钢管混凝土的应用和发展.doc

钢管混凝土的应用和发展摘要由于钢管混凝土具有承载力高耐腐蚀便于施工等一系列优点它在土木工程中的应用越来越广泛尤其在桥梁工程中的应用也越来越引起人们的兴趣与重视。本文就钢管混凝土的工作原理、计算理论、钢管混凝土的主要优缺点以及一些新型钢管混凝土结构做了简要的论述。关键词钢管混凝土；新型钢管混凝土结构；应用；发展近1个多世纪以来钢管混凝土这种组合材料的研究不断深入施工工艺大幅度改进钢管混凝土在全世界范围内在房建、桥梁等工程中得到了大量的应用。据不完全统计从1990年到1994年间已建和再建的钢管混凝土拱桥达20多座[1]到1997年已达40多座[2]到1998年则已达60多座到目前为止跨度不等的钢管混凝土拱桥已有200多座。1钢管混凝土的工作原理钢管混凝土英文简称CFST。它是约束混凝土的一种特例是将高强混凝土灌入薄壁圆钢管内而形成的组合结构材料利用在一般的工作状态下2种不同力学性能的材料产生相互作用即紧箍力来协调工作。这里以工程中使用最多的也是最最典型的圆形钢管混凝土短柱为例来介绍钢管混凝土的工作原理如图1(b)所示。据有关文献介绍[3]钢材在弹性工作阶段泊松比μs变化很小在0.25～0.3之间可以认为是常数。取μs=0.283;而混凝土的泊松比μc在受力过程中是不断变化的。由低应力状态下的0.167左右逐渐增大到0.5当接近破坏阶段时由于混凝土内部纵向微裂缝的发展将超过0.5。对于钢管混凝土而言在轴压力的作用下μc逐渐增大并且迅速地超过钢材的泊松比μs。当μs=μc时钢管和混凝土的径向变形一致相互间没有紧箍力存在;当μs<μc钢管限制了混凝土的径向变形根据变形协调关系相互间产生紧箍力;当μs>μc时此时钢管已进入塑性屈服阶段相互间作用力只剩下粘结力。由于紧箍力的存在使得钢管与混凝土处于三向受力状态见图1(a)。混凝土在图1钢管混凝土三向受力状态三向压应力作用下其工作性能发生了质的变化不但提高了承载力而且还增大了其极限压应变;在轴心压力作用下薄壁钢管的承载力是极不稳定的实验证明钢管实际承载力往往是理论计算值的1P3～1P5。当在钢管内浇筑混凝土并达到一定强度后混凝土保证了薄壁钢管的局部稳定反过来钢管又约束混凝土的径向变形使它处于三向受压应力状态延缓了受压时的纵向开裂从而提高了钢管混凝土构件的承载力。因此钢管混凝土作为一种组合材料具有独特的工作特性:弹性工作而塑性破坏承载力高而极限压缩变形大。其应力应变关系近似于钢材的性能。2新型钢管混凝土结构由于钢管混凝土优越的性能这些年钢管混凝土得到了飞速的法展钢管混凝土结构得到了不断的丰富和改进许多新型钢管混凝土结构不断涌现。例如：薄壁钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土、FRP-混凝土-钢管组合柱、FRP约束钢管混凝土、钢管混凝土曲杆、钢管再生混凝土、钢管高性能混凝土等。在曲线形空钢管内浇筑混凝土可形成钢管混凝土曲杆。与传统的直线形钢管混凝土类似其同样可利用钢管和混凝土在受力过程中的相互作用从而具有较高强度以及抗弯和抗变形能力。由于钢管混凝土曲杆外形美观性能优越因而在体育馆、机场航站楼、拱桥等大型结构中有着较为广阔的应用前景。近年来由于环保力度的加强再生混凝土作为一种环保的再生资源再国内外得到了大量的研究和应用。将再生混凝土灌入钢管形成钢管再生混凝土之后使再生混凝土处于钢管的约束和保护之下二者同样也存在相互作用。钢管再生混凝土结构可促进再生混凝土在土木建筑结构中的应用和发展为废弃混凝土资源化提供一条有效的途径。高性能混凝土(指高流态自密实混凝土)很适合在钢管混凝土结构中应用其在自重或少振捣的情况下就能自密实成形对方便钢管混凝土的施工保工程质量具有重要意义。钢管混凝土是推广和应用高强超高强混凝土最佳的结构形式之一。研究结果表明钢管高性能混凝土的力学性能与钢管普通混凝土类似钢管普通混凝土结构的设计方法基本适用于钢管性能混凝土结构。此外在钢管中还可灌注钢纤维混凝土、轻骨料混凝土等但由于其与普通混凝土学性能的显著差异导致将其灌入钢管所形成的组合构件的力学性能与钢管普通混凝土也存在较大异。目前对钢管高性能混凝土的研究已经比较深入但对其他核心混凝土的钢管混凝土研究得还比较少。3钢管混凝土的主要优点及问题钢管混凝土最初是使用在房建的立柱上。因为其承载能力高特别是抗压强度大的特点可以大大地减少结构的尺寸增加房屋的使用空间以及满足视觉美观的要求。但真正使这一结构形式大放光芒的还是在桥梁上特别是钢管混凝土拱桥。3.1钢管混凝土的优点(1)核心混凝土处于三轴受压状态大大提高了混凝土的抗压强度。因此其承载能力大。钢管混凝土利用内填混凝土增强管壁的稳定性（单一的钢结构形式很容易局部失稳）又利用钢管对核心混凝土的