《浅谈建筑工程中钢管混凝土结构【最新7篇】》

在钢筋混凝土结构出现之前，我国建筑行业一直沿用钢结构。钢结构即利用刚才进行建筑活动，因为这种建筑模式主要材料就是钢材，所以它钢材消耗量很大，同时成本也比较高昂。钢管混凝土是一种新型的建筑结构，这种结构主要利用钢管和混凝土两种材料，将混凝土注到钢管中使钢管对混凝土形成制约作用，从而利用两种不同材料各自的优点将两种材料混合的优点发挥到最大化。两者互相挤压的强大受力作用以及钢管对混凝土的约束，使得混凝土一直处于高度复杂的应力状态下，由此极大程度上优化了混凝土原本的性能，大大加强了其可塑性和承压能力。这里是勤劳的编辑帮家人们收集的浅谈建筑工程中钢管混凝土结构【最新7篇】，欢迎借鉴。

钢管混凝土结构 篇1

关键词：钢管混凝土结构；优势；应用

中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：

随着社会经济的迅速发展和城市化进程的加快， 高层建筑尤其是一些超高层建筑日趋增多。钢与混凝土组合结构之一的钢管混凝土，因其承载力高、刚度大且抗震性能好、节约钢材和施工简捷等突出优点，在高层和超高层、公共及大型桥梁等建筑得到了日益广泛的应用。

钢管混凝土结构特点及优势

钢管混凝土在高层建筑工程中，主要是作为受压管柱的建筑构件使用，与钢梁和梁柱节点等共同构成建筑物的框架结构体系。 钢管砼柱因其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质。实验和理论分析证明，钢管混凝土在轴向压力作用下，钢管的轴向和径向受压而环向受拉，混凝土则三向皆受压，钢管和混凝土皆处于三向应力状态。三向受压的混凝土抗压强度大大提高，同时塑性增大，其物理性能上发生了质的变化，由原来的脆性材料转变为塑性材料。正是这种结构力学性质的根本变化，决定了钢管砼的基本性能和特点，并作为新型的第五种建筑组合结构显示出巨大的生命力和发展前景。钢管砼的特征与优势如下：

1、钢管砼柱的抗压和抗剪承载力高，相当于钢管和混凝土二者之和的2倍以上，受力合理，能充分发挥混凝土与钢材的特长，从而使构件的承载能力大大提高。从另一方面而言，对于同样的负荷，钢管混凝土构件的断面将比钢筋混凝土构件显著减小。对混凝土来说，由于钢管约束，改变了受力性能，变单向受压为三向受压，使混凝土抗压强度提高了几倍。对钢管来说，薄壁钢构件对于局部缺陷特别敏感。薄壁钢管也不例外，局部缺陷特别是不对称缺陷的存在，将使实际的稳定承载力比理论值小得多。由于混凝土充填了钢管，保证了薄壁钢管的局部稳定，使其弱点得到了弥补。2、柱子截面减小，自重减小，相当于设防烈度下降一级，具有良好的抗震性能。由于结构自重大大减轻，这对减小地震作用大为有利。结构具有良好的延性，这在抗震设计中是极为重要的。而对于一般钢筋混凝土柱，尤其是轴压和小偏心受压柱是难以克服的缺点。

3、钢管壁薄便于选材、制造与现场焊接，是施工最为快捷的建筑结构，施工简单，缩短工期。钢管本身就是模板，因此比钢筋混凝土构件省去了模板。钢管本身既是纵筋又是箍筋，这样便省去了模板的制作安装工作。钢管的制作比钢筋骨架的制作安装也简单，并且钢管本身在施工阶段即可作为承重骨架，可以节省脚手架。这些方面对施工都大为有利，不仅节省了大量施工中的材料，减少了施工工作量，而且大大减少了现场露天工作，改善了工作条件，同时也加快了施工、缩短工期。 4、钢管砼柱内的混凝土可大量吸收热能，其耐火性优于钢柱，从而比钢柱可节省耐火涂料50%以上。此外具有良好的塑性性能。混凝土是脆性材料，混凝土的破坏具有明显的脆性性质，即使是钢筋混凝土受压构件，尤其是轴心受压及小偏心受压构件的破坏，也是脆性破坏。而且在实际工程中轴心受压、小偏心受压的情况往往实际上是不可避免的，甚至是大量的。而钢管混凝土结构中，由于核心混凝土是处于三向约束状态，约束混凝土与普通混凝土不同，不仅改善了使用阶段的弹性性质，而且在破坏时产生很大的塑性变形，钢管混凝土柱的破坏，完全没有脆性特征，属于塑性破坏。

5、钢管混凝土获得了很好的经济效果。钢管混凝土柱截面比钢筋混凝土柱可减少60%以上，轮廓尺寸也比钢柱小，扩大了建筑物的使用空间和面积。与钢结构相比，节约了大量钢材，因而相应地也降低了造价。与钢筋混凝土结构相比，大约可减少混凝土量的一半，而用钢量大致相当。这样随之带来的优越性是构件自身大大减轻、构件断面大大减小，减少了结构占地面积。由于省去了大量的模板，节省了大量木材，降低了费用， 钢管砼柱自重减少，减轻了地基承受的荷载，相应降低了地基基础造价，因此其取得了显著的经济效果。

二、钢管混凝土在工程中应用及效益

近年来，钢管混凝土结构的施工技术也在迅猛发展，涌现出很多新的施工工艺和施工方法，使钢管混凝土结构广泛应用于各种大型建筑工程和交通运输工程中，取得了较好的经济和社会效益。 1、高层建筑工程。据有关资料，达百米和超过百米的钢管砼结构的高层建筑已有20多座。其中最高的是深圳72层的赛格广场大厦，结构高度291.6米，堪称世界之最。这些高层建筑中采用钢管混凝土柱不仅节约材料、减轻自重、缩短工期，经济效益显著。 2、 公共建筑、工业厂房及大跨度桥梁工程 。例如南宁青秀山高尔夫俱乐部打习馆改扩建工程，项目位于青秀山风景区，拟在改造原有主体框架的同时扩建二层的办公用房。由于打习馆已投入使用，在改、扩建施工的过程中应尽量减少对原有建筑已使用部分的影响，缩短工期，同时配合整个建筑物的立面造型及风格，经多方分析比较，决定在扩建工程中采用钢-混凝土组合结构，并采取一定的施工措施，充分利用组合结构的优越性，取得了良好的技术经济效益。钢管混凝土已经被广泛地应用于拱桥结构中，也开始应用于斜拉桥结构中。 在拱桥结构中，钢管混凝土构件主要用来承受轴向压力。拱桥的跨度很大时，拱肋将承受很大的轴向压力，采用钢管混凝土构件是非常合理的。另外，钢管可以做为桥梁安装架设阶段的劲性骨架和灌注混凝土的模板。因此，钢管混凝土被认为是建造大跨度拱桥的一种比较理想的复合结构材料。

近年来，在斜拉桥和梁式桥中也开始采用钢管混凝土结构，同样取得了良好的经济效益。例如，广东南海市紫洞大桥、湖北秭归县向家坝大桥和四川万县万洲大桥都采用了钢管混凝土空间桁架组合梁式结构，减轻了结构恒载，提了结构承载力利用系数，同时采用与之相适应的、合理的施工工艺，简化了施工程序，减少了施工设备，加快了施工进度，降低了工程造价。钢管混凝土空间桁架组合梁式结构适用于多种桥型，如系杆拱桥结构、特大跨径斜拉桥结构、特大跨径悬索桥结构等，推广其应用必将带来显著的经济效益和社会效益。

此外，钢管混凝土结构也经常用于各种设备支架、塔架、通廊与仓库支柱等各种构筑物中。北京地铁车站站台柱。在北京地铁车站站台中广泛采用了钢管混凝土柱，不仅充分发挥了其优良的受力性能，也获得美好的景观，缩短了工期。江西省体育馆的屋盖由跨度为88m的拱悬挂。拱采用箱形截面，分别用四根钢管置于箱形截面的四角，用角钢做腹杆组成了箱形截面拱。四角钢管中浇筑混凝土，以此箱形拱为依托，挂上模板，浇灌混凝土以形成钢筋混凝土箱形截面拱。这样解决了如此高大拱体现场浇筑混凝土的困难。充分体现了前述钢管可作为施工时承重骨架的优越性。这一结构，实际上是钢管混凝土与空腹桁架配钢的型钢混凝土结构的巧妙结合与新的发展。

三、结论

钢管混凝土结构 篇2

关键词：地下岔管 三维有限元 结构优化

浅谈建筑工程中钢管混凝土结构 篇3

[摘要]：最近几十年年，国家经济迅猛发展，以采用高强混凝土技术和泵灌混凝土技术为特征的现代钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程和大跨度桥梁工程中得到卓有成效的应用，有力地推动了上述领域营造技术的发展，取得了令人瞩目的成就，而现代钢管混凝土结构技术自身也在上述工程实践中得到了新的发展。

[关键词]：建筑工程；钢管；混凝土；结构

所谓“钢管混凝土”是“钢管套箍混凝土”简称套箍混凝土。钢管套箍混凝土的基本原理是利用横向配筋，对受压混凝土施加侧向约束，使其处于三向受压的应力状态，延缓其纵向微裂缝的发生和发展，从而提高其杭压强度和压缩变形能力。

1钢管混凝土结构的施工特点

根据构造和施工工艺条件可将钢管混凝上结构的施工分为钢管结构的制造和组装以及管内混凝土的浇灌两部分，整个工艺兼有钢结构和混凝土结构的特点。从钢管混凝土结构的具体施工条件来看，其施工特点主要为。

1.1管内混凝土是在狭小的管道中浇灌的，由于结构条件所限，混凝土的浇灌质量难以检查，当采用人工浇灌并振捣时，只能依靠操作人员的责任心，加强振捣，仔细操作，确保管内混凝土的密实。当采用高位抛落无振捣施工法以及泵送顶升法时，都应严格遵守相关的施工技术要求。

1.2由于钢管混凝土结构中的管肢均较长，而且管肢中间通常不设浇灌孔，致使管内混凝土一次施工高度较大，一般都在10。以上，国外最高已达100 m,

1.3钢管混凝土结构管肢的内径一般均不大于混凝土振捣器的有效作用半径，约为振捣棒直径的10倍左右。而且钢管不漏浆，当采用人工浇灌并振捣时，只要在施工中采用具有足够振捣能力的内部或外部振捣器，加强操作，并保证不间断连续施工，馄凝土的质量是能够得到保证的。

1.4为避免钢管外部焊接对混凝土烧伤的可能，对管外焊缝较为密集的部位应先焊接，然后再进行混凝土的浇灌施工。竣工后，允许加焊必要的零部件，并应采取相应的措施减少局部高温作用的影响口

1.5钢管构件的加工与一般金属结构制作稍有不同，如各附属焊件与管肢多为曲面连接。结构拼装问隙不易保证，必须采用钢管自动切割机或胎架m装。才能保证制造质量。

1.6由于钢管混凝土优越的力学性能，近些年被用于高层和超高层建筑中，为了加快现场、施工进度。采用地上和地下层同时进行施工的逆作法施工，大大缩短了工期。钢管构件的制作优先采用螺旋焊接管，也可使用滚床卷制符合要求的钢管。为适应钢管拼装后的轴线要求。钢管坡口端应与管轴严格垂直。在卷板过程中，应注意保证管端与管轴线形成垂直的平面。当采用滚床卷管时，应特别注意直缝的焊接质量，尽可能采用自动焊缝。当采用手工焊缝时。宜采用直流焊机，这样可以得到较为稳定的焊弧，且焊缝的含氢量较低，这对具有双向受力的钢管是必要的。

2钢管混凝土结构的优点

2.1延性好

据有关实验数据表明：钢管混凝土轴向压缩到原长的z/3，构件表面己褶曲，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。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性性能明显改善。

2.2抗震性能优越

抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在这方面，钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明，结构的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，不丧失局部稳定性的钢柱相同。但在一些建筑中，钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部穗定性，但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。

2.3施工方便

钢管混凝土结构施工时，钢管可以作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响。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。从施工过程看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。

2.4防火耐火性能好

钢管混凝土的耐火性比钢结构好，由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，混凝土的导热系数低而比热大，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，越到中心，温度越滞后，增加了柱子的耐火时间。

2.5耐腐蚀性强

钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用比钢结构节省。

3钢管内混凝土的施工

根据国内外钢管混凝土结构的施工经验，浇灌混凝土有下种方法，即立式手工浇捣法、高位抛落无振捣法和泵送顶升浇灌法。

3.1.立式手工浇捣法

一般混凝土施工都是在构件安装就位，固定完毕并经检查无误后，开始向管内浇灌混凝土的，浇灌工作应连续进行。在浇灌混凝上之前，应先浇灌一层水泥砂浆。厚度不小于100mm，用以封闭管底并使自由下落的混凝土不致产生弹跳现象。混凝土由钢管上口灌人，井用振捣器捣实。钢管管径大于350mm时、采用内部振捣器〔振捣棒或锅底形振捣器等)振捣，每次振捣时间不少子30s，一次浇灌的混凝土高度不宜大于2m。当管径小于350mm时，可采用附着在钢管外部的外部振捣器进行振捣，振捣时间不小于1 min。外部振捣器的位置应随混凝土浇灌的进展加以调整。外部振捣器的工作效果。以钢管横向振幅不小于0.3mm为有效，振幅可用百分表实测。一次浇灌的混凝土高度不应大于振捣器的有效工作范围，，一般为2-3 m。

立式手工浇捣法施工速度较慢，且施工人员必须严格遵守操作纪律，才能保证混凝土的施工质量。

3.2.高位抛落无振捣法

该法利用混凝土从高位顺钢管下落时产生的动能达到振实混凝土的目的，免去了繁重的振捣工作，是混凝土施工工程中的一个创举。它适合于管径大于350 mm，高度不小于4m的场合。对于抛落高度不足4m的区段，仍须用内部振捣器振实。

混凝土高位抛落无振捣法的关键是混凝土抛落后不产生离析现象，需要对混凝土的配合比提出特殊的要求。采用此法施工时，必须先进行配比试验，确定合理的配合比和水灰比。要控制水灰比，适当加大水泥用量，并掺适量的外加剂，以改变混凝土的内聚性，增加附着力和流动性。

3.3.混凝土泵送顶升浇灌法

该法是在钢管接近地面的适当位置安装一个带闸门的进料支管，直接与泵的输送管相连，由泵车将混凝土连续不断地自下而上灌人钢管。根据泵的压力大小，一次压人高度可达s0---100 m。钢管直径宜不小于泵径的两倍。

[结束语]

工程实践表明，现代钢管混凝土结构既是一种使用高强、高性能材料的结构，也是一种具有高效施工技术的结构。钢管混凝土内混凝土的施工较钢筋混凝土构件和钢构件的施工有许多优势。与钢筋混凝土柱相比。由于钢管混凝土柱没有绑扎钢筋，因而浇灌混凝土比现浇钢筋混凝土柱简便；因管内无钢筋和钢箍，浇灌容易且质量容易保证。它必将为新世纪的国家建设和土建工程的技术进步发挥积极作用。

[参考文献]

[1]蔡绍怀。现代钢管混凝土结构。 2003

[2]徐占发 .钢结构施工。2010

[3]周松盛 .混凝土结构设计与施工手册 .2008.

钢管混凝土结构 篇4

一、钢管混凝土结构具有以下的优点：

(1)受力合理，能充分发挥混凝土与钢材的特长，从而使构件的承载能力大大提高。从另一方面而言，对于同样的负荷，钢管混凝土构件的断面将比钢筋混凝土构件显著减小。对混凝土来说，由于钢管约束，改变了受力性能，变单向受压为三向受压，使混凝土抗压强度提高了几倍。对钢管来说，薄壁钢构件对于局部缺陷特别敏感。薄壁钢管也不例外，局部缺陷特别是不对称缺陷的存在，将使实际的稳定承载力比理论值小得多。由于混凝土充填了钢管，保证了薄壁钢管的局部稳定，使其弱点得到了弥补。

(2)具有良好的塑性性能。混凝土是脆性材料，混凝土的破坏具有明显的脆性性质，即使是钢筋混凝土受压构件，尤其是轴心受压及小偏心受压构件的破坏，也是脆性破坏。而且在实际工程中轴心受压、小偏心受压的情况往往实际上是不可避免的，甚至是大量的。而钢管混凝土结构中，由于核心混凝土是处于三向约束状态，约束混凝土与普通混凝土不同，不仅改善了使用阶段的弹性性质，而且在破坏时产生很大的塑性变形，钢管混凝土柱的破坏，完全没有脆性特征，属于塑性破坏。

此外，这种结构具有良好的抗疲劳、耐冲击的性能。

(3)施工简单，缩短工期。钢管本身就是模板，因此比钢筋混凝土构件省去了模板。钢管本身既是纵筋又是箍筋，这样便省去了模板的制作安装工作。钢管的制作比钢筋骨架的制作安装也简单，并且钢管本身在施工阶段即可作为承重骨架，可以节省脚手架。这些方面对施工都大为有利，不仅节省了大量施工中的材料，减少了施工工作量，而且大大减少了现场露天工作，改善了工作条件，同时也加快了施工、缩短工期。

(4)获得了很好的经济效果。与钢结构相比，节约了大量钢材。根据多项工程统计，钢管混凝土大约能节省钢材50%,因而相应地也降低了造价。与钢筋混凝土结构相比，大约可减少混凝土量的一半，而用钢量大致相当。这样随之带来的优越性是构件自身大大减轻、构件断面大大减小，减少了结构占地面积。由于省去了大量的模板，节省了大量木材，降低了费用，因此其取得了显著的经济效果。

(5)具有良好的抗震性能。由于结构自重大大减轻，这对减小地震作用大为有利。结构具有良好的延性，这在抗震设计中是极为重要的。而对于一般钢筋混凝土柱，尤其是轴压和小偏心受压柱是难以克服的缺点。

(6)具有美好的造型与最小的受风面积。圆形柱不仅以其美好的造型而且因其无棱角，所以特别适用于公共建筑的门厅、大厅、车站\车库、城市立交桥以及露天塔架等高耸结构。

由于钢管混凝土结构具有一系列的优点，因此被广泛采用于多高层建筑、桥梁结构、地铁车站及各种重型、大跨的工业厂房以及高耸塔架等建筑物。钢管混凝土结构在国外应用已有近百年历史，20世纪初，美国就在一些单层和多层房屋中采用钢管混凝土柱。

二、钢管混凝土结构在多层建筑中的应用

1984年在上海建成的基础公司特种基础研究所科研楼，地下2层，地上5层均为双跨钢管混凝土框架结构。边柱与中柱分别为令299与个35l的钢管混凝土柱，可见柱断面及结构占地面积均比钢筋混凝土框架柱为小。其后又陆续用于高层建筑的全部与部分主体结构中。例如1992年泉州市邮电局大厦，高87.5m,采用框架剪力墙结构，底部三层的框架柱采用的钢管混凝土柱。厦门信源大厦高96m,地下2层\地上28层。地下至20层的全部框架柱及20～23层的四角柱采用了钢管混凝土。厦门埠康大厦，高86.5m,地上25层，其中12层采用了钢管混凝土柱。惠州嘉骏大厦28层，全部柱子采用钢管混凝土柱。惠州富绅商住楼28层，地下2层、地上3层全部柱子采用了钢管混凝土柱。这些高层建筑中采用钢管混凝土柱不仅节约材料、减轻自重、缩短工期，并且如果采用钢筋混凝土，柱断面尤其是底下数层柱的断面将会很大，结构占据了很大的使用面积，也给使用带来诸多不便。

三、钢管混凝土结构在公共建筑中的应用

北京地铁车站站台柱。在北京地铁车站站台中广泛采用了钢管混凝土柱，不仅充分发挥了其优良的受力性能，也获得美好的景观，缩短了工期。首钢陶楼展览馆，全部柱子也采用了钢管混凝土柱。江西省体育馆的屋盖由跨度为88m的拱悬挂。拱采用箱形截面，分别用四根钢管置于箱形截面的四角，用角钢做腹杆组成了箱形截面拱。四角钢管中浇筑混凝土，以此箱形拱为依托，挂上模板，浇灌混凝土以形成钢筋混凝土箱形截面拱。这样解决了如此高大拱体现场浇筑混凝土的困难。充分体现了前述钢管可作为施工时承重骨架的优越性。这一结构，实际上是钢管混凝土与空腹桁架配钢的型钢混凝土结构的巧妙结合与新的发展。

四、钢管混凝土结构除广泛应用于多高层民用建筑、公共建筑及工业厂房以及桥梁中外，也经常用于各种设备支架、塔架、通廊与仓库支柱等各种构筑物中。

因为这些平台或构筑物支架柱常为轴心受压或接近轴心受压，塔架等构架的杆件常常以轴力为主，因此用钢管混凝土柱受力合理，尤其对于室外的高度较高的塔架或仓库等，用圆形柱减小了受风面积，对承受风力是理想的断面形式。这些构筑物中比较典型的有江西德兴铜矿矿石贮仓柱。圆筒贮仓高达42m,包括矿石在内总重达16000t,采用了16根钢管混凝土柱支承。荆门热电厂锅炉构架1982年建成，锅炉及附属结构总重为4220t,构架高50m,由六根钢管混凝土平腹杆双肢柱支承。构架跨度22.4m,柱距12m,柱顶标高47.93m。柱肢采用令800mmXl2mm的钢管，显得非常轻巧。另外用于高炉和锅炉的构架还有首钢二号高炉\四号高炉构架，太钢1.053m3高炉构架，辽阳化纤总厂热电厂八号锅炉构架，周口、许昌等电厂锅炉构件等。用于做平台支柱的如黑龙江新华电厂加热器平台柱，荆门热电厂加热器平台柱等。

华北电管局的微波塔于1988年建成，塔顶标高117m,塔身由20根令273mmX8mm无缝钢管内注C15混凝土的钢管辊凝土柱构成空心圆柱形结构。华东电力设计院1979年设计的500kV门式变电构架采用

钢管混凝土A形柱，构架高27.5m,采用令420mmX6mm的钢管，取得较好的经济效果。其他如吉林松胶终端塔，葛洲坝输电线路的变电构架也都采用了钢管混凝土柱。

结论：

钢管混凝土结构 篇5

关键词：钢管混凝土 ，结构优化设计

0引言

钢管混凝土就是由混凝土填入薄壁圆形钢管而形成的组合结构材料。其基本原理是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。由于钢管混凝土结构具有强度高、重量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越力学性能，在土木工程的高层建筑、大跨径桥梁结构中广泛运用。由于计算步骤复杂，设计中常采用试算法和经验法来确定截面尺寸，往往使得设计人员设计工作量大和和结构不经济，提高了工程造价，造成浪费。因此，编制出优化设计程序进行优化设计是非常必要的。

为此，本文结合钢管混凝土结构受力特点，建立钢管混凝土结构的优化数学模型，运用优化算法和数值迭代计算原理，编制了平面杆系结构内力计算优化程序，对钢管混凝土结构进行了初步优化设计研究。

1钢管混凝土结构优化的数学模型

1.1目标函数

主要从经济实用角度考虑，以钢管混凝土结构的造价最低为目标来构造目标函数，因此提出了如下目标函数表达式：

(1－1)

式中：P(x) 为工程造价；为钢管的单位造价；为混凝土的单位造价；为钢管的密度；为钢管混凝土杆件长度。

1.2设计变量

设计变量为钢管混凝土型号中的混凝土标号、钢材种类、横截面面积、惯性矩、含钢率以及杆件长度尺寸等。在混凝土标号、钢材种类和结构中杆件布局已经确定的情况下，影响结构造价主要因素是杆件中各材料的截面面积，因此，设计变量如下：

（1）杆件中钢管的截面面积：

（2）杆件中混凝土的截面面积：

1.3约束条件

约束条件均取自于钢管混凝土设计相关规范及实际设计工程要求。

（1）应力约束

杆件为拉弯杆件：

(1－2)

杆件为压弯杆件：

时，(1－3)

时，(1－4)

式中：、分别为第个杆件的轴力和弯矩；为杆件中钢管的截面面积；为杆件截面面积；为杆件截面抵抗矩；为杆件组合强度设计值；―钢材抗拉强度设计值。

（2）稳定约束

时，(1－5)

时， (1－6)

式中：为欧拉临界力，；为截面的组合弹性模量；为杆件长细比；为等效弯矩系数；为稳定设计安全系数。

（3）挠度约束

(1－7)

式中：为杆件顶点的设计挠度；为规范容许挠度。

2优化程序编制

2.1编程思路

（1）首先运用杆系结构内力计算程序计算出各工况下内力值，提取出内力值（轴力、弯矩）数据；然后按照序列两级算法思路对约束进行分类优化：即先用满应力法对应力约束条件进行优化，在满足应力约束条件后，再用射线步法进行位移约束条件优化，在满足位移约束条件后，输出数值结果；最后判断数值结果是否满足造价收敛条件，如果满足收敛条件，结束运算，输出结果文件，如果不满足收敛条件，把当前的数值结果代入杆件结构内力计算程序计算各工况下内力值，开始新的循环计算。

（2）用满应力法对杆件截面进行优化的过程中，在某工况下，如杆件为压杆，先对杆件的混凝土截面积用满应力法优化，得出优化的截面面积后，再根据钢管混凝土杆件规定的最小含钢率计算钢管的截面面积；如杆件为拉杆，先对杆件的钢管的截面面积进行满应力优化，得出优化的钢管截面面积后，根据钢管混凝土杆件规定的最大含钢率计算混凝土截面面积。通过这样的方式处理，可以保证在规定的含钢率条件下，单根钢管混凝土杆件的截面造价最低。

（3）钢管混凝土杆件中混凝土面积和钢管面积的变化，会使得其含钢率发生变化，这样就会导致钢管混凝土弹性模量发生较大变化，如果再按满应力法中内力不变的假设进行优化，就会使得结构内力偏差太大，优化无从进行。因此，本程序中对满应力优化的结果都重新进行了结构内力的计算，以保证优化的结果偏差尽量减小。

（4）当对位移约束条件进行优化时，是在假设钢管混凝土杆件的含钢率不变的前提下进行杆件截面的优化，这样降低了优化的复杂性，还可以利用先前计算的内力值数据，通过单位荷载法求解位移，使得位移约束由隐性约束变成显性约束，尽可能的减少结构内力计算次数。

2.2优化设计程序步骤

1.输入初始设计数据，及基本参数；

2.进行各种工况下的结构分析；

3.判断第号杆件在第工况下受拉还是受压；如果受拉，用满应力计算公式，得到钢管的截面值；如果受压，用满应力计算公式，得到混凝土的截面值；

4.在所有工况中，选取钢管截面面积和混凝土截面面积；

5.如果且，转到第6步；如果两个条件中有一个不满足，转到第2步；

6.在材料离散集合中，用一维搜索法查找和值最小的截面组合，可得新的截面值，即：和；

7.进行单位虚位移和各种工况下的结构重分析；

8.在所有的工况中，选取跨中节点挠度最大值；

9.计算位移比，如果，转到第10步；如果，转到第13步；

10.通过射线步调整截面，即：和；

11.计算，转到第9步；

12.在材料离散集合中，用一维搜索法查找和值最小的截面组合，可得新的截面值，即：和；

13.收敛判断：（为优化后混凝土和钢管总造价），得出最终截面，结束计算；否则，转到第2步。

3设计实例及计算结果分析

图1 人行桥立面图

本文以一钢管混凝土全焊空间桁架人行桥作为研究对象，结构立面见图1所示。桥梁跨径是20.58米，整根主梁为两个平面桁架拱组成，横桥方向桁架间距均为5m，主梁杆件均采用钢管混凝土杆件，人行道板为槽钢与钢筋混凝土板组成的钢―混凝土组合板，其设计人群荷载4，混凝土采用C50，钢管采用16Mn，混凝土价格拟用300元/立方米，钢管价格拟用4500元/吨。

优化设计后的工程造价与原设计工程造价比较见表1，优化后混凝土用量降低了6.49%，钢管用量降低了11.86%，总造价降低了11.53%，优化后的设计能取得良好的经济效益。

表1原设计与优化设计比较

类别 原设计 优化设计 优化比例

混凝土体积（m3） 20.533 19.2 6.49%

钢管体积（m3） 2.667 2.351 11.86%

造价（元） 99900.63 88386 11.53%

4结语

通过钢管混凝土结构的优化设计，可以减少设计人员的工作量，提高设计人员的工作效率，改变设计中通常采用的试算法进行钢管混凝土结构的传统设计方法；同时可以使钢管和混凝土两种材料配比合理，减少材料浪费，降低工程造价，取得很好的经济效益。优化设计也是今后钢管混凝土结构设计的必然发展趋势。

参考文献

孙焕纯，柴山，王跃方，离散变量结构优化设计［M］.大连理工大学出版社，1995年

袁慰平，数值分析［M］.东南大学出版社，1998年

邓巍巍，王越男，Visual FORTRAN编程指南［M］.人民邮电出版社，2000年

钢管混凝土结构 篇6

关键词：钢管混凝土；钢管制作；混凝土浇筑；节点构造；施工技术

中图分类号：TU37文献标识码： A

1、钢管混凝土施工技术的特点

钢管混凝土是一种建筑行业一种新型的建筑性和组合结构，是利用钢材的韧性和钢铁，发挥混凝土刚度和稳定性，形成的可以将二者长处结合在一起的建筑材料和结构，钢管混凝土具有良好的延展性、承载力、抗震性、抗疲劳和便捷性，在高层结构、框架结构和大尺度结构的建筑施工中应用广泛。根据实际的施工和科学的理解，钢管混凝土施工技术具有如下特点：

1.1 钢管混凝土技术简便易行

建筑施工中钢管混凝土技术可以发挥钢管的骨架和支撑作用，使使用不受混凝土养护时间的制约。钢管混凝土施工技术比传统混凝土施工技术减少了振捣这一环节，节约的施工时间。钢管混凝土施工技术不需要模板，既节约了施工时间，又降低了施工的成本。钢管混凝土施工技术可以节约大量的钢材，实现了节约化施工。

2、钢管混凝土施工技术的要点

2.1 钢管工程施工的技术要点

首先，施工中应该对钢管的厚度进行严格地控制，一般钢管混凝土需要对钢管进行焊接，因此钢管的厚度应该在要求4mm以上。其次，钢管焊接中应确保焊缝的强度，选用螺旋焊管的方式，应确保钢管的水平和垂直，根据实践经验在焊接时应采用衬管的方式对钢管进行拼装。其三，施工中应该做好钢管柱的安装工作，安装前应该根据设计确定钢管的安装位置、标高和垂直度，标注钢管柱的点焊点，在严格技术监督下进行焊接和连接。最后，钢管架设焊接完成后对电焊部位、钢管内壁进行除锈和防锈处理。

2.2 混凝土工程施工的技术要点

首先，做好对混凝土配合比的控制工作，钢管混凝土的主要原料与传统的混凝土原料一致，也是由水泥、粗细骨料、外加剂构成，不同的是各材料的规格要求，水泥应该选用标号为525的高标号水泥，粗骨料的粒径不能超过20mm，含泥量不能超过3%。其次做好混凝土的浇筑工作，目前钢管混凝土浇筑工艺采用高位抛落无振捣法、泵送顶升法和手工浇筑法等方法，实际操作过程正应该控制好混凝土的工作性能、避免出现堵管，防止流动性和坍落度过大，钢管混凝土浇筑时高度应控制在2m以内，振捣时间在1min以上，并采用分段法对每段钢管进行独立的浇筑。最后，做好混凝土浇筑质量的检测，混凝土浇筑后就无法通过直观检查的办法确定施工质量，因此，需要找到控制浇筑质量和检验浇筑质量的措施，一般采用敲击钢管的方法确定混凝土浇筑质量，条件允许的地区可以使用超声波无上检验的方法进行浇筑工作检验。

2.3 钢管混凝土节点构造的技术要点

钢管混凝土节点构造是施工中控制的关键工序，为保证梁，柱节点有效的传递弯矩，对于钢梁和预制混凝土梁可采用上下钢加强环与钢梁的上下翼缘焊接或者与预制混凝土梁的上下纵向钢筋焊接的方式来实现。钢加强环可根据情况采用外加强环或者内加强环。对于现浇混凝土梁可采用在钢管上孔，将梁钢筋穿过钢管或者锚固到钢管混凝土内。一般现浇梁的钢筋绑扎与钢管柱穿插钢筋同步进行，需要补强的情况下可增加衬套管段。为了便于开孔和补强，通常采用双筋并股穿孔。穿筋式节点结构钢管制作时在管壁预留穿插钢筋的孔洞。钢筋绑扎时先放入粱箍筋，再将梁纵筋穿钢管内，但梁柱节点处的钢筋绑扎稍有困难。对于其他两种节点构造形式，一般情况下，混凝土环梁施工比较方便，但承受拉力小，环梁体积大。钢环板连接虽能承受较大弯矩，但现场焊接工作量大，用钢量大，施工比较复杂。对于柱脚构造方面，必须设置柱脚板，其构造与端承式空心钢管柱的柱脚板相同。柱脚构造一般采用设置柱脚锚固螺栓或者将钢管混凝土柱直接插入基础结构的适当深度，并采取措施将钢管锚固。

3、钢管混凝土技术在建筑施工中应用的要点

3.1 钢管的对接技术

钢管的管肢要平直，这就需要在焊接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响。对于格构式柱要求柱的肢管和各种腹杆的组装连接尺寸和角度必须准确。特别是腹杆与肢管联接处的间隙，应采用自动切管机按接面管的直径和角度切割成空间相交曲线的管端。

3.2 混凝土泌水空鼓的处理

钢管混凝土泌水和空鼓是常见的施工质量问题，产生钢管混凝土泌水和空的客观原因是钢管的密闭性使混凝土中水分无法析出，加上振捣棒在狭管内振捣，粗骨料相对下沉，砂浆上浮至管顶，在管顶形成砂浆层和泌水层。混凝土在硬化过程中的收缩导致管壁与混凝+粘结不紧密。为确保钢管混凝土施工质量必须采取以下措施：商品混凝土坍落度控制在（120±20）mm之间。刚混凝土体积控制高度，振捣时间经混凝土面无气泡泛出为准，设专人监控。合理安排混凝土浇筑工序，确保连续浇筑混凝土。

4钢管混凝土浇筑技术的方法

管内混凝土可采用高位抛落无振捣法、立式手工浇捣法或泵送顶升浇筑法。

4.1高位抛落无振捣法

用此法浇筑时，混凝士的水灰比不大于0.45，粗骨料粒径采用5～30mm，坍落度不小于150mm。在浇筑时要连续进行不能停，如果在必须要间歇的时候，时间一定不要超过混凝土的终凝时间。高位抛落无振捣法用于高度不小于4m、管径大于350mm的情况，它的目的是利用下落时产生的动能达到振实混凝土。如果在抛落的高度不足4m区段内，一定要采用内部振捣器来振实，振捣的时间最好为30～45s。当混凝土浇灌到钢管顶端时，要等到混凝土的强度达到设计值的50%后，在将混凝土浇灌到稍低于钢管口的位置，这样才能将封顶板或层间横隔板一次封焊到位。也可将层间横隔板或封顶板按设计的要求进行补焊，这样就能使混凝土稍微溢出后再将留有排气孔的封顶板或层间横隔板紧压在管端。混凝土要由顶端管口连续注入管内，可以采用料斗装填也可用泵车从地面泵至柱顶。为了方便混凝土在下落时空气能够顺利排出，每一次抛落的混凝土最好在0.7m3左右，而且料斗的下口尺寸要比钢管直径小100～200mm。在需留施工缝时，应将管口封闭，防止油、水和异物等落人。为了避免自由下落时混凝土骨料产生弹跳现象，要先浇灌一层厚度为10～20cm的水泥浆和混凝土强度等级相同的。如果发现有不密实的地方，可以采用钻孔压浆法进行补强，然后将钻孔补焊封固。浇灌质量可以先用敲击钢管的方法来进行初步检查，如果发现有异常，在用超声脉冲技术来检测。

4.2立式手工浇灌法

立式手工浇筑法，粗骨料粒径可以采用10.40mm，它的水灰比要不大于0.4且混凝土的坍落度要在2～4cm内；如果有穿心部件时，它的粗骨料粒径宜减小为5～20mm，坍落度宜不小于l5cm。管内混凝土自钢管上口浇入，用振捣器振捣。在管径小于350min时，我们可以采用外部振捣器进行振捣。它的工作范围是以钢管的横向振幅不小于0.3mm为有效。外部的振捣器位置应该随着混凝土浇筑的进展加以调整。它的振捣的时间一定要不小于1min。每一次浇灌的高度不能大于2.3m柱长并且一定要在振捣器的有效工作范围内。在管径大于350mm时，要采用内部振捣器，它的振捣时间不少于30s且一次的浇筑高度不宜大于2m。

5结束语

随着理论研究的深入和新的施工工艺的产生，钢材和混凝土两种材料各自的优点有效地发挥出来，在工程中起到了有效的作用。钢管混凝的产生是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型的组合结构，同时也克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点，在工程中得到广泛的应用。

参考文献

钢管混凝土结构 篇7

关键词：钢管混凝土；动力特性；抗震性能

中图分类号：TU323.5文献标识码： A 文章编号：

0引言

钢管混凝土就是在钢管中填充混凝土而形成的结构构件。混凝土的抗压强度高，但抗弯能力弱；而钢材的抗弯能力强、弹塑性好，但在受压时容易发生屈曲而丧失稳定性。钢管混凝土是两种材料的组合，能够将两者的优点结合在一起。

随着经济的发展和社会的进步，一些超高层、大跨度结构应运而生。同时，对结构形式和构件材料也有了更高的要求。由于钢管混凝土的抗压强度高、抗弯能力好、抗震性能强等优点，适应了这一发展趋势。本文采用有限元软件SAP2000分析程序，对钢管混凝土和钢筋混凝土结构做了理论上的比较研究，用工程实例验证钢管混凝土结构优越的抗震性能，为结构设计提供了参考依据。

1框架结构模型的选取

1.1 工程概况

建筑物所在地区的设防烈度为8度，地震加速度为0.20g，场地类别为Ⅱ类场地，混凝土强度等级框架柱采用C35，梁及楼板采用C30,钢筋采用HRB400，钢管采用Q345钢。层高为3米。

1.2 有限元分析模型及参数的确定

为了更好的比较分析钢管混凝土结构和钢筋混凝土结构的抗震性能，在此用截面形式和构件尺寸完全相同的两种框架结构进行分析。柱截面尺寸为800mm×800mm，框架梁截面尺寸为300mm×600mm，楼板厚度为130mm。

2不同地震作用下动力特性比较分析

运用SAP2000分析软件对两种框架结构进行动力分析，这里采用El Centro地震波。分别用70gal和400gal大小的地震波进行分析。

在70gal El Centro地震波的作用下，得出钢管混凝土结构和钢筋混凝土结构的自振频率，如表1所示。

表1

在400gal El Centro地震波的作用下，两种结构的自振频率如表2所示。

表2

由表1和表2可以看出，结构的频率和自身的材料有关。钢筋混凝土结构的自振频率要比钢管混凝土结构的自振频率要小，说明钢管混凝土结构的整体刚度要大。刚度大，频率必然大。在大震作用下，两种结构的自振频率对比更加明显。为了进一步比较两种结构的动力特性，这里用等刚度的钢管混凝土代换钢筋混凝土结构，结果发现，钢管混凝土的自振频率要稍低，这是因为钢管混凝土的结构的自重要小一些。

3不同地震作用下抗震性能比较分析

对两种结构进行抗震性能对比同样采用70gal和400gal的El Centro地震波。在70gal El Centro地震波的作用下，钢管混凝土结构和钢筋混凝土结构的顶点最大位移和最大加速度值如表3所示。

表3

在400gal El Centro地震波的作用下，两种结构的顶点最大位移、最大层间位移和最大加速度值如表4所示。

表4

从表3和表4可以看出，在不同大小的地震作用下，钢管混凝土的最大加速度值要小于钢筋混混凝土结构，说明钢管混凝土结构的耗能能力要强。同时，在位移方面，小震作用下虽然两种结构的顶点最大位移都在规范规定的限制范围内，均满足建筑抗震设计规范的要求，但是钢管混凝土的顶点最大位移要小于钢筋混凝土结构，说明钢管混凝土结构的抗震性能要优于钢筋混凝土结构。在罕见的大震作用下，钢管混凝土结构的顶点最大位移为689.5mm，钢筋混凝土结构的位移为1365.2mm，钢管混凝土结构的位移仅为钢筋混凝土结构的50.5%。在考虑在P-Δ效应的情况下，其实钢筋混凝土结构已经倒塌。说明在罕遇的大震作用下，钢管混凝土结构的抗震性能更加优越。

4结论

通过对两种结构在不同地震作用下的动力特性及抗震性能的分析，得出以下结论：

通过对两种结构动力特性的比较可以看出，钢管混凝土结构的自振频率要大，说明钢管混凝土结构的刚度大，自重相对较轻。

混凝土的抗压能力强，但抗弯能力弱，塑性差，钢管混凝土结构的钢管对其包裹的混凝土产生了约束作用，使混凝土处于三轴受压状态，延缓了混凝土裂缝的发生和发展，提高了其抗压强度和变形能力。

钢管在受压时容易发生屈曲而失稳，钢管内的混凝土对钢管起到了支撑作用，可以有效的防止钢管发生失稳现象，提高了结构的整体性和稳定性。

在地震作用下，钢管混凝土结构具有良好的延性和耗能能力，抗震性能明显优于钢筋混凝土结构，特别是在大震作用下，钢管混凝土结构的抗震性能更加优越。

钢管混凝土结构良好的特性，适用于大跨度超高层结构，切施工方便，经济合理。

参考文献

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[4]杨有福，韩林海，范喜哲。钢管混凝土动力性能研究现状。哈尔滨建筑大学学报，2000,33（5）：40-46

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