钢管混凝土结构范文1
近30年来，钢管混凝土结构逐渐被应用于建筑结构尤其是在高层建筑结构中，随着建筑物高度的增加，钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土结构的应用也将会得到快速的发展。混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高.同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中，如厂房和高层。钢管混凝土结构与传统结构进行经济对比分析，在造价、耗材、施工等各方面的综合经济效益显著。特别是钢管高强和超高强混凝土结构在高层或超高层建筑中有广阔的应用前景。
1 钢管混凝土结构的特点及与传统结构的对比分析
1. 1 结构面积减小，有效使用面积增加
在建筑工程中钢管混凝土通常用做柱子，由于钢管混凝土是延性材料，在地震区可以做到不受轴压比的限制，只控制其长细比，因此，柱截面面积可减少很多，有效使用面积增大，结构自重减轻在50%以上，因此，地震作用和地基荷载均可减小，从而经济有效地解决了我国建筑工程领域长期存在而未能解决的“胖柱”问题。
1. 2 施工简便，可大大缩短工期
钢管混凝土柱和普通混凝土柱相比，免除了支模、拆模、绑扎钢筋或焊接钢筋骨架等工序，省工省时；和普通钢柱相比，不用节点板，焊缝少，构造简单。缩短工期，提前投产，其综合经济效益较好。
1. 3 同等承载力条件下有更大的经济效益
钢管超高强混凝土柱的造价比普通混凝土柱的造价降低30%左右；钢管高强混凝土柱的造价比普通混凝土柱的造价偏高或大略相等。可见，采用钢管超高强混凝土柱有更大的经济效益。
1. 4 耐火性能好
钢管混凝土柱（空心钢柱用混凝土填实）有较高的耐火能力，因为钢柱吸热后有若干热量会传递到混凝土部分，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。组合梁的耐火能力也会提高，因为钢梁的温度会从顶部翼缘把热量传递给混凝土而降低。
2 钢管混凝土结构目前存在和需要进一步解决的问题
从现有的文献资料来看，国内外对钢管混凝土的研究主要集中在结构设计、静力学性能、动力学性能等方面，而真正对材料的研究相对较少。材料与结构是一体不可分的，有了良好的材料设计，才会有良好的结构性能，而目前钢管混凝土所出现的一系列问题如施工不稳定、脱空、膨胀性能低、混凝土力学性能达不到要求等都可以先从材料方面着手找到解决问题的方法。以下几个方面是有待解决的问题。
2. 1 材料的要求高，成本提高
混凝土特别是高强度混凝土的配制较困难，目前，强度等级在C100以上的混凝土仍处于试验室阶段，高强度钢材的应用在一定程度上提高了成本。
2. 2 材料的自身性质
钢管混凝土在收缩、徐变、温度等影响下的材料自身性质还需做系统全面的研究。
2. 3 复杂受力状态
复杂受力状态如弯、剪、压、扭共同作用时构件的计算方法还没有完全确定，造成设计时只能简单地忽略构件的受扭和受剪，并加大构件承载力的富裕度来处理。
2. 4 节点性能的研究
钢管混凝土结构工程采用的节点形式有很多样。按材料分，现浇钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱节点，钢梁与钢管混凝土柱节点；按梁柱间的弯矩传递情况来分，有刚接节点、铰接节点和弹性连接节点。目前，关于节点的试验和理论研究严重滞后于实际工程的应用。
2. 5 动力性能的研究
钢管混凝土尤其钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土的耐疲劳性能和抗震性能需做进一步研究。
2. 6 钢结构防护技术的要求
钢结构防护包括防火、防腐、防锈。钢结构体系房屋造价高的主要原因是钢结构的防护技术要求较高，费用较高。
3 钢管混凝土结构的应用现状和应用前景
我国于上世纪50 年代末开始进行钢管混凝土组合结构的研究，主要集中在钢管中浇灌混凝土的内填充型钢管混凝土结构。目前，在钢管混凝土组合结构力学性能和设计方法、施工技术、耐火性能等方面展开了比较系统的研究工作，取得了巨大成就，其构件性能、理论研究和实际应用在国际上处于领先。
1963 年在北京地铁车站首次应用了钢管混凝土柱，随后，在一些厂房的柱子中逐步得到推广应用。上世纪80年代以来这种结构材料在多层和高层建筑中得到进一步应用。自1990年在我国四川省建成了跨度110m 的下承式系杆钢管混凝土拱桥―――旺港天桥以来，混凝土拱桥在我国得到了迅猛发展。广州丫髻沙大桥为主跨360m的钢管混凝土带悬臂中承式刚架系杆，拱的跨径突破了300m大关；四川省巫山长江大桥为跨径400m的钢管混凝土拱桥，这两座桥梁的修建，标志着我国钢管混凝土拱桥的研究与应用整体水平已经提升至一个新的高度。钢管混凝土拱桥在我国迅速发展，并先后颁布了有关钢管混凝土结构的设计规程。
国内一些大专院校、科研院所也对钢管混凝土进行了系统的研究，取得了一些成果。韩林海和钟善桐等对工程中常用的几种形状的钢管混凝土力学性能进行了探索和研究，提出了极限平衡法理论和钢管混凝土统一理论，为钢管混凝土的研究奠定了基础；哈尔滨建筑大学王湛等通过试验研究了核心混凝土为C30～C50强度等级的钢管膨胀混凝土；魏美娟等给出了钢管混凝土构件的计算条件，对构件在临时荷载作用下受弯的力学性能进行了分析和计算；武汉理工大学的胡曙光和丁庆军等针对钢管高强膨胀混凝土的特性，围绕钢管混凝土工程应用中所普遍存在的混凝土与钢管脱粘问题和大跨度结构工程的施工难题，进行了长期深入、系统的研究；韩冰等在对钢管混凝土受弯构件徐变分析的基础上，建立了长期荷载作用下钢管混凝土受弯构件的承载力计算方法，认为徐变将降低钢管混凝土受弯构件的承载力。
目前，钢管混凝土和钢管高强混凝土结构的应用很广泛，但钢管超高强混凝土还处于试验室研究阶段，随着科研成果的积累和完善，本世纪钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土结构在高层和超高层建筑中一定会有广阔的应用前景。
参 考 文 献
[1]钟善桐.钢管混凝土结构在我国的应用和发展[J ].建筑技术， 2001 （2）
[2]蔡健.钢管混凝土柱节点的应用现状和存在问题[J ].建筑结构. 2001 （7）
钢管混凝土结构范文2
关键词：钢管混凝土；发展状况；特点；问题；应用；
中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：
0 引言
钢管混凝土即在薄壁钢管内填充普通混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构， 它是将钢管结构和钢筋混凝土结构的优点结合在一起而发展起来的新型结构。钢管混凝土作为一种结构构件形式最早在十九世纪八十年代被设计应用做桥墩，然后随着科学技术的提高使它的应用范围得到了很大的扩展。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形截面钢管混凝土结构、圆形截面钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等， 其中矩形截面钢管混凝土结构和圆形截面钢管混凝土结构应用较为广泛。
1 钢管混凝土结构在国内外的发展状况
钢管混凝土的发展起源于1897 年美国人Lally 在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱，至今已有110多年的历史。1930年，法国在巴黎郊区建造了一座跨度达9 m的上承式钢管混凝土桥。1937年，前苏联列宁格勒建造了横跨涅瓦河的跨度为101 m的下承式钢管混凝土拱桥。1939 年，前苏联在西伯利亚建成了跨度140 m 的上承式钢管混凝土铁路拱桥。在我国，最早开展对钢管混凝土基本理论研究的是中国科学院哈尔滨土木建筑研究所[1]。此后，国内的中国科学研究院、哈尔滨建筑大学、电力工业部电力研究所及北京地下铁道工程局等单位都先后对钢管混凝土结构的基本构件的设计方法、节点构造和施工技术等开展了系统的研究，并取得了可喜的成果。
2 钢管混凝土结构的特点
钢管混凝土结构充分结合了混凝土抗压性能好和钢材抗拉性能好的特点，具有承载力高、塑性和韧性佳、耐火性和抗震性能好、施工简便、经济效果好等多种优点。
2.1 承载力高
在钢管中填充混凝土，随着受压荷载的增大，钢管由弹性工作状态进入塑性工作状态。钢管混凝土构件受压时，由于产生紧箍效应，核心混凝土处于三向受压应力状态，其强度大大提高，钢管延缓和避免了过早发生局部屈曲，因而受压构件的承载力大大提高，而且使它由脆性变为塑性很好的材料。钢管和混凝土两种材料互相弥补了彼此的缺点，充分发挥了彼此的长处，从而使钢管混凝土具有较高的承载力。
2.2 塑性和韧性好
混凝土脆性较大，对于高强度混凝土更是如此，其工作的可靠性大为降低。但受压钢管混凝土构件中的核心混凝在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了其弹性性质，而且在破坏时具有很大的塑性变形。试验表明：钢管混凝土轴心受压短柱破坏时，可以被压缩到原长的2/ 3，仍不呈现脆性破坏的特征。
2.3 良好的耐火性
由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时，外部钢管虽然升温较快，但内部混凝土升温滞后，仍具有一定的承载能力，因而增加了钢管的耐火时间。相对于传统钢结构，节约了大量的防火涂料，同时减小了结构倒塌的危险。
2.4 良好的抗震性
钢管和混凝土之间的相互作用使内填混凝土的破坏由脆性变为塑性，构件的延性明显改善，耗能能力显著提高。在受到压弯反复荷载作用下，钢管混凝土结构基本不发生刚度退化和强度衰减现象，且不发生局部屈曲。与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的自重大幅度较小，地震作用引起的地震反应也将减小。
2.5 经济效果好
由于结构施工时，不需要模板，节省了材料和时间，钢管混凝土可以很好地发挥钢材和混凝土两种材料的优点，使材料得到更为充分和合理的利用，因此具有良好的经济效益。
3 钢管混凝土结构存在的问题
目前，国内外学者对钢管混凝土结构的研究虽已取得一系列的重要成果，但为了更好地推广使用钢管混凝土结构，还应注意其发展中的技术问题和工程应用中的不足之处。
3.1 钢管混凝土在技术分析中的不足之处
（1）在承载力计算时，假设钢管混凝土为理想弹塑性体，这对抗震能力较好的钢管混凝土构件是不合理的；
（2）假设把钢管普通强度混凝土和高强度混凝土机械地分割开来进行研究；
（3）根据定值侧压力的试验测试，得到纵向承载力与侧压力的关系来确定钢管混凝土的承载力，这与核心混凝土的实际工作状态不符；
3.2 钢管混凝土在工程应用中不足之处
（1）从钢管混凝土的使用量来看，数量有限，还仅限于柱、桥墩、拱架等部位，少有使用钢管混凝土梁的先例。这是因为梁一般都做成矩形，但矩形钢管混凝土的受力比较复杂，而且构造要求繁琐，经济效益不佳。
（2）从构件连接来看，当混凝土梁与钢管混凝土柱连接时，必须借助于柱上的牛腿和加强板。如果采用明牛腿可能会在美观上受到影响；如果用暗牛腿，又会给浇灌混凝土带来不便，影响施工进度。
4 钢管混凝土结构的应用
早在19世80年代，钢管混凝土结构就已经被应用。例如，1879年英国塞文（ severn） 铁路桥的建造中使用了钢管桥墩，在钢管中灌筑混凝土；前苏联乌拉尔的伊谢特铁路桥采用钢管混凝土构件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子；日本、瑞士等国在输电跨越塔中采用钢管混凝土结构。
钢管混凝土结构技术的开发和应用在我国已有近40 年的历史，1966 年钢管混凝土结构应用于北京地铁站工程；20世纪70年代成功应用于单层工业厂房、重型构架中；近10年来，钢管混凝土结构在我国高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了卓有成效的应用，推动了建造技术的发展。
4.1 高层和超高层建筑工程中
将钢管混凝土结构应用到高层、超高层建筑中可节约建筑材料，增加使用空间。仅十年时间，就从局部柱子采用钢管混凝土发展到大部分柱子采用，又发展到全部柱子采用，由在近百米高度的高层建筑中发展到近三百米高度的超高层建筑所采用，发展前景广阔。例如：我国福建泉州邮电大楼是我国第一个局部采用钢管混凝土柱的高层建筑。
4.2 大跨桥梁工程中
钢管混凝土是一种高强轻质且便于施工的高效结构材料，其单位重量的承载力与钢材接近，甚至可能比钢材还强；其钢管可以充当安装架设阶段的劲性骨架、灌注混凝土阶段的模板和钢筋，以及具有对核心混凝土的套箍约束等多种功能，较全面地解决了桥梁结构所要求的用料省、安装重量轻、施工简便、承载力大等诸多矛盾。钢管混凝土已被公认为是一种建造大跨度桥梁的比较理想的结构材料。
5 结语
综上所述，与钢筋混凝土结构和钢结构相比，钢管混凝土结构是一种相对年轻的结构形式。但它突出优点更适合我国的国情，钢管混凝土能够适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而正被越来越广泛地应用于工业厂房、高层和超高层建筑、拱桥和地下结构中，并已取得良好的经济效益和建筑效果，是结构工程科学的一个重要发展方向。随着其理论研究的深入和完善，施工工艺的提高和高性能材料的应用，钢管混凝土也将继续广泛地用于各种建筑结构中。此外，近年来在多层、高层民用住宅建筑中也已开始采用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒(剪)结构体系，并且经济效益显著。
参考文献
[1]翰林海.钢管混凝土结构[M].北京科学出版社,2012.
钢管混凝土结构范文3
矩形钢管混凝土结构的优越性已逐渐得到工程人员的认可，而且越来越多地被应用到实际工程中。从已有的实例看，钢管混凝土结构一般用于承受较大荷载的结构，如高层建筑和桥梁结构。钢管混凝土结构在我国已得到较为广泛的应用，并取得了较好的技术和经济效果。一、钢管混凝土在实际工程应用中的优点
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互的组合作用，发挥了两种材料的优点，不仅使得混凝土的抗压强度提高、变形性能改善，而且避免或延缓了钢管发生局部屈曲。这决定了它在实际工程应用中的一些优点：
（一）承载力高。如果仅仅对于薄壁钢管而言，其临界承载力很不稳定。试验表明，它的实际承载力只有理论计算值的四分之一。但在钢管中填充混凝土以后，可以延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲。钢管中的混凝土受到钢管的约束，可延缓其受压时的纵向开裂。两种材料相互弥补了彼此的弱点，可以充分发挥各自的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载能力，一般高于组成钢管混凝土的钢管及核心混凝土单独承载力之和。
（二）抗震和变形能力。对于钢管混凝土构件而言，其中的混凝土材料脆性很大，构件开裂后承载力和变形能力迅速降低。如果将混凝土灌入钢管中形成钢管混凝土，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段它的弹性模量得以改善，在破坏时也具有较大的塑性变形。此外，若与钢结构相比，钢管混凝土结构由于混凝土的存在而提高了刚度，外力作用下的变形相对较小，在风荷载和地震荷载作用下，结构的水平位移可以严格控制。
（三）制作和施工方便。与钢筋混凝土柱相比，钢管可以兼作柱的外模和临时支撑，免去了绑扎钢筋、支模和拆模等工序；而且柱内无钢筋，混凝土浇灌也相对简单的多，可以做到多层一次施工，并能更好的配合施工中的泵送混凝土、高位抛落免振捣混凝土和自密实混凝土等技术。与钢结构构件相比，钢管混凝土的构造通常更为简单，焊缝少，更易于制作。
（四）耐火性能较好。众所周知，钢结构的耐火性能较差，构件温度升至600°C时结构完全丧失承载力，变形迅速增加，导致结构倒塌。因此，钢结构中构件要采用防火涂料进行保护。
（五）经济效果好。对于钢筋混凝土结构，由于轴压比的限制常常令柱截面尺寸很大，若改用钢管混凝土，柱截面将大大减小，建筑结构所占的面积也将大大减小，这对投资方而言会产生不小的经济效益。
二、矩形钢管混凝土节点的类型与性能
（一）钢管混凝土柱―钢筋混凝土梁节点
1.加强环肋板式节点
加强环肋板式节点由上下加强环和垂直肋板组成，垂直肋板和钢管及下环板焊接，钢筋混凝土预制梁端留一竖向糟，槽口顺肋板将梁放在下环上，用角焊缝将梁端预埋件与肋板及下环板相焊接，然后盖上上加强环，再将上环板与梁端预埋件焊接，如图1.1所示，这种刚性节点通过上下加强环传递梁端弯矩，垂直肋板传递剪力。这种节点型式的特点是传力可靠，在满足“强柱弱梁”的条件下设计好加强环，同时注意焊接质量，使塑性铰出现在梁端的情况下有良好的抗震性能。这种节点适用于多层工业与民用建筑。
图1.1 加强环肋板式节点
2.加强环承重销式节点
加强环承重销式节点是在梁顶用加强环分别和钢管及梁顶预埋件钢板焊接，预制梁端部做成下短、上长的变形截面形状搁在承重销上，如图1.2所示。加强环的作用是传递梁端弯矩所产生的拉力，承重销的作用是传递梁端传来的剪力，承重销多采用工字梁，它的腹板穿过钢管柱，上下翼缘则焊在钢管壁上。这种节点的优点是受力明确，刚度大，承载力高；缺点是构造较复杂，用钢量大，这种节点适用于重型工业厂房中。
图1.2加强环承重销式节点 图1.3 环梁节点
3.环梁节点
钢筋混凝土梁与圆钢管混凝土柱连接时，采用钢筋混凝土环梁节点。这种节点是围绕钢管柱设置现浇钢筋混凝土环梁，与钢管柱紧密箍抱，楼盖的纵筋锚固于环梁内，借环梁传递梁端弯矩；在钢管外侧位于环梁中部或靠近底部贴焊一或两根环形钢筋作为抗剪环传递梁端剪力，如图1.3所示。这种节点的传力方式是:梁的剪力传至环梁后，通过环梁和钢管间的粘结力、摩擦力和抗剪环传给钢管柱；梁的弯矩则由环梁承担并自行平衡或传至钢管柱。
（二）钢管混凝土柱―钢筋混凝土梁节点
1.内、外加强环节点
如图1.4所示为钢管混凝土外加强环节点。梁端剪力的传递采用焊接于钢管上的连接腹板实现，梁端弯矩的传递采用环绕钢管柱的加强环与钢梁上下翼缘焊接的办法实现。外加强环式节点是迄今为止实际工程中应用较多的一种节点型式，其传力路径简洁明确、节点刚度大、承载力高，在适当的截面设计下能较好地实现“强柱、弱梁、节点更强”的原则。
图1.4钢管混凝土外加强环式节点
内加强环式节点，即将钢梁翼缘板与腹板直接焊接在管柱外边，内环与梁的翼缘在同一水平面内，节点仍然能够满足刚性节点的要求。这种节点型式比外环节省钢材，但当管柱直径较大时才能采用，因为当管径较小时焊接困难，而且将妨碍管内混凝土的浇灌，我国1997年开始修建的深圳赛格广场大厦中重要的节点都采用了内加强环。
2.锚定板式节点
如图1.5所示为锚定板式节点，即在钢管内正对钢梁上、下翼缘处各焊一个T形锚定板，埋于柱核心混凝土内，以承受梁翼缘传来的力偶，剪力的传递则依靠梁腹板的竖直焊缝。其特点是构造简单、省钢材，但节点的整体刚度较小，适用于节点内力不大的情况，目前已在深圳赛格广场工程中应用。
图1.5锚定板式节点
参考文献：
[1]《高层钢管混凝土结构》 黑龙江科学出版社1999
[2]《新型方钢管混凝土柱―梁节点实验研究》 同济大学硕士学位论文 2000
钢管混凝土结构范文4
[关键词]：钢管混凝土结构；SP预应力空心板楼盖；设计
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
钢管混凝土结构因其具有承载力高、抗震性能好、施工方便等优点，越来越广泛地应用于单层和多层工业厂房、大宽度和空间结构、商业广场、多层办公楼及住宅、高层和超高层建筑以及桥梁结构中，并取得良好的经济效益和建筑效果。本文将结合某工程来探讨钢管混凝土柱-焊接H型钢梁-SP预应力空心板楼盖体系结构设计要点。
工程概况
本工程为商用综合楼，抗震设防烈度为8度，结构抗震等级为二级，主体工程地上四层，局部五层，平均层高将近5m, 建筑总面积约3万平方米，钢管混凝土框架结构。本工程柱网尺寸布置灵活，主要以12000×8800mm为主。框架梁采用焊接H型钢，楼盖采用大跨SP预应力空心板，独立柱基础。
2.钢管混凝土柱设计
本工程楼面活荷载与恒载均为5KN/m2，楼、屋面吊设荷载为0.4KN/m2, 柱距较大，因此框架柱须承担很大的荷载。本工程所在地属于8度抗震设防地区，如果采用钢筋混凝土柱，则对其轴压比要求比较严格，而采用钢管混凝土柱只需控制柱子长细比而不限制轴压比，因此采用承载力较大的钢管混凝土柱是非常合理的。底层柱柱截面为 φ478×8mm，Q235钢材和C45混凝土，如果采用钢筋混凝土柱，截面将为600×600mm，面积则增大一倍以上。采用钢管混凝土柱后，柱截面减小，建筑使用面积增大，柱自重的减轻，地震反应也随之减小，因此获得很大的经济效益。本工程最大柱截面φ478×8，最小柱截面φ325×6，一二层柱截面相同，从第三层开始，柱截面变小。
1-内衬管，2焊缝连接，3-环形封顶，
5、4-钢管混凝土上、下柱，6-上柱加劲板，
7-下柱加强环勒板，8、9-下柱上、下加强环
图1 钢管拼接
管径相同的钢管拼接时，采用等强度坡口焊缝，管内加短衬管，管端加横隔板（隔板上沿距下柱管端50mm）如图1（1） 所示。其中，内衬板厚50mm,板壁厚6mm，外径比钢管柱内径小2mm;环形封顶板厚12mm，板壁厚40mm，内衬管和环形封顶板采用Q345钢材。
对于管径不同的上下柱拼接时，一般采用喇叭管过渡段来连接上下柱，但这种设计方法比较复杂，而且喇叭管的过渡段楼盖的结构高度范围内，不利于施工，本工程采用一种便于施工安装的设计方法，具体构造如图1（2）所示。上柱钢管伸入下柱钢管20mm，上柱底部焊一带加劲板的环板，环板再与下柱上加强环用八个均匀布置在环板上的M16高强螺栓连接。
钢结构安装时，为了便于连接，减少施工工作量，在工厂直接在钢管柱上焊接好加强环和垂直肋板，然后在现场先用高强螺栓与预制钢梁拼接，最后将工字梁的上下翼缘用对接焊缝连接，钢管采用坡口焊的办法。钢管混凝土柱采用泵送顶升浇注法，在钢管柱底部安装一个带阀门的进料支管，直接与泵车的输送管连接，由泵车将混凝土连续不断地自下而上注入钢管柱，无需震捣，每根柱一次连续泵送灌注至混凝土稍微溢出柱顶溢浆孔而完成。钢管混凝土柱具有良好的塑性和延性，抗震性能远比钢筋混凝土柱优越，因而提高了整个建筑物的可靠度。
3. H型钢梁设计
本工程中，梁的最大跨度为12000mm,截面尺寸设计为850×300×8×10，自重仅约为1KN/m，如果设计成钢筋混凝土梁，梁高1000mm、宽400mm左右，自重将达10KN/m左右。在设防烈度为8度的地区采用钢梁从抗震的角度来考虑是非常合理的对减小地基压力，对降低基础造价是非常有利的。另外一方面，钢梁与钢管混凝土柱连接较混凝土粱与钢管混凝土柱连接方便；钢筋混凝土梁钢筋密布，与柱钢筋交叉，构造十分复杂，不但建造费工，增加工时费用，影响施工速度，而且混凝土不易填充密实，势必影响工程质量。
本工程焊接H型钢梁采用Q235B结构用钢。H型钢梁需要拼接的构件采用全融透对接焊缝等强度拼接，上、下翼缘和腹板中的拼接位置错开，并避免与加劲板重合，腹板拼接焊缝和它平行的加劲板至少相距200mm,与上、下翼缘拼接焊缝至少相距200mm。横向加劲板的间距不大于两倍梁截面高度，加劲板厚8mm。
4.节点设计
节点是连接梁柱的关键部位，在框架中起着传递内力、分配内力和保证结构整体性的作用。本工程中，钢管混凝土框架节点为钢梁-钢管混凝土柱节点。节点设计一般遵循的原则是：传力途径简捷、明确，使计算分析与节点的实际受力情况一致；有足够的强度，使结构不致因连接较弱而引起破坏；具有良好的延性，满足抗震设计要求；尽量简化节点构造，以便于加工及安装时容易就位和调整。
4.1梁柱节点
本工程采用外加强环式梁柱节点。加强环式节点是迄今为止研究最成熟、应用较多的一种节点，其传力路径简洁明确，节点刚度大、承载力高，强环有利于翼缘拉力梁柱间的有效传递，减小柱壁的局部变形，截面设计实现“强柱弱梁，节点更强”后具有良好的抗震性能。
外加强环式节点，如图2所示，是钢管混凝土柱在梁的上下翼缘位置设加强环，与梁熔透焊缝连接，上下环分别承受拉压力，形成力偶来抵抗梁端弯矩，同时在上下环间焊一肋板，用角焊缝与钢管柱表相连，通过高强螺栓与梁腹板相连以传递梁端剪力，满足刚接节点的设计要求，且传力明确，节点的刚度在钢管混凝土柱的基础上加大了许多，符合强节点的抗震要求。加强环式节点没有任何穿心构件，当采用多层钢管混凝土柱一次泵送顶升浇灌法时，管内没有障碍物，有利于施工。
加强环板的最小宽度应根据其抗拉能力不小于梁翼缘板抗拉能力的0.7倍这一条件来确定。工程中，加强环及其肋板采用Q345钢材，肋板与梁的腹板用高强螺栓连接，上下加强环与梁上下翼缘厚度相同，且采用焊缝连接，对于四根尺寸不相同的梁连接在同一个节点上时，具体构造如图2（2-2）所示。
3-钢管混凝土柱，4-H型钢梁，5-上加强环，
6-下加强环，7-加劲板（板厚同加强环勒板），
8-高强螺栓连接，M16，9-加强环勒板
图2梁柱节点
4.2柱脚
钢管混凝土柱与基础固接，本工程采用端承式柱脚，端承式柱脚的设计和构造与钢结构露出式柱脚相同。柱脚的构造是在管的底端焊一带加劲板的圆形柱脚板，加劲板与钢管焊缝连接，环板与基柱通过锚拴连接，柱管中混凝土大部分与基础混凝土连在一起，因而管中混凝土的内力，直接传入基础混凝土中。钢管混凝土柱的轴力通过管中混凝土传递给基础，剪力和弯矩依靠柱脚底板和锚栓传递给基础， 柱脚构造如图3 所示。
2-圆形柱脚板，厚20mm,3-锚拴预埋件，4-柱脚加劲板，厚12mm,
5-双螺母，6-基础柱，7-后筑细石混凝土垫层，C30 ,厚50mm。
双螺母与垫板点焊，垫板与环板围焊。
图3柱脚构造
5. SP预应力空心板楼盖设计
5.1 SPD叠合板楼盖设计
本工程楼盖采用大跨SPD叠合板。SP板的主要特点有：跨度大，板长可达18m，可以满足大开间、大进深等不同结构的使用要求；与同类产品相比，承载力可提高19％―70％；外观平整，尺寸精确，防水、抗震和隔音性能好等等，在跨度较大的框架结构中使用SP板可以达到很好的经济效益。本工程采用SPD25A叠合预应力混凝土空心板，SP板最大跨度8600mm,板宽1200mm、厚250mm，SP板上浇注50mm厚叠合层，SPD叠合板自重3.645KN/m2；若采用普通现浇楼盖，板厚取250mm，板自重约为6KN/m2。
SP预应力空心板每块板底的预埋件与焊接H型钢梁焊缝连接，如图4所示。根据国家规范，相邻两板板缝宽度取50mm,板缝内配置直径10mm的钢筋网片，采用C30的细石混凝土灌缝，使相邻SP板之间能更好地相互传递剪力协调垂直变位。
图4 框架中板端节点做法
5.2板缝对框架侧移的影响
据作者研究可知，对于SP预应力空心板楼盖体系框架，板缝灌缝混凝土强度越大，框架侧移越小；缝宽越大则框架侧移越大。随着灌缝混凝土强度的提高，缝宽度对框架侧移的影响逐渐减少；当灌缝混凝土强度与SP预应力空心板的强度很接近时，板缝宽度对整个楼盖刚度、框架侧移影响很小；缝宽小于40～50mm时，缝宽变化对框架侧移影响较大。因此，本工程中缝宽取50mm是比较合理的。
SP板的布置方式将影响到梁截面的大小，本工程中，板沿梁格的短边方向布置。对于SP板的设计可参考《SP预应力空心板》（99ZG408）标准图集。
钢管混凝土结构范文5
关键词：桥梁工程；中承式钢管混凝土拱桥；拱座；拱脚；主拉应力；主压应力
Abstract: in order to master the arch foot stress distribution accurately, guiding the structural design, taking a Semi-Supported CFST arch as the research object, according to the characteristics of the arch bridge, based on the full-bridge Midas / Civil integrity analysis, using the Midas/ FEA analyzed the local stress of the skewback. Compared with the change of stress distribution of five groups of C20, C25, C30, C35 and C40 grade concrete arch-foot, the result showed that, during the structural design process, focusing on the local stress analysis and made it clearly was necessary, could determine the economic grade of concrete. The results of this paper have some reference significances to the similar and other types of bridges.
Key words: bridge engineering; Semi-Supported CFST arch bridge; skewback; arch-foot; principal tensile stress; principal compressive stress
中图分类号： K928文献标识码： 文章编号：
引言
拱脚是拱桥结构的关键部位之一，是结构设计中须重点考虑的细部结构，由于拱脚处的结构构造及受力很复杂，对拱脚进行局部应力分析，了解拱脚处空间局部应力的分布规律和大小，以指导设计，使得拱脚的设计合理可靠，对拱脚的局部应力分析具有重要的现实意义。由于许多工程结构的破坏常常是从局部开始的，一些钢管混凝土拱桥的拱脚及拱座处陆续出现了裂缝等病害，拱座受力一直受到工程界的关注和重视[1]。对于拱座来说，控制设计因素一般为主拉应力和主压应力，文中从设计者的角度先用Midas/Civil结合现行桥梁设计规范对钢管混凝土拱桥进行整体设计计算和验算，然后选取拱脚结点进行应力分析，同时对比分析五组不同强度等级的混凝土拱座模型的主应力变化情况，并对比选出经济合适的混凝土等级。本文既有理论探讨分析又结合工程实际，具有一定的实用价值。
工程概况
某中承式钢管混凝土拱桥拱肋的理论计算跨径为152m，拱肋直径1.5m，厚度为2cm，内部浇筑C50混凝土，计算矢高为47m，矢跨比为1/3，拱肋拱轴线采用倒悬链线，拱轴系数为1.55。拱肋采用圆形截面，主梁采用扁平流线形钢箱截面，拱肋设18对吊杆。下部结构为钢筋混凝土拱座及承台接钻孔灌注桩基础。桥面铺装采用6cm厚环氧沥青。钢箱梁主体结构均采用Q345-C钢，钢箱拱肋结构采用Q345D钢，其技术指标应符合《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）的相关要求，盖梁及墩柱采用C40混凝土，拱座及承台采用C30混凝土，基桩采用C25混凝土。桥梁设计荷载为公路-I级，人群荷载5.0KN/m2；环境类别为II类；设计安全等级为一级。
Midas/Civil有限元模型
使用Midas/Civil建立全桥模型，本桥3D模型按照桥梁设计资料选择相应的材料和截面特性。模型划分共计368个节点，378个单元，其中梁单元360个，桁架单元18个，考虑到的各作用效应有：
（1）恒载：自重以及设计荷载；
（2）均匀温度：结构因均匀温升、温降，梯度温升、温降产生的作用效应按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定计算[2]。
（3）支座沉降：支座不均匀沉降按1cm考虑。
（4）车辆荷载：按最不利车辆荷载考虑，车辆为公路—I级五车道，人群荷载为5.0KN/m。
本桥考虑2.5%的桥梁纵坡。模型节点单元见图3。其中，拱肋单元编号为155~322，共计167个单元。
图1 钢管混凝土拱桥有限元模型
永久作用分项系数按照作用对结构承载能力不利的情况选取，可变作用分项系数按照规范的要求进行取值。各荷载组合系数见表3。
表3 荷载组合系数
名称 荷载工况 组合系数
结构恒载 自重+二期 1.1
车辆荷载 公路—Ⅰ级 1.4
支座沉降 1cm 1.0
温度荷载 ±20℃ 0.7
计算结构自重+二期+车辆荷载+升、降温效应（±20℃）+支座沉降（1cm）作用下的拱肋内力。根据分析结果，提取拱脚处最大荷载，见表3.7。
表4 拱脚处荷载最大值
工况 轴力（KN） 剪力（KN） 弯矩（KN.m）纵
-13540.5 -490.03 12761.51
拱座有限元模型
钢管混凝土结构范文6
【关键词】钢管混凝土；桥梁工程；应用
桥梁工程的发展历程总是伴随着新材料的产生，新材料在桥梁工程中的应用又促进了材料技术的发展。从17世纪70年代开始使用生铁到19世纪初开始使用熟铁建造桥梁；从马车到火车、汽车，交通工具的改变，迫使桥梁工程在跨度、承载力、耐久性能等方面不断接受挑战，新材料新技术的应用成为必然。钢管混凝土作为一种特殊的材料自从1879年首先在英国的铁路桥建设中采用之后，经过100多年的发展在桥梁建设中已经占有了重要地位。
1、钢管混凝土结构桥梁工程的特点
钢管混凝土按其截面形式的不同，可分为圆钢管混凝土、矩形钢管混凝土和组合截面钢管混凝土等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用比较广泛。钢管和混凝土协同工作具有以下优点：
1.1桥梁工程力学性能方面。钢管混凝土构件承受压力时，混凝土的径向变形受到钢管的约束而处于三向受力状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和变形性能；同时，钢管的套箍作用大大提高了混凝土的力学性能，使混凝土特别是高性能混凝土的脆性弱点得到了克服；另一方面，混凝土填于钢管之内，增强了钢管管壁的稳定性，二者的结合，充分发挥了两种材料的优点，相互弥补了彼此的不足。实践验证表明，钢管混凝土柱是空钢管和素混凝土柱单独承载力之和的1.73倍。
1.2桥梁工程变形能力方面。钢管混凝土结构桥梁工程中，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，而且被破坏时产生很大的塑性变形。试验表明，钢管混凝土柱被破坏时可以压缩到原长的2/3，完全没有脆性破坏的特征。处于钢管中的混凝土已经由脆性破坏转变为塑性破坏，使整个构件呈现出弹性工作塑性破坏的特征。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。
1.3桥梁工程施工安装方面。钢管混凝土结构桥梁工程在施工时，钢管本身就是耐侧压的模板，在浇灌混凝土时，可省去模板的施工，并可适应先进的泵灌混凝土工艺；同时钢管本身又兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，制作钢管远比制作钢筋骨架省工，而且便于浇灌混凝土；另外钢管本身又是劲性承重骨架，在桥梁工程施工阶段可起劲性钢骨架的作用，其焊接工作量远比一般型钢骨架少。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，因管内无钢筋浇灌容易，振捣密实，与钢结构构件相比，钢管混凝土的构造通常比钢结构构件简单，焊缝少，易于制作。因此，钢管混凝土可简化施工安装工艺，减少施工用地并缩短工期。
1.4桥梁工程经济效益方面。桥梁工程实践表明，钢管混凝土与钢结构相比，在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节省钢材50％并节省大量的焊接工作；与普通钢筋混凝土相比，在保持钢材用量相近和承载力相同的条件下，构件的横截面积可减少50%，从而使建筑空间得到加大，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少一半。另外，钢管混凝土本身的施工特点符合现代施工技术工业化的要求，可大量节约人工费用，降低工程造价。
1.5桥梁工程防火性能方面。钢管混凝土柱因为钢柱吸热后有若干热量会传递到混凝土部分，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。而且钢管混凝土在急骤降温（如消防冲水）时又不像钢筋混凝土那样爆裂，说明其防火性能比钢结构和钢筋混凝土结构更加优越。
2、钢管混凝土结构桥梁工程的计算理论
2.1桥梁工程统一理论。哈尔滨工业大学和福州大学等研究的基于回归分析的统一计算理论（统一理论），该理论把钢管混凝土视为统一的一种组合材料，用构件的整体几何特性和钢管混凝土的组合性能指标来计算构件的各项承载力，不再区分钢管和混凝土。
2.2拟混凝土理论。中国建筑科学研究院提出的约束混凝土理论（拟混凝土理论），该理论认为钢管混凝土结构桥梁工程就是由钢管对混凝土实行套箍强化的一种套箍混凝土（约束混凝土）。在计算时，主要考虑核心混凝土在三向受压应力状态下的受力。
2.3拟钢理论。同济大学基于钢结构分析方法提出的等效钢柱计算理论（拟钢理论）。该理论是将混凝土折算成钢，再按照钢结构设计规范的模式进行分析计算。
2.4强度叠加理论。日本及我国天津和台湾等地区采用强度叠加理论，该理论就是将填充混凝土和钢管两部分的承载力进行叠加，作为钢管混凝土构件整体的承载力。
3、钢管混凝土结构在桥梁工程中的应用价值
3.1钢管混凝土拱桥
钢管混凝土拱桥一般分为两类：①将钢管混凝土直接用作拱桥结构的主要受力部分，同时也作为结构施工时的劲性骨架，截面设计由前者控制；②先将钢管用于施工时的劲性骨架，然后再内灌混凝土并与外包混凝同形成断面。
钢管混凝土用于建造拱桥具有以下特点：①钢管混凝土抗压承载力高，且抗震性能好；②由空钢管先组成拱肋，自重轻，可跨越很大跨度；③施工简便，可降低工程造价；④无混凝土开裂问题。
3.2钢管混凝土桁架桥
钢管混凝土桁架在桥梁上的推广应用不如钢管混凝土拱桥迅速和广泛。由于圆钢管混凝土桁架的研究较矩形钢管混凝土桁架成熟，且圆钢管混凝土的套箍效应比矩形钢管混凝土明显，所以建成的桁架上用的多为圆钢管混凝土桁架，少数是矩形钢管混凝土桁架。随着矩形钢管混凝土桁架研究的深入，矩形钢管混凝土桁架越来越受到关注，大量的试验研究和有限元分析已表明，矩形钢管混凝土柱的实际承载力高于其相应的钢管柱和混凝土柱承载力之和，并且具有较好的延性。另外与圆钢管混凝土桁架空间相贯节点相比，矩形钢管混凝土桁架节点处腹杆可以平直切割，节点连接构造简单，无需专门的切割设备，可以大大简化加工手段，提高加效率和精度。
4、钢管混凝土结构桥梁工程需解决的问题
4.1在设计理论方面，现在尚未有全国统一的设计理论依据和统一的设计规范。
4.2钢管拱的稳定问题，尚待解决。钢管拱肋截面尺寸较小，在建设更大跨径时，钢管拱肋的弹性和非弹性稳定问题，需进一步研究。
4.3钢管为薄壁构件，因此钢管拱的局部稳定问题，钢管拱连接节点的可靠度问题，尚需进一步完善。
4.4钢管拱焊接应力问题，亦有待解决。钢管拱是由钢板卷制，焊接而成，如何消除焊接变形和焊接局部应力，应进一步改善制造工艺。
4.5钢管防腐问题突出，特别是雨水较多的南方和沿海地区。
与钢筋混凝土结构和钢结构相比，钢管混凝土结构是一种相对新的结构形式。但钢管混凝土能够适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展的需要，符合现代桥梁工程施工技术的工业化要求，因而正被越来越广泛地应用于各种钢管混凝土结构桥梁工程中，并已取得良好的技术效益、社会效益和经济效益。随着理论研究的深人和完善，新型施工工艺的产生和高性能材料的应用，其应用范围将不断扩大，钢管混凝土结构将是结构桥梁工程工程科学的一个重要发展方向。
参考文献
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