浅析钢管组合结构的特点及在我国的应用

刘博华

摘要：本文以钢管组合结构的特点以及钢管组合结构的发展现状为切入点，从设计、施工等几个方面进行分析，总结出适合钢管组合结构的优势，对我国建筑行业发展的重要性，以及在结构设计中应给与重视的设计要点给与论述，进而提出钢管组合结构的发展前景及可以在今后的研究工作中给予重视的几个要点。

关键词：组合结构；设计；应用

Abstract: This article take the steel structure and the characteristics of steel pipe combined structure development present situation as a starting point, analyzes from the design, construction and so on several aspects, summed up for steel tube combined structure of advantage, the development of industry of our country construction importance, as well as in structure design should give emphasis to discuss the design points, and then put forward the development prospect of steel structure and can work in future research in several points of attention.

Key words: composite structure; design; application

中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：

0、前言

组合结构，广义上又被称为复合结构。即由两种或两种以上结构材料组成，并且材料之间可以比较协调的工作，并且可以以某种方式来合理的将承担的荷载传递出去，并以整体的形式进行工作的结构。当然，钢筋混凝土结构不在我们的论述范围内。目前比较常用的组合结构形式主要有：压型钢板与混凝土组合板、钢与混凝土板组合在一起的组合梁、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和外包钢混凝土结构等五大类。

1、钢管组合结构的特点及工作原理

承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性能较好、经济效益好是对钢管组合结构的最简单的总结。钢管组合结构最大的优势在于充分发挥了钢材与混凝土的力学性能，两种材料相互取长补短，组合结构在强度、刚度和延展性等方面都比传统的结构形式要好，两种材料能起相辅相成的作用，进而避免材料薄弱的一面，在实际的使用中，混凝土能更好地发挥钢的刚度，同时钢能提高混凝土的抗压强度。综合效果都超过了单纯的任意一种材料制成的构件的承载能力，同时大大方便了施工。

钢管组合结构具有如下具体特点：

1.1、与传统结构相比，钢管组合结构的承载力成倍改善：试验和理论分析证明，从强度角度来考察，钢管混凝土受压构件的承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和的1.7~2.0倍。

1.2、钢管组合结构具有极佳的塑性和抗震性能：在已进行的钢管混凝土构件轴压试验中，试件压缩到原长的2/3，构件表面已经出现褶曲，但结构本身仍有一定的承载力，可见钢管组合结构塑性十分优秀。

1.3、工程造价节约：与钢柱比较，可节约钢材45%，降低造价约为50%；和钢筋混凝土结构比较，可节约混凝土约65%，减少自重约75%，而用钢量与传统的结构大致相当或稍微多一些。

1.4、钢管组合结构施工很简单，从工期角度看可减少40%：与钢柱或钢筋混凝土柱相比，零件简单数量少，施焊部位少。且柱脚构造不复杂，可直接插入混凝土基础预留的杯口中，减少了复杂的柱脚构造；与钢筋混凝土柱比较，减少了支模、复杂的钢筋制作、绑扎和拆模等多道工序；由于自重大大减轻了，还为运输和吊装提供了便利。

2、钢管组合结构的发展现状及前景

钢管组合结构的发展基本可以按下面三个阶段划分：

2.1、尝试研究使用阶段

钢管组合结构最初使用是20世纪20年代，当时在钢管外包混凝土，管内填充混凝土，一是考虑承载能力，二是出于防火要求，没有考虑两种材料的组合工作效应。我国已经将该结构列入重点科研内容。

2.2、推广应用阶段

到了20世纪60年代左右，在世界范围内对钢管组合结构有了更加深入、全面的研究与应用，建筑科学领先的国家都先后制定了钢管组合结构的设计规范。最早的钢管组合结构规范是美国在1944年颁布的，到了20世纪60年代，设计理论基本采用弹性理论，之后逐步采用塑性理论。

2.3、全面发展阶段

进入20世纪70年代，钢结构和组合结构成为很多建筑发达国家主要的结构选择对象，一些主要产钢国家的钢结构水平已经远远领先我国。到了70年代，

组合结构进入高速发展阶段，使用比例大大增加。

3、钢管组合结构在我国房屋建筑上的发展、使用概况

钢管组合结构是指在钢管中填充混凝土或是在外面有包围的混凝土而形成的构件。钢管组合结构使用较多的是圆钢管，在具体要求的情况下也越来越多的使用方钢管及其他截面形式的异型钢管，内部填充的混凝土一般采用素混凝土，部分荷载较大的结构则在内部有钢筋，使填充物变成了钢筋混凝土。在上个世纪八十年代我国开始使用钢管组合结构，最初的使用是在桥梁结构上用作桥墩，然后逐渐地被用作建筑物中的柱子。

首都地铁工程中钢管组合结构被大量的使用，北京站至苹果园的地铁一号线路上，以及在北京站和前门站的站台结构工程中都大量的试用了钢管组合结构，使用效果和经济效益都很理想；和传统采用的钢筋混凝土柱相比，不但施工简捷得多，而且体积小，增加了地下有效使用空间，因此，在随后建设的地铁环线工程中，几乎所有的柱子都使用了钢管组合结构。

进入上个世纪七十年代，我国工业建筑高速发展，在很多工业厂房、工业高炉和锅炉建筑及变电和输电塔架等结构中中，钢管组合结构都得到了广泛的使用，并取得了良好的效果。工业厂房中采用钢管混凝土柱的有本钢、鞍钢、首钢及近几年宝钢工程中的大量重工业厂房，还有各地的造船厂和火力发电厂等，厂房跨度最大的L=54m，柱高达60—70m，，桥式吊车最大的为Q=l00t重级工作制吊车。

钢管混凝土在我国的应用范围很广，发展很快。从应用范围和发展速度两个方面都能列于世界前列。自八十年代后期开始，钢管混凝土由于本身具有的优点．开拓了两个新的应用领域。一个是公路和城市桥梁，另一个是高层和超高层建筑。

4、钢管组合结构在我国桥梁建设上的发展

国家建筑行业主管部门曾经对钢管混凝土结构的研究工作做出了高度评价，认为成果很有实用价值，而且具有重要的理论和实用科学价值，研究水平已经接近国际先进水平，已初步形成了一个学术领域，我国此后先后颁布了关于钢管组合结构的设计与施工的规范和规程，这样就为我国桥梁建设从业者把钢管组合结构应用到桥梁建设上创造了更好的外部环境。再加上房屋建筑行业已经摸索出的成型的经验和施工工艺，如钢板的数控切割、混凝土的高位抛落无振捣法等。这几年，相关的行业协会、行业主管部门都很关心钢管组合结构在桥梁上的应用及未来发展前景，综上促进了钢管组合结构在桥梁建设上得以迅速发展。

1990年10月四川旺苍大桥首先建成了，这是我国第一座采用了钢管组合结构的桥梁，该桥跨度达到115米，由于该桥梁的成功建设，据不完全统计之后的几年内、全国有超过百座在建和设计中的钢管组合结构桥梁。其中包括了的三座比较著名的大桥：刚建成的广东南海县紫洞主跨为69*2+140米的钢管混凝土全 焊空间衍架单索面斜拉桥，该桥的桥墩即为钢管混凝土独立柱结构，主梁为钢管混凝土空间桁架结构。改建后的天津金钢桥，桥梁形式为双层公路桥，上层主跨 跨度为25*2+110米。是自锚的中承式拱桥结构，中孔为钢管混凝土结构，边孔为钢筋混凝土结构，下层为钢-混凝土组合式连续箱梁，下层总跨度为21*2+42.8米。在广西三岸淄江大桥，为净跨270米的特大型中承式拱桥，每条拱肋由两根上弦钢管和两根下弦钢管组成，该桥是目前该地区跨度最大的利用钢管组合结构技术的桥梁，也是后期多数采用该技术的桥梁的参照桥梁。

5、结语

钢管组合结构的研究才起步很短的时间，目前的研究成果已经表明钢管组合结构具有很好的力学性能，目前的研究结论也为设计工作和大面积推广提供了基础理论。由于该结构的复杂性，本人认为需要对如下问题给予重视：

5.1如何能更好的提高混凝土和钢管接触面的连接强度，以保证钢管和混凝土的协同工作是十分重要的问题。

5.2钢管混凝土从具体操作上还需要深入研究，钢管在施工中成为封闭的容器，施工中要保证钢管内混凝土的质量，首先就要求密实度，混凝土密实度不够，在上部荷载的作用下容易产生局部失稳，会产生严重破坏后果；

参考文献：

[1]潘继文，马山积，钢与混凝土组合结构综述[J]，科技综述，总第120期2004年第4期。

[2]孙国良，钢-混凝土组合结构及其应用[J]。

[3]朱聘儒，钢-混凝土组合梁设计原理[M].北京：中国建筑工业出版社，1989。

[4]李波，钢-混凝土组合结构发展趋势探析[J].吉林建筑工程学院学报，2010，27（2）：17-19。

[5]白晓红，白国。新型钢-混凝土组合结构的应用与展望[J]。工业建筑，2006，36（增刊）： 521-527。