钢管混凝土框架体系的抗震性能研究

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http://www.paper.edu.cn*钢管混凝土结构应用与研究的部分新进展韩林海（福州大学土木建筑工程学院.hanlinhai@fzu.edu.cn）中文摘要：介绍了钢管混凝土在我国单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、大跨和空间结构、商业广场、多层办公楼及住宅、高层和超高层建筑，以及桥梁结构中应用的一些典型工程实例。简要论述了钢管混凝土结构领域最近取得的一些系列研究成果，内容包括：(1)一次加载下的静力性能；(2)长期荷载作用的影响；(3)滞回性能；(4)耐火极限；(5)火灾后的性能；(6)钢管初应力的影响；(7)混凝土浇筑质量的影响，和（8）新型钢管混凝土结构等。关键词：钢管混凝土;工程实践;承载力;长期荷载;滞回性能;耐火极限一、前言钢管混凝土常见的截面形式有圆形和方、矩形等(ASCCS1997[1]；Bergmann等，1995[2]；蔡绍怀，2003[3]；韩林海，2004[11]；钟善桐，2003[53])。对钢管混凝土力学性能进行较为深入的研究始于四、五十年前。早期钢管混凝土中采用的钢管大多是热轧管，钢管的壁厚一般都比较大，且由于当时钢管内混凝土的浇筑工艺也未得到很好解决，因而应用钢管混凝土的经济效果并不明显，从而使钢管混凝土的推广应用受到一定影响。早期，对钢管混凝土力学性能的研究主要集中在静力性能方面。二、三十年前，研究者们开始较多地研究钢管混凝土结构的抗震性能和耐火极限，以及钢管和混凝土之间的粘结性能问题。近些年来，研究者们对长期荷载作用下钢管混凝土力学性能的研究取得新进展，对钢管混凝土结构抗震性能的研究也进一步深入，对采用高强钢材和高强混凝土的钢管混凝土构件力学性能，以及薄壁钢管混凝土的工作性能和设计方法研究也有一些报道。我国主要集中研究在钢管中浇筑素混凝土的内填型钢管混凝土结构，二十世纪六十年代中期，钢管混凝土开始在一些厂房柱和地铁工程中采用。进入七十年代后，这类结构在冶金、造船、电力等行业的单层或多层工业厂房、设备构架柱、各种支架、栈桥柱、送变电杆塔、桁架压杆中得到推广应用。1978年，钢管混凝土结构被列入国家科学发展规划，使这一结构在我国的发展进入一个新阶段，无论是科学研究还是设计施工都取得较大进展。这些研究成果和业已取得的宝贵工程实践经验为钢管混凝土结构的进一步发展提供了必要的条件和基础。近十几年来，随着我国经济和建设事业的迅猛发展，钢管混凝土在桩、大跨和空间结构、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的应用日益增多，发展速度之快惊人。钢管混凝土由于具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、经济效果和耐火性能较好等特点而受到广大设计和施工技术人员的青睐。本文拟结合一些典型工程实例，简要介绍钢管混凝土在我国土木工程中的应用情况。本文还拟简要介绍作者及其课题组近年来钢管混凝土结构领域取得的一些系列研究成果。二、钢管混凝土结构工程应用的部分进展钢管混凝土能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单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、大跨和空间结构、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，已取得良好的经济效果和建筑效果。下面简要介绍一些典型的工程实例。*基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（No.50425823）和教育部科学技术研究重点项目（No.204071）-1- http://www.paper.edu.cn（1）单层和多层厂房柱。和钢筋混凝土相比，钢管混凝土柱显得较为轻巧，因而已被广泛地用做各类厂房柱。例如1972年建成的本溪钢铁公司二炼钢轧辊钢锭模车间，1980年建成的太原钢铁公司第一轧钢厂第二小型厂，1980年建成的吉林种籽处理车间，1982年建成的上海三十一棉纺厂，1983年建成的大连造船厂船体装配车间，分别于1982年和1986年造成的武昌造船厂和中华造船厂船体结构车间，1985年建成的太原钢铁公司三炼钢连铸车间，1985年建成的沈阳沈海热电厂和柳州水泥厂窑外分解塔车间，1992年建成的哈尔滨建成机械厂大容器车间，1996年建成的宝钢某电炉废钢车间和某热轧厂房等均采用了钢管混凝土格构式柱。太一电厂集控楼和1984年完工的上海特种基础科研所科研楼也采用了钢管混凝土柱。图1和图2所示分别为宝钢某电炉废钢车间和某热轧厂房内景。（2）设备构架柱、各种支架柱和栈桥柱。在各种工业用平台或构筑物中，其下部支柱一般都承受很大的轴压荷载，因而采用钢管混凝土柱较为合理。钢管混凝土在各种设备构架柱、各种支架柱和栈桥柱中的应用较多，例如1978年建成的首钢二号高炉构架，1979年建成的首钢四号高炉构架以及1982年建成的湖北荆门热电厂锅炉构架，1979年建成投产的黑龙江新华电厂加热器平台柱，1983年建成的江西德兴铜矿矿石储仓支架柱，以及北京首钢自备电厂和山西太一电厂的输煤栈桥柱等。图3北京首钢自备电厂输煤栈桥钢管混凝土双肢柱。图4和图5所示为午旺电厂四期和山西太一电厂的输煤栈桥四肢柱。图1宝钢某电炉废钢车间内景图2宝钢某热轧厂房内景图3首钢自备电厂输煤栈桥图4午旺电厂四期栈桥柱图5太一电厂输煤栈桥7号柱（3）地铁站台柱。地铁站台柱承受的轴向压力很大，采用承载力高的钢管混凝土柱可减小柱截面尺寸，扩大使用空间。北京地铁北京站和前门站及环线工程中的一些站台柱采用了这种结构。（4）送变电杆塔。档距大的高压输电杆塔或微波塔，可采用钢管混凝土构件作立柱。例如，1980年建成的松蚊220kV线路中的终端塔采用了钢管混凝土柱，1986年在沿葛洲坝水电站输出线路上及繁昌变电所500kV变电构架中也都采用了钢管混凝土柱。（5）桁架压杆。在桁架压杆中采用钢管混凝土可充分运用这类结构的特点，从而达到节省钢材，减少投资的目的（钟善桐，2003）。实际工程有60年代建造的山西中条山某矿的钢屋架中的压杆。1982年完工的吉林造纸厂碱炉与电站工程中电除尘工段的屋架中也采用了钢管混凝土。-2- http://www.paper.edu.cn（6）桩。目前，钢管混凝土桩已在软土地基上高层建筑、桥梁、码头等重要建筑物的基础中得到用。例如上海杨浦大桥建设中采用了钢管混凝土桩技术。90年代的宝钢三期工程试验成功并推广了具有较高承载力的钢管混凝土桩技术，据统计，应用钢管混凝土桩代替钢管桩节省投资达2亿多元（王怀忠，1998[47]）。（7）大跨和空间结构。2山东滨州国际会展中心，占地面积约45000m，建筑高度28.4m。采用了圆钢管混凝土柱。钢管截面有两种，分别为Φ820×16和Φ720×14，采用了Q345钢和C40混凝土。图6所示为滨州国际会展中心的效果图。图7所示为滨州国际会展中心框架安装过程中的情景。滨州国际会展中心采用了圆钢管混凝土柱外加强环式节点，如图8所示。图6滨州会展中心的效果图图7滨州会展中心框架安装图8典型的梁柱节点（8）商业广场、多层办公楼及住宅。正在建设中的福州万象商业广场建筑总高度为23m，最大柱距12m，采用了框架结构体系。工程采用了圆钢管混凝土柱，钢管截面尺寸为Φ720×12mm，Q345钢，内灌C30混凝土，焊接工字钢梁，压型钢板组合楼板。#2001年建成的山东省钢结构节能住宅示范试点工程莱钢樱花园1楼采用了圆钢管混凝2土柱。该住宅楼共13层，建筑面积12000m。地下一层设车库，部分为商场，层高3.9m；2地上12层住宅，建筑面积10369m，层高均为2.9m。建筑总高度34.8m，采用钢管混凝土框架—现浇混凝土剪力墙结构。钢管外直径为300mm，Q345钢，内灌C45混凝土，梁采用#Q345H型钢。图9所示为建成后的莱钢樱花园1楼，图10所示为施工过程中的莱钢樱花园#1楼。图9建成后的莱钢樱花园1#(a)(b)#楼图10施工过程中的莱钢樱花园1楼济南百花丽景大厦采用了方钢管混凝土柱，最大钢管截面外边长为550mm，钢管壁厚度为10mm，钢管采用Q345钢，内灌C50混凝土，混凝土的浇灌采用了泵送顶升法，每12米作为一个浇筑段，平均浇筑速度约为0.1m/s。图11所示为济南百花丽景大厦的效果图。图12所示为建设中的济南百花丽景大厦。图13所示为济南百花丽景大厦的节点图。-3- http://www.paper.edu.cn图11济南百花丽景大厦效果图图12建设中的济南百花丽景大厦(a)(b)(c)(d)(e)图13济南百花丽景大厦节点图济南艾菲尔花园采用了方钢管混凝土柱，钢管截面外边长为300mm，钢管壁厚度为8mm，Q345钢，内灌C40混凝土。图14所示为济南艾菲尔花园效果图，图15为建设中的济南艾菲尔花园。图14济南艾菲尔花园效果图(a)(b)(c)图15建设中的济南艾菲尔花园-4- http://www.paper.edu.cn上海市中福城住宅楼采用了圆钢管混凝土柱（高光虎，2001[9]），钢管采用了耐火耐候钢，内灌C60混凝土，钢梁为高频焊轻型H型钢。本溪“华夏花园”住宅工程（张跃峰和王书凤，2001[51]）地下一层，地上11层，层高为2.9m。该工程采用钢框架-剪力墙结构体系，钢框架由灌C50混凝土的钢管混凝土柱和焊接H型钢梁组成，钢管混凝土柱与钢梁的节点为外加强环式的刚性节点。由于钢管混凝土柱刚度大，在住宅中应用时变形小、稳定性好，可很好地满足正常使用的要求。在住宅中推广应用钢管混凝土结构具有很好的发展前景。（9）高层和超高层建筑。钢管混凝土可用于多、高层和超高层建筑的柱结构和抗侧力体系，构件截面可采用圆形或方、矩形。钢管混凝土应用于多、高层和超高层建筑中时的主要优点有：1)构件截面小，节约建筑材料，增加使用空间，构件自重减轻，可减小基础负担，降低基础造价；2)抗震性能好；3)耐火性能优于钢结构，相对于钢结构可降低防火造价；4)可采用“逆作法”或“半逆作法”的施工方法，可加快施工速度等。钢管混凝土在高层建筑中已有较多的应用（蔡绍怀，2003[3]；韩林海，2004[11]；钟善桐，2003[53]）。下面简要地介绍一些典型的工程实例。深圳赛格广场大厦是以高科技电子配套市场为主，集办公﹑会展﹑商贸﹑金融﹑证券和娱乐为一体的现代化超高层建筑，于1999年建成（陈立祖，1997[4]；程宝坪，1999[5]）。22该工程占地面积9,653m，地下4层，地上72层，总建筑面积166,700m；地上建筑高度为291.6ｍ，为框筒结构体系，其框架柱及抗侧力体系内筒的28根密排柱均采用了圆钢管混凝土，底部外框架柱的柱距为12m，内筒密排柱的柱距为3m。图16所示为建设中的赛格广场大厦外景。(a)(b)(c)图16建设中的赛格广场大厦图17所示为赛格广场大厦钢管混凝土柱施工过程中的情形。(a)(b)(c)图17赛格广场大厦钢管混凝土柱施工过程中的情形赛格广场大厦采用了由钢梁和压型钢板组成的组合楼盖体系，钢梁和钢管混凝土柱的连接采用刚性节点，大多采用了内加强环板的节点形式。除了采用内加强环板的节点形式外，该大厦的部分钢管混凝土柱还采用了内锚固式等节点形式。在进行钢结构的安装时，为了便于连接，减少施工工作量，一般在工厂就在管柱上焊接-5- http://www.paper.edu.cn一段钢梁，然后在现场先用高强螺栓与中间段的预制钢梁拼接，然后再将工字钢梁的上下翼缘用对接焊缝连接。赛格广场大厦钢管混凝土柱的最小截面外直径为900mm，最大外直径达1600mm。在施工核心混凝土时，因地制宜地采用了逐层浇灌振捣的方式进行。图18所示为混凝土浇灌过程。该大厦部分顶层柱采用了免振捣自密实的高性能混凝土，可大大加快混凝土施工进度，经检验混凝土密实性良好。赛格广场大厦在进行结构的施工时，采用了“逆作法”的施工方法，施工过程大致如下：（1）从地面零标高开始，进行挖孔桩的施工，采用了人工开挖，挖到基础底面，或直接挖到要求的基岩处，浇灌桩基础；（2）安装从钢结构制造厂运到现场的空钢管柱，从零标高处插入基础杯口，校正和固定后，把零标高处的地面楼盖梁与柱相连，组成框架；（3）施工地面楼盖，组成地面楼层。为下一步地上和地下同时施工创造了条件。这时，已安装就位的所有柱子可以浇灌管内混凝土，成为钢管混凝土柱。以下的工序分地上安装和地下挖土同时并进。地上部分继续吊装钢管柱段，将钢管柱向上对接延伸。然后，安装地上一层的梁、板、楼盖，或梁和组合楼层，这样逐层向上施工，一般为三层一根柱段。多少层浇灌管内混凝土则视施工要求决定。地下部分首先是挖土和土方外运，挖完地下一层，组装施工该层的梁和楼盖，再继续往下进行地下二层的楼盖施工，直到施工最下部的底板为止（钟善桐，2003[53]）。采用逆作法施工的优点是加快了施工进度，缩短了工期，提高了综合经济效益。图19为地下室施工过程中的情景。赛格广场大厦钢管混凝土柱的防火设计采用了钢管混凝土耐火性能理论研究新成果，取得了良好的经济效益和建筑效果（韩林海等,2002[26]）。图20所示为赛格广场大厦钢管混凝土柱防火涂料施工时的情形。2001年建成的杭州瑞丰国际商务大厦是国家技术创新重点专项计划项目“高层建筑钢-2混凝土组合结构开发及产业化”试点工程，总建筑面积51,095m。西楼为28层，建筑总高度为89.7m；东楼为15层，建筑总高度为59.1m，裙房5层，高度为23.9m。采用了框架-剪力墙结构体系，应用了方钢管混凝土柱，焊接工字钢梁，压型钢板组合楼板和钢筋混凝土剪力墙。其方钢管混凝土柱最大截面尺寸为600mm，最大钢管壁厚为22mm。图18混凝土浇灌过程中的情形图19地下室施工过程中的情景图20防火涂料施工时的情形图1.3-66所示为瑞丰国际商务大厦底层平面图，图21所示为瑞丰国际商务大厦结构封顶后的情景。图22所示为杭州瑞丰国际商务大厦钢结构安装过程和结构封顶后的情景。图21瑞丰国际商务大厦结构封顶后的情景图22瑞丰国际商务大厦钢结构安装过程中的情景-6- http://www.paper.edu.cn瑞丰国际商务大厦钢管混凝土结构节点采用了内加强环的形式，为了便于混凝土的浇灌，在内加环板上设置了四个圆孔。混凝土采用导管从顶部灌入、逐层振捣的施工方法，平均每3-4层柱段为一个施工单元。瑞丰国际商务大厦钢管混凝土柱的防火设计采用了钢管混凝土耐火性能理论研究新成果（韩林海等，2002[26]）。图23所示为底层钢管混凝土柱水泥砂浆防火保护层施工示意图。地上2层到28层采用了20mm厚的厚涂型钢结构防火涂料，图24所示为该工程标准层钢管混凝土柱防火保护层施工完毕后的情景。（a）钢丝网施工后（b）水泥砂浆施工后图24标准层柱防火保护层施工后图23柱水泥砂浆防火保护层施工的情景2003年建成的武汉国际证券大厦，地下3层，地上68层、结构高度242.9m，总建筑面积2134,753m。该工程主楼十层以下为钢筋混凝土内筒外框筒的筒中筒结构体系；十层以上为钢框架-偏心支撑结构体系，外框架采用矩形钢管混凝土柱，标准层柱距为8.2m，内筒为矩形柱-偏心支撑。该工程主楼十层以下采用主次梁(钢筋混凝土)现浇双向板结构，十层以上采用压型钢板-混凝土板组合楼盖，楼面一般部位的梁采用工字型钢梁，角梁及外框架连梁采用箱型钢梁。图25所示为武汉国际证券大厦外景图。图26所示为武汉国际证券大厦方、矩形钢(a)效果图(b)建设中的情形管混凝土柱施工过程中的情形。图25武汉国际证券大厦外景武汉国际证券大厦采用了钢管混凝土柱-工字钢梁内加强环板式节点，钢梁与节点区钢板由螺栓连接，节点在工厂预制。利用规程DBJ13-51-2003（2003）[7]中给出的方法，可方便地计算出武汉国际证券大厦方、矩形钢管混凝土柱的防火保护层厚度。该大厦的钢管混凝土柱采用了厚涂型钢结构防火涂料做保护层，经分析，可较传统的钢结构方法节约防火材料造价75%左右。(a)(b)(c)图26施工中的钢管混凝土柱22003年建成的台北国际金融中心占地面积约30,277m，地下5层，地上101层，总建2筑面积166,700m；地上建筑高度为508ｍ。101层塔楼应用了井字形巨型结构体系，中低层的柱子采了矩形钢管混凝土(谢绍松和钟俊宏，2002[49])。图27（a）和（b）所示分别为为台北国际金融中心建造过程和结构封顶后的情景。-7- http://www.paper.edu.cn台北国际金融中心最大钢管混凝土柱的截面尺寸为2.4m×3m，矩形钢管由四块钢板拼2焊而成。钢管的屈服强度为412-510N/mm，内填C70高性能混凝土，混凝土的塌落度为50-70cm。混凝土采用泵送顶升法浇灌。每次浇灌的高度约为3层楼高，一次浇灌时间以不超过1.5小时为原则。为了更好地保证钢管和核心混凝土之间的共同工作，在钢管内壁设计了加劲肋，并在核心混凝土中适当配置了钢筋。典型的钢管混凝土柱截面如图28所示。钢板剪力钉钢筋1000开孔3000mm开孔钢筋笼2400mm(a)施工过程中(b)结构封顶后的情景图28钢管混凝土柱截面形式图27台北国际金融中心图29为施工过程中台北国际金融中心，图30为该工程钢管混凝土柱防火保护层施工完毕后的情景。图29施工过程中台北国际金融中心图30防火保护层施工完毕后的情景拟建的大连国际贸易中心，地下5层，地上78层，建筑物高度325.1m，总建筑面积约228万m。结构形式为钢-混凝土混合结构，核心筒为钢筋混凝土结构，外框柱为矩形钢管混凝土，钢管横截面最大外尺寸为1400mm~1600mm，外围框架梁及与筒体连接梁均为工字形钢梁。目前，在建筑结构中应用比较普遍的柱结构主要有钢筋混凝土、劲性混凝土和钢结构等。衡量一种柱构件技术上的优越性可大致从考察以下几个指标来进行，即构件截面尺寸和自重、抗震性能、耐火性能和施工性能等(Webb和Peyton,1990[48])。根据工程实践经验，表1给出了钢管混凝土柱与钢筋混凝土、劲性混凝土和钢结构柱等的大致比较情况。可见，钢管混凝土柱总体上具有较好的结构性能和施工性能。表1柱结构的性能比较项目钢筋混凝土劲性混凝土钢结构钢管混凝土截面尺寸大较大较小较小抗震性能较差较好好较好耐火性能好好较差较好施工性能一般一般好好已有的工程实践经验表明，钢管混凝土柱可用做框架、框架—支撑、框架—剪力墙、框架—核心筒、框架—密排柱核心筒和框筒—密排柱核心筒结构中的框架柱，以及部分框支剪力墙结构的框支柱。框支柱采用钢管混凝土时，钢管混凝土柱应从基础顶伸至框支层底；其它结构中，可沿结构全高采用钢管混凝土柱，也可在地下室及底部若干层或在上部各层采用钢管混凝土柱、-8- http://www.paper.edu.cn上部其余层或下部各层采用钢筋混凝土柱或钢柱，在交接层应采取有效的过渡加强措施。（9）桥梁结构。拱式结构主要承受轴向压力，当跨度很大时，拱肋将承受很大的轴向压力，采用钢管混凝土是十分合理的。钢管混凝土被用做拱桥的承压构件，在施工时空钢管不但具有模板和钢筋的功能，还具有加工成型后，空钢管骨架刚度大、承载能力高、重量轻的优点，结合桥梁转体施工工艺，可实现拱桥材料高强度和无支架施工拱圈轻型化的目标（Ding，2001[6]；Zhou和Zhuz，1998[52]）。例如1996年建成的下牢溪大桥（如图31所示），是三峡工程对外交通专用公路上的一座重要桥梁（王弘，1995[46]），桥面总宽18.5m，按四车道布置。主跨采用了上承式钢管混凝土悬链线无铰拱，跨度为160m，净矢高为32m，矢跨比为1/5，拱轴系数m=1.543。由于公路主要服务于三峡大坝施工，设计荷载很大，因而采用变截面拱圈，全桥布置了四条拱肋，中心距离为4.5m，肋与肋之间以主撑和副撑加强以保证拱的横向刚度。拱圈截面为哑铃型，高度为2.5m至2.9m，钢管混凝土外直径为1000mm，壁厚为10-12mm，钢材为Q345，内填C50混凝土。图32所示为下牢溪大桥施工过程中的情形。图31建成后的下牢溪大桥图32施工过程中的下牢溪大桥在具体应用时，根据钢管混凝土发挥材料的作用和施工作用的差异，实际拱桥结构中有以下两个方面的应用方向：一种为钢管内填混凝土，即钢管表皮外露，与核心混凝土共同作为结构的主要受力组成部分，同时也作为施工时的劲性骨架，该类桥梁一般被称为钢管混凝土拱桥；另一种形式是钢管分别内填和外包混凝土，钢管表皮不外露，钢管主要作为施工时的劲性骨架，先内灌混凝土，形成钢管混凝土后再挂模板外包混凝土形成断面，该类桥梁一般被称为钢管混凝土劲性骨架拱桥。实际应用时，钢管混凝土拱肋可根据实际需要采用不同的结构形式。当拱桥跨度较小时，拱肋可采用单管的形式；当拱桥跨度较大时，拱肋可采用哑铃形或格构式等断面形式。1996年建成的西安人行天桥和1997年建成的上海浦东运河大桥都采用了单钢管混凝土的拱肋形式，分别如图33和图34所示。图33西安公路学院人行天桥（单管）图34上海浦东运河大桥（单管）1996年建成通车的浙江杭州新塘路运河桥，跨越京杭大运河，采用了下承式钢管混凝土无风撑系杆拱（如图35所示），拱肋采用了圆端形的扁钢管。-9- http://www.paper.edu.cn(a)(b)图35杭州新塘路运河桥1996年建成通车的莲沱大桥(如图36所示)，是三峡工程对外交通专用公路上的一座重要桥梁，计算跨径116m，拱肋采用竖置的哑铃型截面形式。1998年建成通车的山东济南东站钢管混凝土拱桥(如图37所示)，其拱肋的弦杆由四个直径为650mm，壁厚为10mm的钢管组成。图36建成后莲沱大桥图37山东济南东站钢管混凝土拱桥2002年建成的兰州雁盐黄河大桥，主桥为三跨一联钢管混凝土刚架系杆拱桥，其拱肋采用了哑铃型截面形式，钢管采用了Q345钢，内填C50混凝土。图38为该桥建成后的夜景。图38兰州雁盐黄河大桥2000年建成的广州丫髻沙大桥，主跨计算跨度344m。拱肋采用了六管格构式截面，钢管截面直径为750mm。大桥平转转体每侧重量达13600吨。该桥是迄今跨度最大的钢管混凝土拱桥。1997年建成的万县长江大桥桥区处于三峡库区，采用了净跨420米单孔跨越长江的钢筋混凝土拱桥方案（Yan和Yang，1997[50]）。双向可通行三峡库区规划的万吨级船队。主拱圈的净跨为420m，净矢高84m。其劲性骨架采用了钢管混凝土，既作为施工成拱承重结构，又是桥梁结构受力的永久组成都分。该桥是迄今采用钢管混凝土的最大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥。钢管混凝土除了在公路拱桥中得到大量应用外，近年来还开始在铁路拱桥中应用，例如2001年建成的贵州水柏铁路中段的北盘江大桥等。此外，国内也有不少采用钢管混凝土空间桁架组合梁式结构的桥梁。-10- http://www.paper.edu.cn三、钢管混凝土结构理论研究的部分新进展如前所述，世界国各地的研究者们在钢管混凝土结构理论研究方面已取得丰硕成果。对于钢管混凝土构件的研究存在各种不同的方法，对钢管混凝土结构中钢管和核心之间组合作用的认识程度会有所不同，因而所获计算方法和计算结果也就会有所差异。但无论采用哪种办法，都有其特点，其目的都是为了寻找钢管混凝土结构合理科学的设计理论，都是值得借鉴的。Schneider(1998)[43]对钢管混凝土轴压短柱的研究现状进行了较为全面和深入的综述。为了便于读者更方便和更全面地了解钢管混凝土轴压短试件的工作特点和研究状况，Han（2002）[15]直接引用了Schneider(1998)[43]原文的部分段落和文字以及综述结果，还进一步综述和列出了其他一些相关研究结果。Gourley等（2001）[10]和韩林海（2004）[11]对钢管混凝土结构方面的研究成果进行了更为全面的回顾和总结，本文不再赘述。有关钢管混凝土结构的设计规程目前已有不少(ASCCS,1997)[1]。日本目前在钢管混凝土房屋建筑方面的设计规程有AIJ（1997）等；美国的设计规程ACI（1999）和AISC-LRFD（1999）都给出了钢管混凝土结构设计方面的规定；英国的设计规程有BS5400（1979）。此外，还有欧洲规范EC4（1994）等。我国近十几年来先后颁布了几本有关钢管混凝土结构设计方面的规程，例如国家建筑材料工业局标准JCJ01-89（1989）[57]，中国工程建设标准化协会标准CECS28:90（1992）[54]（该规程目前正在修编中），中华人民共和国电力行业标准DL/T5085-1999（1999）[56]等都给出了圆钢管混凝土结构设计方面的规定。中华人民共和国国家军用标准GJB4142-2000（2001）[58]给出了方钢管混凝土结构设计方面的条文。2003年颁布实施的福建省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》DBJ13-51-2003（2003）[7]可适合于圆形和方、矩形钢管混凝土结构的设计计算。2003年颁布的天津市工程建设标准《天津市钢结构住宅设计规程》DB29-57-2003（2003）[45]中也给出了钢管混凝土结构设计计算方面的规定。中国工程建设标准化协会标准CECS159:2004[55]给出了方、矩形钢管混凝土结构设计方面的规定，福建工程建设标准《钢–混凝土混合结构技术规程》DBJ13-61-2004（2004）[8]给出了不同截面情况下钢管混凝土核心混凝土收缩的计算方法、以及构件恢复力模型的确定方法等。由于具备了上述设计依据，可更好地促进钢管混凝土结构在我国的推广应用。随着我国建设事业的迅猛发展，近十几年来钢管混凝土的应用日益增多，因此寻求更为合理和完善的钢管混凝土结构分析理论和设计方法显得突出和重要。根据钢管混凝土结构发展的需要，作者领导的课题组近年对工程中常用的圆形和方、矩形钢管混凝土的如下关键问题进行了探索和研究，即：1）静力荷载作用下的性能；2）长期荷载作用的影响；3）往复荷载作用下的性能；4）耐火极限和抗火设计方法；5）火灾后的力学性能和损伤规律；6）钢管初应力的影响；7）混凝土浇筑质量的影响；8）薄壁钢管混凝土的力学性能；9）新型钢管混凝土结构等。钢管混凝土是一种组合结构，构件在受力过程中，钢管及其核心混凝土协同互补、共同工作，二者之间存在组合作用，因此，如何合理地认识和深入了解这种相互作用的“效应”是钢管混凝土理论研究的热点课题。从广大设计部门的角度，不仅希望这一问题在理论上取得较透彻的解决，而且更希望能进一步提供便于工程设计人员使用的实用设计方法。从研究者的角度来说，在工程技术领域从事科学研究，其最终目的也应该是更好地为实际应用服务，要把理论成果放到工程实践中去接受检验。为了实现把理论成果推进到实用化程度的目标，需要有定量的结果，还需要考虑到钢管混凝土结构几何参数、物理参数、荷载参数及一系列实际影响因素，会大大增加研究工作的深度和难度，但这样做的结果反过来也增强了研究成果的理论价值。当然，从事这样的理论研究工作，往往需要花费更大的精力和更长的时间。近年来，课题组对上述九个钢管混凝土结构技术方面的系列关键问题进行了研究，每个问题的研究大致都经历了三个阶段，即首先确定组成钢管混凝土的钢材及混凝土的应力-应变关系模型，在此基础上，采用数值计算方法，分析了钢管混凝土构件在静力，动力和火灾作用等情况下荷载-变形全过程关系曲线，-11- http://www.paper.edu.cn并和已有的国内外的实验结果进行了对照，结果总体上令人满意（韩林海，2004）[11]。为了进一步更加全面验证以上理论分析结果的准确性，在第二阶段针对国内外以往进行过的实验研究状况，有计划地进行了一系列钢管混凝土构件在一次加载、长期荷载、往复荷载、火灾作用下和火灾作用后等情况下的实验研究，近年来先后进行了500多个典型构件的实验研究，不仅奠定了钢管混凝土结构学科发展的必要基础，同时也使理论分析结果更为可信。以上这种以充分考虑组成钢管混凝土的钢管和混凝土之间相互组合作用的分析方法自然是比较系统和完善的，而且得到大量实验结果的验证，计算结果也较精确，但是也要看到，从实际应用的角度考虑，这种理论方法显得还是比较复杂，不便于应用。如何从上述理论成果出发，搭起必要的桥梁，过渡到便于广大设计人员应用的实用方法，是一项十分有意义的工作，这也是在第三阶段研究中拟解决的主要任务。为了实现这一目标，在充分考虑到工程实际应用的情况下，对影响钢管混凝土性能的基本参数（包括物理参数、几何参数和荷载参数等）进行了系统的分析，并考虑各种可能的影响因素，然后对所得大量计算结果进行统计分析和归纳，考察钢管混凝土力学性能的变化规律；最后从理论高度进行概括，提出钢管混凝土构件在各种荷载作用下的设计方法（韩林海，2004）[11]。下面简要归纳作者及其课题组近年来在钢管混凝土结构研究方面取得的一些研究成果。（1）一次加载下的性能。在确定组成钢管混凝土的钢管及其核心混凝土本构关系模型的基础上，采用数值方法对圆形、方形和矩形钢管混凝土构件的荷载-变形关系进行了全过程分析，分析结果与实验结果总体吻合较好。最后在系统参数分析结果的基础上，提出了钢管混凝土压弯构件的承载力简化计算公式，公式形式简单，概念清楚，符合实用原则。在收集国内外现有实验数据的基础上，对不同设计规程提供的方法进行了分析比较，结果表明，推导出的计算公式的计算结果与实验结果吻合较好，且总体上稍偏于安全（Han，2000a[12]，2002[15]，2004[16]；Han等，2001[41]，2004c[40]；韩林海和陶忠，2001[22]；韩林海和杨有福，2001[30]）。韩林海（2004）[11]还对钢管混凝土构件进行了可靠度分析。（2）长期荷载作用下的性能。和普通钢筋混凝土结构中的混凝土相比，长期荷载作用下钢管混凝土核心混凝土的工作具有如下特点：1）处于密闭状态，和周围环境基本没有湿度交换。2）沿构件轴向的收缩将受到其外包钢管的限制。因此，钢管混凝土核心混凝土的收缩变形就有可能不如同条件下的普通混凝土显著。3）受力过程中，核心混凝土和其外包钢管存在着相互作用问题。在进行长期荷载作用下钢管混凝土构件变形性能的研究时应适当考虑上述特点。基于ACI（1992）提供的混凝土徐变和收缩模型，提出一种适合于长期荷载作用下钢管混凝土构件变形的理论分析模型，计算结果和实验结果基本吻合。在此基础上，系统分析了加载龄期、持荷时间、轴压比、构件截面含钢率、钢材牌号、混凝土强度等级和荷载偏心率等因素对长期荷载作用下钢管混凝土构件变形性能和承载力的影响规律。最终提出考虑长期荷载作用影响时钢管混凝土构件承载力实用验算方法（韩林海等，2004[32]；韩林海和刘威，2002[21]；Han等，2004b[24]；Han和Yang，2003[31]）（3）滞回性能。在确定了组成钢管混凝土的钢材和核心混凝土应力-应变滞回关系模型的基础上，对钢管混凝土构件的弯矩（M）-曲率（φ）和水平荷载（P）-水平位移（∆）滞回关系曲线进行了计算和分析，计算结果得到国内外大量实验结果的验证（韩林海，2004[11]；Han等，2003b[33]）。分析结果表明，钢管混凝土压弯构件弯矩（M）曲率（φ）骨架曲线的特点是无显著的下降段，转角延性好，其形状与不发生局部失稳钢构件的性能类似，这是因为钢管混凝土构件中的混凝土受到了钢管的有效约束，在受力过程中不会发生因混凝土被压碎而导致构件破坏的现象；另外，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥，这样，由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间相互贡献、协同-12- http://www.paper.edu.cn互补、共同工作的优势，使其弯矩-曲率滞回曲线表现出良好的稳定性，基本上没有刚度退化和强度退化，曲线图形饱满，呈纺锤形，没有明显的捏缩现象，吸能性能良好。分析结果还表明，影响钢管混凝土弯矩（M）曲率（φ）滞回曲线骨架线的因素主要有：含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度和轴压比等。影响钢管混凝土水平荷载（P）水平位移（∆）滞回曲线骨架线的主要因素是：含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度、轴压比和构件长细比等。在理论分析和实验研究结果的基础上，提出了钢管混凝土压弯构件弯矩（M）-曲率（φ）和水平荷载（P）-水平位移（∆）滞回模型，以及位移延性系数的简化确定方法（韩林海，2004[11]）。（4）耐火性能和抗火设计方法。课题组与公安部天津消防科学研究所和澳大利亚Monash大学等单位合作，在确定了高温下组成钢管混凝土的钢材和核心混凝土的应力-应变关系模型的基础上，根据高温下截面温度场的分析结果，提出了计算钢管混凝土柱耐火极限及火灾下强度与变形的理论模型，并对已有的实验数据进行验证，理论结果与实验结果吻合良好。在此基础上，利用该理论计算模型，进一步分析了荷载大小，材料强度，截面含钢率，截面尺寸，构件长细比，荷载偏心率，防火保护层厚度等参数对钢管混凝土柱耐火极限的影响，深入了解了钢管混凝土柱在火灾下的工作机理。最后，在系统参数分析结果的基础上，提出钢管混凝土柱耐火极限和防火保护层厚度实用计算方法（Han，2001[14]；韩林海等2000[17]，2002[26]；韩林海和徐蕾，2000[25]；Han等，2003a[27]，2003c[35]，2003d[42]）。（5）火灾后的力学性能。随着钢管混凝土在实际工程中的应用日益增多，深入研究其火灾后的力学性能和承载力损伤，对于合理制定火灾后该类结构的修复加固措施非常必要，以往国内外尚缺乏该方面研究的报道。先后进行了钢管混凝土构件在恒高温以及火灾（例如ISO-834标准火灾曲线）作用后的理论分析和实验研究。在确定了钢材和混凝土在高温作用后应力-应变关系模型的基础上，利用数值分析方法计算了ISO-834规定的标准升温曲线作用后圆钢管混凝土和方、矩形钢管混凝土压弯构件荷载-变形关系曲线，理论计算结果和实验结果基本吻合。在系统分析了火灾持续时间、构件截面含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度等级、荷载偏心率和构件截面尺寸等因素对火灾作用后钢管混凝土构件承载力影响规律的基础上，提出火灾作用后钢管混凝土构件承载力的简化计算方法。分析结果表明，火灾作用对钢管混凝土构件的火灾后承载力有较大影响，且影响因素主要是构件截面尺寸、长细比、受火时间和防火保护层厚度（韩林海和霍静思，2002[18]；Han和Huo，2003[19]；Han等，2002a[28]，2002b[34]）。最近，还开展了火灾作用后钢管混凝土柱抗震性能的研究工作（Han和Lin，2004）[20]。（6）钢管初应力的影响。多、高层建筑中采用钢管混凝土柱时，往往是先安装空钢管，然后安装梁，并进行楼板的施工。为了加快施工进度，提高工作效率，通常是先安装若干层空钢管柱，然后再在空钢管中浇灌混凝土。这样，在混凝土凝固、与其外包钢管共同组成钢管混凝土构件之前，由于施工荷载和湿混凝土自重等因素，可能会在钢管内产生沿纵向的初压应力(以下简称钢管初应力)。此外，钢管混凝土拱桥施工时，往往也是先安装空钢管拱肋，然后再浇筑钢管内的混凝土，同样也会产生钢管初应力。上述初应力对钢管混凝土构件力学性能的影响问题一直是工程界关注的热点问题之一。合理确定钢管初应力对钢管混凝土构件力学性能的影响将对更安全合理地应用钢管混凝土结构和施工组织具有重要意义。以往对该方面的研究工作尚不够深入。韩林海和尧国皇（2003）[36]，Han和Yao（2003b）[38]考虑钢管初应力的影响，进行了钢管混凝土压弯构件力学性能的实验研究，然后对构件的荷载-变形关系曲线进行计算分析。在此基础上，分析初应力系数、构件长细比、截面含钢率，荷载偏心率、钢材和混凝土强度等因素的影响规律。理论分析和实验结果均表明，钢管初应力对钢管混凝土构件的承载力有影响。钢管初应力的存在可使钢管混凝土构件的极限承载力最大降低20%左右，因此应合理考虑钢管初应力对钢管混凝土构件承载力的影响。在系统参数分析结果的基础-13- http://www.paper.edu.cn上，提出了工程常用参数范围内考虑钢管初应力影响时承载力实用验算公式。（7）混凝土浇筑质量的影响。钢管混凝土由外包钢管及其核心混凝土共同组成，在进行核心混凝土的施工时，混凝土的质量应符合有关混凝土施工验收“规程”或“规范”的要求，但是，由于核心混凝土为外围钢管所包覆，从而导致对混凝土浇筑质量控制问题的特殊性和难度。组成钢管混凝土的钢管及其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原因，因此，研究者们自然会很关心钢管和核心混凝土的共同工作问题。那么，混凝土的浇筑质量对钢管混凝土构件的承载和变形能力有什么影响，且这种影响的关键问题是什么呢？进行该问题的研究自然对钢管混凝土工程的施工和设计具有重要的意义。通过对不同混凝土浇筑质量情况下钢管混凝土力学性能的研究表明，混凝土密实度对钢管混凝土构件的力学性能影响很显著，而混凝土浇筑方式对钢管混凝土中核心混凝土的密实度有较大影响。在进行钢管混凝土中混凝土浇筑质量问题的研究时，要充分考虑控制混凝土的强度和密实度，前者可以保证混凝土达到设计强度，后者则可以保证钢管和核心混凝土相互协同作用的充分发挥。工程实际是丰富多彩的，进行钢管混凝土中混凝土的施工方法也会有所不同，但无论采用那种方法，不仅要保证混凝土的强度，还要保证其有良好的密实度（Han，2000b[13]；Han和Yang，2001[29]；Han和Yao，2003a[37]）。研究结果还表明，只要适当控制混凝土的浇筑质量，在钢管混凝土中应用免振捣自密实高性能混凝土可以达到设计要求。（8）新型钢管混凝土结构。课题组近年来对一些新型钢管混凝土结构进行了研究，具体对象包括为：(1)薄壁钢管混凝土结构。薄壁钢管是指其横截面径厚比D/t（对于圆钢管混凝土）或宽厚比B/t（对于方钢管混凝土）大于对应受压构件中空钢管局部稳定限值的情况；(2)采用高性能自密实混凝土的钢管混凝土。(3)中空夹层钢管混凝土（即将两层钢管同心放置，并在两层钢管之间灌注混凝土）。在对薄壁钢管混凝土结构，钢管高性能混凝土结构和中空夹层钢管混凝土结构研究方面取得的最新成果的基础上可得出如下初步结论（Han等,2004a[23]；Han和Yao,2004[39]；Tao等,2004[44]）：(1)钢管的外直径或最大外边长与壁厚之比的限值取无混凝土时相应限值的1.5倍是可行的。(2)采用高性能自密实混凝土的钢管混凝土的力学性能和普通混凝土基本类似，可以采用普通钢管混凝土的方法进行钢管自密实高性能混凝土的设计计算；(3)水泥水化阶段钢管自密实混凝土的温度场的变化规律与普通混凝土构件基本类似。钢管自密实混凝土中核心混凝土的收缩比素混凝土要小得多。上述系列研究成果初步形成了钢管混凝土理论与设计成套技术，并使钢管混凝土结构学科趋于系统和完善。这些研究成果受到了国内工程界的重视。有关静力和滞回性能方面的成果被国家电力行业标准《钢–混凝土组合结构设计规程》（DL/T5085-1999，1999）[56]、国家军用标准《战时军港抢修早强型组合结构技术规程》（GJB4142-2000，2001）[58]、福建省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》（DBJ13-51-2003，2003）[7]和《钢–混凝土混合结构技术规程》（DBJ13-61-2004，2004）[8]等采用；有关耐火性能方面的成果已在深圳赛格广场大厦、杭州瑞丰国际商务大厦和武汉国际证券等多个工程中应用，并为福建省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》（DBJ13-51-2003，2003）[7]、天津市工程建设标准《天津市钢结构住宅设计规程》（DB29-57-2003，2003[45]）、中国工程建设标准化协会标准《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS159:2004,2004，2004）[55]、中国工程建设标准化协会标准《住宅钢结构设计规程》（2004）和浙江省工程建设标准《建筑钢结构防火技术规范》（送审稿，2003）等采用。-14- http://www.paper.edu.cn四、结语本文简要介绍了钢管混凝土应用的一些典型工程实例，论述了钢管混凝土结构领域最近取得的一些系列研究成果，以期能为钢管混凝土结构的研究与应用工作起到“抛砖引玉”之作用。为了更为科学合理地在建筑结构中推广应用钢管混凝土结构，作者认为应进一步深入开发研究新型钢管混凝土结构及其结构节点、研究钢管混凝土结构节点和钢管混凝土结构体系，以期全面深入地了解新型钢管混凝土结构、钢管混凝土结构节点、钢管混凝土结构体系在静力、动力和火灾等工况下的力学性能，并基于提出相应的设计理论，从而建立起更为完整的钢管混凝土结构理论体系、使钢管混凝土结构学科趋于成熟，使钢管混凝土结构的设计更为科学、合理和安全，并为国家编制有关设计规范和工程实践创造必要条件。孙彤、龚昌基、乔景川、蔡延义、陈立祖、孙忠飞、程宝坪、王怀忠、卢伟煌、李达明、卓幸福、于连波、柯峰和马国刚等同志曾为作者提供了非常有价值的钢管混凝土实际工程资料，谨借此机会表示诚挚感谢！参考文献[1]ASCCS.1997.Concretefilledsteeltubes–acomparisonofinternationalcodesandpractices[R].ASCCSSeminarReport,Innsbruck.[2]Bergmann,R.,Matsui,C.,Meinsma,C.andDutta,D.1995.Designguideforconcretefilledhollowsectioncolumnsunderstaticandseismicloading[M],CIDECTseries“Constructionwithhollowsteelsections”,SerialNo.5,TÜV-VerlagGmbH,Köln,Germany.[3]蔡绍怀,2003.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出版社[4]陈立祖,1997.深圳赛格广场大厦钢管混凝土柱工程介绍[J].哈尔滨建筑大学学报（中国钢协钢-混凝土组合结构协会第六次年会论文集）,(5):14-16[5]程宝坪,1999.深圳赛格广场地下室全逆作法施工技术简介[J].哈尔滨建筑大学学报（中国钢协钢-混凝土组合结构协会第七次年会论文集）,(3):39-45[6]Ding,D.J.,2001.Developmentofconcrete-filledtubulararchbridges,China[J].StructuralEngineeringInternational,11(4):265-267[7]福建省工程建设标准DBJ13-51-2003,2003.钢管混凝土结构技术规程[S].福州[8]福建省工程建设标准DBJ13-61-2004,钢-混凝土混合结构技术规程[S],福州[9]高光虎,2001.高层及多层钢结构住宅设计-介绍陆海城、中福城、库尔勒钢结构住宅[J].建筑钢结构进展,3(3):3-12[10]Gourley,B.C.,Tort,C.,Hajjar,J.F.,Schiller,A.2001.Asynopsisofstudiesofthemonotonicandcyclicbehaviourofconcrete-filledsteeltubebeam-columns[R],ReportNo.ST1-01-4(Version3.0),DepartmentofCivilEngineering,UniversityofMinnesota.[11]韩林海,2004.钢管混凝土结构-理论与实践[M].北京:科学出版社[12]Han,L.H.,2000a.Testsonconcretefilledsteeltubularcolumnswithhighslendernessratio[J].AdvancesinStructuralEngineering-AnInternationalJournal,3(4):337-344[13]Han,L.H.,2000b.Theinfluenceofconcretecompactiononthestrengthofconcretefilledsteeltubes[J].AdvancesinStructuralEngineering-AnInternationalJournal,3(2):131-137[14]Han,L.H.,2001.Fireperformanceofconcretefilledsteeltubularbeam-columns[J].JournalofConstructionalSteelResearch-AnInternationalJournal,57(6):695-709[15]Han,L.H.,2002.Testsonstubcolumnsofconcrete-filledRHSsections[J].JournalofConstructionalSteelResearch,58(3):353-372[16]HanL.H.,2004.Flexuralbehaviourofconcretefilledsteeltubes[J].JournalofConstructionalSteelResearch,60(2):313-337[17]韩林海、贺军利、吴海江、韩庆发,2000a.钢管混凝土柱耐火性的试验研究[J].土木工程学报,33(3):31-36[18]韩林海、霍静思,2002.火灾作用后钢管混凝土柱的承载力研究[J].土木工程学报,35(4):25-35[19]Han,L.H.andHuo,J.S.,2003.Concrete-filledhollowstructuralsteelcolumnsafterexposuretoISO-834firestandard[J].JournalofStructuralEngineering,ASCE,129(1):68-78[20]HanL.H.andLinX.K.,2004.Testsoncyclicbehaviorofconcrete-filledHSScolumnsafterexposuretoISO-834standardfire[J].JournalofStructuralEngineering,2004,130(11):1807-1819.[21]韩林海、刘威,2002.长期荷载作用对圆钢管混凝土压弯构件力学性能影响的研究[J].土木工程学报,35(2):8-19[22]韩林海、陶忠,2001.方钢管混凝土轴压力学性能的理论分析与试验研究[J].土木工程学报,34(2):-15- 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