钢管混凝土的力学性能及工程应用.ppt

浅谈钢管混凝土的力学性能及工程应用,第三组 组长：徐炜康 组员：马正 郑炘 柷绕涛,目 录,（一）概述 （二）钢管混凝土结构的特点 （三）钢管混凝土结构的优缺点 （四）工程实例中的应用 （五）钢管混凝土的脱空现象 （六）主要存在的问题 （七）结束语,首先的问题是个人对钢管混凝土的认识，只有深入地了解它，才能更好地应用它,（一）概述,混凝土的抗压强度高，抗弯能力差；而钢材尤其是型钢，抗弯能力强，有良好的弹塑性，但容易失稳。 而钢管混凝土在结构上能够将两者的优点结合在一起，可使混凝土处于受压状态，且抗压强度显著提高，同时可以提高钢管的刚度。两者结合，从而可大大的提高承载能力。,（二）钢管混凝土的特点,承载力高、延性好，抗震性能优越 施工方便，工期短 有利于钢管的抗火和防火 耐腐蚀性能优于钢结构,钢筋混凝土结构承载能力比常规结构显著提高，各方面的抗弯，抗剪能力强,圆钢管钢骨砼柱 示意图,钢管混凝土核心柱 示意图,（三）钢管混凝土结构的优缺点,1.钢管混凝土结构的优点,承载力大大提高 经有关专家实验和理论分析证明钢管混凝土受压构件强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和的1720倍。,具有良好的塑性和抗震性能 据有关实验数据表明：钢管混凝土轴向压缩到原长的23，构件表面已摺曲，但仍有一定的承载能力。可见塑性之好。在压弯剪循环荷载作用下，水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满，吸能能力很好，基本无刚度退化 抗震性能大大优越于钢筋混凝土结构。,经济效果显著据有关数据表明，和钢柱相比可节约钢材50左右，造价大幅度降低。和钢筋砼柱相比可节约混凝土70左右，减轻自重70，节省模板100 ，而用钢量相等或略多。这一点在已建成的诸多建筑中得到了充分证明，前苏联的Heerb河铁路桥与钢拱桥相比节约钢材52，降低造价2o。大连造船厂船体装配车间采用钢管混凝柱与常规设计钢柱相比，节省钢材56。美国双联广场大厦比通常的钢框架结构节省钢材50 ，总造价降低30。,施工相对简单，可大大缩短工期 美国太平洋第一中心大厦建设速度达到了每周四层，速度之快是其它结构无法相比的。该种结构形式和钢结构相比零件少，焊缝短，可以采用构造简单的插入式柱脚，免去了复杂的柱脚构造。和钢筋混凝土柱相比，由于钢管本身就是耐侧压的模板，因此在浇灌混凝土时可以免去支模、拆模等工和料。钢管还是“钢筋”，它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。从施工过程讲制作钢管远比制作钢筋骨架省工得多，而且便于浇灌。钢管本身就是劲性结构构件。在施工阶段可以起劲性钢骨架的作用，节省了许多支撑构件和脚手架，简化了施工安装工艺。在北方严寒地区，还可以冬季安装空钢管组成的框架或构架。开春后再浇灌混凝土从而争取了时间，加快了建设速度。,在高层建筑中，与钢筋混凝土和钢结构相比钢管混凝土的优越性显得更为突出。 钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高 截面减小扩大了使用空间 截面减小对结构抗震有利 柱子截面减小，降低了地基基础的造价 钢管混凝土柱的钢管较薄，简化了施工 钢管混凝土柱的耐火性能好 充分发挥高强混凝土的作用,2.钢管混凝土的缺点,使用范围有限 从现已建成的众多建筑来看，钢管混凝土的使用范围还仅限于柱、桥墩、拱架等。目前还很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。而矩形的钢管混凝土受力比较复杂而且构造要求繁琐，经济效益不佳。,从结构构件的连接构造上讲，钢管混凝土结构也有许多缺点 从钢管构件的制作、安装要求讲也具有一定难度和繁琐性 从质量检查和施工方法上讲，这种结构构件形式也是存在弊端的,（四）钢管混凝土在工程实例中的应用,下面以沈阳皇朝万鑫大厦为例来说明钢管混凝土在工程实例中的应用,沈阳皇朝万鑫大厦,1 工程概况,沈阳皇朝万鑫大厦工程位于沈阳市青年大街和南二环路的交接处，建设用地北临沈阳皇朝万豪酒店，东临青年大街，西侧为南方航空公司家属楼，南侧为南二环路。该工程占地面积为10069，总建筑面积227859。地下三层，局部四层、五层，地上裙房部分八层，主楼由A座、B座、C座组成，整体建筑物呈“品”字形。其中A座是主塔楼，主体45层，结构总高180m，B座、C座属于副塔楼，主体40层，结构总高150m。主楼由钢管砼叠合柱和钢筋砼核心筒构成。地下室二层地上十四层采用钢筋混凝土钢管叠合柱，钢管内混凝土强度等级为C100和C80，砼采用商品混凝土。主塔楼部分自地下二层-9.000米开始，至地上十四层56.5米标高的柱子，总长65.5米，其中内径为D820*22为20根，副塔楼部分自地下二层-9.000米开始，至地上十三层58.5米标高的柱子，总长67.5米，其中内径为D667*22为32根。地下二层层高为5.1米，地下一层层高为4.2米，地上一层层高为5.7米，二层层高为5.4米，三层、四层、五层层高为4.5米，六层层高为6.0米，七层、八层层高为4.2米，C100混凝土总量为1050 m3。,2 施工特点,万鑫大厦钢管柱砼施工较普通砼有较大的施工难度，第一钢管内砼强度等级高，C100，第二钢管柱内的节点核心区钢筋密，梁主筋均穿过柱子，楼层高，砼运输困难。,1）钢管顶部悬空，混凝土难以输送到位。,钢管比正常的楼层每层均高出2米，浇注混凝土时浇注量少，而且混凝土强度等级高，采用泵送混凝土泵送的时间长，影响混凝土的浇注质量，另外也会造成混凝土的浪费。 考虑到钢管内混凝土的浇注量少，强度等级高等特点，采用借助塔吊来吊运混凝土。合理安排施工工序，合理利用塔吊的垂直运输率，选择在白天采用大型料斗通过塔吊进行浇注钢管内混凝土。在裙房以下部分楼层的钢管内混凝土浇注采用48m臂长的汽车泵直接布料，相对更加方便，并减少了高强度等级混凝土的浪费。,2）钢管混凝土振捣困难,钢管混凝土浇注深度为6m，梁柱节点核心区梁筋分布较密，使用插入式振捣器振捣相当困难，无法保证振捣到位，故采用插入式振捣器加附着式振捣器相结合的振捣方式进行混凝土振捣就会达到振实混凝土的目的（后经声测管检测显示混凝土浇注质量均合格）。个别部位附着式振捣器无法到位，采用间接振捣的方法进行振捣混凝土。方法是先将预先选定的钢筋插入钢管内无法振捣的部位，浇注混凝土时，把振捣器附着在钢管柱的上口部位进行振捣钢筋，通过振捣钢筋而达到振捣底部混凝土的目的。,3）钢管混凝土施工的特殊性,钢管混凝土施工时必须有操作人员在钢管柱口外侧控制混凝土料斗、振捣、控制浇注面标高。考虑到整个钢管外框筒的稳定性以及方便后续钢管安装，钢管内的混凝土浇注面标高必须合理控制。浇注高度控制在离钢管上口2米处，保证混凝土自重不会造成钢管偏位。而根据钢管安装要求，混凝土浇注面为钢管口以下1.5米左右，保证有足够的操作空间。因此每次浇注前，由钢结构施工部门提供每个钢管的浇注标高，以管口往下距离作为控制。土建部门的混凝土浇注面标高控制通过计算混凝土土方量或用强光手电筒在钢管内部目测得知（钢管内有环形劲板可作参照）。,4）钢管柱焊接连接的特殊性,由于钢管柱的连接需要在施工现场进行，因此钢管柱的焊接质量很难控制。钢管柱安装时要经过吊装就位调整固定焊接等工艺。钢管柱吊装就位后要由专业测量人员对钢管柱的平面位置、标高、垂直度等进行一一检测，保证平面位置和垂直高度满足设计要求及施工规范要求的前提下进行现场钢管连接。钢管柱与钢管柱的连接采用内衬板进行连接。内衬板和上下钢管柱均进行焊接。焊接时要由专人负责监督检查钢管柱的焊接质量。每根钢管柱焊接完成后均要做超声波检测。由专业的检测部门对钢管柱的焊缝进行全数检测，检测合格并出具有资质的检测报告后才可进行下道工序的施工。,5）可施工时间短,受施工现场塔吊的限制，钢管柱吊装工期紧，钢管柱吊装完毕后不能直接浇注混凝土，必须待钢管柱焊接连接完毕，楼层处钢筋混凝土梁及钢管柱外侧钢筋混凝土柱的钢筋全部安装绑扎完毕形成整体后才能浇注。因此留给混凝土的浇注时间很短，导致混凝土施工异常紧迫。 混凝土浇注前的准备工作在钢管柱吊装和钢管柱焊接连接的同时穿插进行。只要现场全部的钢管柱均做超声波检测合格，梁柱钢筋和钢管柱形成整体具备浇注条件，就立即浇注钢管柱内混凝土。每层基本8个小时即可浇注完毕。后期，钢管柱截面变小，楼层层高降低，钢管柱内混凝土量减少，便改为2层浇注一次，节省工期，方便施工。,3 施工问题,混凝土容易结硬 钢管混凝土浇注期间，出现几次混凝土结硬现象，主要原因是混凝土放置时间过长、天气温度过高、混凝土运输路上堵车等因素。出现这种情况，混凝土做报废处理。 钢管混凝土养护 钢管内混凝土浇注完成后，在钢管口覆盖一块固定大小的模板，进行现场覆盖，防止杂物等掉入钢管内难以清理。混凝土养护时直接在钢管内浇注水就可以，一般是先浇注10cm的养护水，待第二天再进行检查看是否需要再浇水养护，原则就是保证混凝土表面有1cm的水覆盖为宜。,4） 钢管内混凝土检测,施工之前设计单位担心钢管内混凝土浇注无法保证密实，采用在环形加劲板上开设直径为2的冒浆孔，浇注混凝土时混凝土从上部浇注下去，可以保证钢管底部空气从此孔排出，防止死角，只要看到钢管内混凝土从此孔冒出就可以判断混凝土已经浇注密实。钢管混凝土浇捣后的质量采用敲击钢管的方法进行初步检查，并且现场采用标准养护试块和同条件养护试块来反映实体质量。另外在正式施工之前，在现场做模拟试验证明钢管内混凝土内部不但密实，而且与钢管接触部分表面光洁，环形加劲板下方无空隙。,（五）钢管混凝土的脱空现象,钢管混凝土脱空产生的原因： 1.在混凝土浇筑过程中产生脱空； 2.在混凝土凝结硬化后产生脱空。 解决钢管混凝土脱空的措施： 1.预防：在混凝土施工阶段避免发生脱空或减少，消除脱空的影响； 2.补救：在钢管混凝土服役阶段对已发生的脱空进行补救。,（六）主要存在的问题,尽管钢管混凝土发展很快,但是其设计理论, 计算方法,规范制定等方面却比较落后,具体体现在以下几个方面: 钢管混凝土的本构关系。由于钢管混凝土力学行为的复杂性,迄今尚未建立起比较完善的本构关系,特别是混凝土的本构关系,现有的本构关系虽然包括混凝土的弹性、弹塑性和屈服阶段,但大都以回归公式为主。钢管与混凝土各自的本构关系如何选取,才能使二者的结合最优,缺乏研究。,由于核心混凝土的收缩,钢管混凝土拱肋中出现钢管与混凝土不密贴的现象。 尤其是在拱顶。工程中常采用压浆或微膨胀混凝土来解决混凝土的收缩。但微膨胀混凝土的效果也缺乏细致的研究。 此外,有人认为在日照下钢管与混凝土会受到温差的影响而出现空隙,以致使套箍力的发挥在工程界存在质疑。对于这个问题目前还缺乏深入的研究。,钢管混凝土的有限元计算理论缺乏统一性。基于现有的资料,未呈见过各种计算理论的比较。,钢管混凝土桁架节点与柔性吊杆的疲劳问题,研究不够深入。 设计规范。随着钢管混凝土拱桥的不断发展,对其专门规范的制定要求更加迫切。 当前存在于设计、制作、施工之间的并影响到业主、监理判断和裁定的一些不协调问题,既需要理论上的支持,实践中的检验,更需要规范的量定。,（七）结束语,钢管混凝土结构是继钢结构、木结构、钢筋混凝土结构、砖石结构之后发展起来的第五大结构体系，是将混凝土灌入钢管内形成的一种新型组合结构。 随着经济的发展，混凝土正朝着高强度、高性能和多功能的方向发展，钢管混凝土结构由于具有一系列优越性能，目前在高层和超高层建筑中越来越多地被应用。,