响到地下室的使用功能，实际应用中将法兰盘降低一个加劲肋高度，降低部分待柱脚钢管柱安装就位后用无收缩混凝土二次浇捣。详见附图。
2、梁柱节点
⑴加强环式节点。本节点是《钢管混凝土结构设计与施工规程》所推荐的节点形式之一，是迄今为止研究最成熟、应用较多的一种节点（见附图）；它利用上下加强环分别承受拉压力，形成力偶来抵抗梁端弯矩，利用肋板、穿心钢板、明牛腿等来传递梁端剪力，在适当的截面设计下能够
实现“强柱、弱梁、强节点”，力学性能优越。但节点的用钢量大，用于钢筋混凝土楼盖时施工难度大，明牛腿外露不美观等，节点在适用中的适应性和灵活性较差。
⑵双梁节点。
即所谓的梁包柱节点（见附图），也是《钢管混凝土结构设计与施工规程》所推荐的节点形式之一，规程推荐的同类节点还有变宽度单梁节点；它利用连续钢筋来传递弯矩，依靠明暗牛腿来传递剪力，是一种构造简单，施工方便，节约钢材的节点。但节点对楼盖梁布置与使用影响大，而且节点刚度弱，梁柱间弯矩传递能力差，计算时钢管柱只能认为是连续梁的中间支座，参与弯矩分配的程度小，结构体系不够合理。
⑶半穿心牛腿节点。本节点是将节点区的抗剪牛腿加长、加高，形成抗弯能力较强的抗弯剪牛腿，钢管外围设混凝土环梁，以形成一个刚性节点区，节点整体承受与传递弯矩和剪力的能力较强（见附图），在力学性能上较接近刚性节点，是近年研究发展出来的新型节点之一。
缺点是构造较复杂，施工工序多，特别是钢牛腿的制作要求高，钢管柱现场吊装时必须有准确的方向性。
⑷环梁节点。本节点就是在钢管外围设置一环形钢筋混凝土梁用于传递弯矩，在环梁内钢管外贴焊一环形钢筋作为抗剪环，依靠混凝土与钢管壁的粘接摩阻力及抗剪环来传递剪力，
（见附图），它也是近年研究发展出来的新型节点之一。研究表明，在梁端弯矩和剪力作用下，环梁受到拉、剪、弯、扭的共同作用，以拉力和双向剪力为主。该节点整体性强，制作简单，无方向性，施工方便，用钢量小，有明显的施工与经济优势。作为一种新型节点，试验研究证明静力条件下是理想的，同时通过多个具体工程模拟地震作用低周反复荷载试验，也证明环梁节点具有良好的塑性变形能力和较好的耗能能力，由于梁柱相对独立，节点的破坏不会影响钢管柱的完整性，容易实现强柱弱梁的设计思想。
三、钢管混凝土的防火设计
目前我国现行规范规程中对钢管混凝土结构防火尚未有明确的规定，仅在《钢管混凝土结构设计与施工规程》第1.0.6条规定“对有防火和防腐蚀要求的结构，应按有关的专门规定，作防火和防腐蚀处理”。规定的不明确性，一定程度制约了该类结构的推广应用。国内已建成的结构中，有的按照钢筋混凝土结构的要求外包混凝土，有的则按钢结构的要求外涂防火涂料。两种做法虽也可能保证防火要求和结构的安全性，但大多偏于保守而造成浪费，且缺乏科学性和统一性。如前所述，《钢管混凝土结构设计与施工规程》规程同样认为“钢管混凝土的耐火性能虽不如钢筋混凝土好，但比钢结构要强”。
有关文献显示，钢管混凝土柱在有效荷载作用下，含钢率、钢材屈服极限、混凝土强度和荷载偏心率对钢管混凝土构件耐火极限的影响不大，而构件截面尺寸、长细比和防火保护层厚度对耐火极限的影响较为显著。就是说，构件直径的大小对耐火极限有很大影响，构件直径越大，耐火极限越大；反之，直径越小，耐火极限也越小。钢管混凝土在有效荷载作用下，如不进行防火保护，耐火极限一般均不能满足防火要求，为了使钢管混凝土达到所需耐火极限，要对其进行防火保护。试验显示，在其他条件相同的情况下，保护层厚度越大，构件的耐火极限将越大。
近几年，随着国内外学者在对钢管混凝土工作机理和力学性能研究方面已取得一系列重要成果，随着建筑技术与建筑材料的不断出新，特别是新型建筑防火涂料的不断出现，钢管混凝土的防火设计已基本转向外喷厚涂型防火涂料这种方式，它比外包混凝土施工方便，技术要求低，造价省，且防火性能较好，试验结果显示，当防火涂层厚度为15mm时，对于直径为500mm的构件，耐火极限可达到196min。
四、钢管混凝土的施工与质量检测
钢管混凝土的施工包括钢管柱的制作安装与管内混凝土的浇捣，钢管柱通常由工厂按设计施工图要求制作并出具出厂合格证，焊缝质量满足二级焊缝质量标准要求，然后运至施工现场吊装连接就位。
如前所述，组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土间的协同互补作用是钢管混凝土具有一系列突出优点的根本所在，也就是说，钢管和核心混凝土间的粘结强度的主要因素有钢管混凝土构件截面形状、混凝土龄期和强度、钢管径厚比、长细比以及混凝土浇筑方式等，以混凝土浇筑质量较为明显。混凝土浇筑质量的好坏直接影响到构件的承载力和抗变形能力，从而影响到构件的安全性和正常工作。
管内混凝土的浇筑质量，可用敲击钢管的方法进行初步检查，对异常部位和重要部位，则用超声波检测。对不密实部位，应采用钻孔压浆法进行补强。
五、结束语
钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能和经济效果好等优点，是发展前景较好的一种结构形式，《高规》中明确规定“房屋高度大、柱距较大而柱中轴力较大时，宜采用型钢混凝土或钢管混凝土柱”。
本文针对工程实际，比较了加强环式节点、双梁节点、半穿心牛腿节点、钢筋混凝土环梁节点等节点在整体结构刚度、内力传递能力、施工的经济性等方面的优缺点，认为：尽管环梁节点作为一种新型节点，但它有诸多优点，且实际工程节点试验均验证这种节点具有较高的耗能能力、较好的塑性变形能力，节点美观、施工方便、经济性好，今后会得到广泛的应用。
钢管混凝土的耐火性虽不如钢筋混凝土好，但比钢结构要好，设计中确定一个经济合理的防火设计方法，显得较为重要。
为确保钢管和核心混凝土间的粘结摩阻力，必须确保混凝土的浇筑质量，应尽量采用高强度混凝土，并掺加一定比例的微膨胀剂。
参考文献：
《钢管混凝土结构设计与施工规程》
《高层民用建筑设计防火规范》（2005年版）
《钢管混凝土结构》（科学出版社出版）
《复杂高层建筑结构设计》（中国建筑工业出版社）
《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2002）
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