大学土木建筑工程学院
课程组合结构 任课教师 专业年级结构工程 研究生 成绩
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硕士研究生课程作业（论文）
目录
钢管混凝土结构发展概况.................................................................................... 3
1.
钢管混凝土介绍 ................................................................................... 3 1.1钢管混凝土的概念.......................................................................... 3 1.2钢管混凝土的特点.......................................................................... 4 2.
钢管混凝土的发展历史 ....................................................................... 5 2.1 钢管混凝土在国外的发展 ............................................................ 5 2.2 钢管混凝土在国内的发展 ............................................................ 6 3. 4.
钢管混凝土组织协会和相关规范的发展 ......................................... 11 钢管混凝土研究的发展 ..................................................................... 12 4.1 钢管高强混凝土结构的研究 ...................................................... 12 4.2 钢管混凝土结构耐火性能的研究............................................... 13 4.3钢管混凝土结构动力性能的研究................................................ 14 5.
钢管混凝土的发展方向 ..................................................................... 14 5.1 薄壁钢管混凝土结构................................................................... 14 5.2 钢管混凝土的防火性能............................................................... 14 6.
钢管混凝土结构存在的问题和缺点 ................................................. 15
7. 总结......................................................................................................... 15 参考文献...................................................................................................... 16
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钢管混凝土结构发展概况
1. 钢管混凝土介绍
1.1钢管混凝土的概念
钢管混凝土（concrete filled steel tubular，简称CFST），是指在钢管内填充混凝土而形成钢管与核心混凝土共同承受外荷载作用的结构构件。按截面形式不同，分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土和多边形钢管混凝土等[1]。工程中常见的几种截面形式如图1所示。
混凝土
圆形钢管
(a) 圆形
混凝土 内钢管
外钢管
混凝土
方形钢管
(b) 方形
混凝土 内钢管 外钢管
(e) 圆套方
图1钢管混凝土截面形式
混凝土
矩形钢管
(c) 矩形
混凝土 内钢管
外钢管
(f) 方套方
(d) 圆套圆
实际工程中，圆钢管混凝土结构应用较多，但也有采用方钢管混凝土或多边形钢管混凝土，因为这种截面形式易于和梁连接。圆钢管能更有效的约束核心混凝土，从而混凝土的抗压强度和变形能力得到显著提高。方钢管则因不能对核心混凝土提高有效的紧箍力，混凝土的强度和变形能力远低于圆钢管混凝土。
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1.2钢管混凝土的特点
钢管混凝土的基本原理是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用[2]，钢管混凝土可以充分发挥钢管与混凝土两种材料的作用。对混凝土来讲，钢管使混凝土受到横向约束而处于三向受压状态，从而使管内混凝土抗压强度和变形能力提高；对钢管来讲，由于钢管较薄，在受压状态下容易局部失稳而不能充分发挥其强度潜力，在中间填实了混凝土后，大大增强了钢管的稳定性，使其强度潜力得到充分发挥。因此，钢管混凝土具有以下特点[3; 4]：
（1）结构承载力高
对于薄壁钢管来说，其抗弯性能强，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；对于混凝土来说，其抗压强度高，但抗弯能力很弱。在钢管中灌入混凝土形成钢管混凝土构件，钢管保护了混凝土，混凝土受到钢管的约束而处于三向受力状态，使得核心混凝土具有更高的抗压强度和变形性能，而混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢管过早出现局部屈曲，从而使钢管混凝土柱具有很高的承载力。
（2）具有良好的塑性和韧性
单向受压的混凝土常属脆性破坏；钢管混凝土结构中，核心混凝土在钢管的约束下，不但使用阶段工作时弹性性质得到改善，而且被破坏时产生很大的塑性变坏的特征。在反复荷载作用下，P 一△滞回曲线表明，钢管混凝土结构的吸能性能特别好，延性好，无刚度退化现象，弯矩和曲率的关系曲线无下降段。
（3）结构耐火性能好
与钢结构相比，钢管混凝土由于钢管内填灌了混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时柱子截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，耐火极限高于钢结构，为抗火而增加的保护材料比钢柱少。
（4）施工过程便捷
与钢结构相比，钢管混凝土结构零部件少，焊缝少，而且柱脚构造简单，可直接插入混凝土基础的预留杯口中，不需要复杂的柱脚构造。与钢筋混凝土结构相比，不需要支模、绑扎钢筋和拆模等工艺，同时由于自重轻，大大减轻了运输和吊装工作。钢管本身就是钢筋，它兼有纵向受力钢筋和横向箍筋的作用，制作钢管远比制作钢筋骨架省工省时，而且便于浇灌混凝土；钢管本身就是耐侧压的
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模板，因而浇灌混凝土时可省去支模、拆模等工序和模板，并可适应先进的泵灌混凝土工艺；钢管本身又是劲性承重骨架，在施工阶段可起劲性钢骨架作用，其焊接工作量远比一般型钢骨架少，从而可以简化施工安装工艺、节省脚手架、缩短工期、减少施工用地。
（5）经济效果好
据有关数据表明，与钢柱相比，钢管混凝土柱可节约钢材50％左右，造价大幅度降低；与钢筋混凝土柱相比可节约混凝土50％，减轻自重50％，且不需要施工模板，而用钢量相等或略多。
2. 钢管混凝土的发展历史
2.1 钢管混凝土在国外的发展
钢管混凝土在国外的出现和应用迄今已经有近百年的历史[3]。早在1879年在英国Seven铁路桥的建造中就使用了钢管混凝桥墩。1897年美国人Lally将圆形钢管混凝土应用于房屋建筑中，并命名为Lally柱。随后20世纪20年代在美国各地出现了一些单层和多层的钢管混凝上承重柱。法国巴黎在1930年建造了一座跨度9m的上承式钢管混凝土拱桥。苏联列宁格勒（现俄罗斯圣彼得堡）建造了横跨涅瓦河101m的下承式钢管混凝土拱桥，1939年在西伯利亚建成了跨度为140m的上承式钢管混凝土铁路拱桥。20世纪60年代前后，钢管混凝土结构的应用，在苏联、西欧、北美和日本等工业发达国家受到重视，曾在厂房建筑、多高层建筑、立交桥以及特种结构工程中得到应用，收到良好的效果。但随后因管内浇灌混凝土劳动强度大，使钢管混凝土的应用趋缓。到20世纪80年代，由于泵送混凝上技术的出现和应用，解决了现场浇灌混凝土的繁琐劳动问题，而且劳动效率大大提高，加之高强混凝土的广泛应用需要钢管套箍去克服其脆性，因此在美国、日本和澳大利亚等国中掀起了钢管混凝土
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图2联合广场大厦（美国西雅图）
的应用的高潮。日本很多10层左右的多层建筑利用泵送技术采用了钢管混凝土柱，在多次地震灾害中表现出良好的抗震性能，1998年竣工的琦玉县雄狮广场55层住宅楼，是日本采用钢管混凝土的最高高层建筑。澳大利亚第一座采用钢管混凝土柱的高层建筑是1991年建成位于墨尔本的46层联邦中心大厦办公楼。20世纪80年代末90年代初，美国在西雅图建造了两座钢管混凝土高层建筑：58层的联合广场大厦（见图2）和44层的太平洋第一中心大厦。 2.2 钢管混凝土在国内的发展
从20世纪60年代中期钢管混凝土开始引入我国，迄今已经历半个世纪。它在我国的应用和发展经历了两个阶段[5]：从60年代中期到80年代中期为应用推广阶段，从80年代中期至今为提高发展阶段。
（一）应用推广阶段（20世纪60年代中期到80年代中期）
第一个采用钢管混凝土柱的工业厂房是辽宁省鞍山市第三冶金建设工业公司自行设计、加工和施工的预制构件厂的制管车间。1968年底建成，1969年投入使用，迄今已有47年，仍在安全使用中。随后应用钢管混凝土的工程有山西恒曲十八河尾矿输送流槽桥、山西临汾钢厂洗轧车间等。
首都地铁1号线建于20世纪60年代末，在北京站和前门站两个站台工程中，初次采用了钢管混凝土柱，在建造地铁2号线和3号线时，所有站台柱全部采用了钢管混凝土柱，且取得了十分显著的经济效益。
上述工程中采用钢管混凝土柱的成功案例，大大激发了工程界浓厚的兴趣，从此促进了钢管混凝土在冶金工业、造船工业、电力工业等各种工程的厂推广应用，建设的工程总数达百余项。据不完全统计，从20世纪70年代到80年代中期，在全国建成的采用钢管混凝土结构的工程已超过200个，遍布全国各地，主要包括：
（1）工业厂房：有本钢、鞍钢、首钢以及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，厂房跨度最大的为54m，柱高达60～70m，桥式吊车最大的为100t重级工作制吊车，如图3(a)所示。
（2）高炉和锅炉构架：钢铁厂的高炉构架，高炉容量超过1000m3，及一些火力发电厂中的锅炉构架。湖北荆门市热电厂的锅炉构架高达50m，是迄今采用钢管混凝士柱最大的锅炉构架，如图3（b）所示。
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（3）送变电塔架：葛洲坝至华东的500kV高压输电线路塔架，以及很多变电站中的变电塔架。如图3（c）所示。
（a）上海电机厂露天车间
(b) 湖北荆门市热电厂
(c)高压输电线路塔架
图3 钢管混凝土在工程中的应用实例
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总之，通过研究、推广和应用钢管混凝土结构，取得了相关经验，提高了广大工程技术人员对钢管混凝土结构的认识，为钢管混凝土结构进入提高阶段奠定了基础。
（二）提高发展阶段（20世纪80年代中期至今）
自1978年改革开放以来，钢结构高层建筑首先在北京、上海和广州等地出现。随着我国钢产量的快速增加，1996年我国钢产量达1亿吨，2008年已超5亿吨，2014年达11.26亿吨[6]。我国已成为世界钢铁大国，这大大促进了钢结构在我国的应用与发展。国家对钢结构在建筑中的采用政策也由“严格限制采用”改为“综合考虑，合理采用”，随后又转变为“鼓励采用”[7]。显然，钢结构在我国进入了第二个春天，应用范围不断扩大，发展迅速。
不过，根据我国国情，钢结构工程的造价比钢筋混凝土结构的工程造价高很多，这是制约采用钢结构的主要因素。为降低工程造价，以钢管混凝土柱代替钢柱的高层建筑应运而生。80年代末至90年代，我国的钢管商品混凝土工程应用也进入成熟阶段，并居世界前列将其拓展为公路与城市拱桥和高层与超高层建筑的两大工程应用领域。近10年来，在北京、广州、深圳和天津等地建成的采用钢管混凝土的高层与超高层已达60多座。其中最高的是深圳72层的赛格广场大厦（图4），结构高度291.6米，全部柱子包括内筒都采用了钢管混凝土柱。是我国自行设计和施工，全部采用国产钢材的第一个钢管混凝土超高层建筑，也是当今世界上采用钢管混凝土的最高建筑。
从20世纪80年代中期起，在高层建筑中采用钢管混凝土结构的过程经历了三个阶段[3]。
第一阶段，单纯从钢管混凝土柱的承载力高、柱截面小、可增加有效空间和施工简便出发，局部柱子采用了钢管混凝土柱。第一个采用钢管混凝土柱的高层
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图4 深圳赛格广场大厦
建筑是泉州市邮电局大楼，如图5所示。随着泉州市邮电局大楼的建成，接着出现了不少局部结构柱采用钢管混凝土柱的高层建筑。如福州环球广场（1997年）、广州好世界广场（1995年）、北京四川大厦（1995年）等。
第二阶段是大部分柱子采用钢管混凝土柱。第一个工程是厦门的阜康大厦。采用了钢管混凝土框架柱的框筒结构体系。地下2层，地上25层，高82.5m。地下2层到地上12层采用了钢管混凝土柱。柱子最大截面为A1000×10，钢材Q235，混凝土等级为C35，于1994年建成。图6为建成后的立面图。随后大部分柱子采用钢管混凝土柱的工程有北京国贸大厦一期、广州新中国大厦、天津工商银行办公大楼等。
第三阶段是全部柱子采用钢管混凝土柱。第一个工程是厦门金源大厦（图7），于1997年建成。此外，全部柱子采用钢管混凝土柱的工程有天津晚报大厦、深圳邮电信息枢纽中心等三四十座。在此阶段，在建设部门的的支持和推广下，一大批住宅楼也采用了钢管混凝土柱，比较典型的工程有上海中福城（图8），地下1层，地上17层，采用框架—剪力墙结构体系，于2001年建成。
在超高层建筑中，钢管混凝土柱也备受青睐。2003年建成的台北国际金融中心（图9）占地面积30277 m2，地下5层，地上101层，总建筑而积166700 m2，地上建筑高度为508m，101层塔楼应用了井字型结构体系，中低层柱子采用了矩形钢管辊凝土柱，最大的钢管混凝土柱截面尺寸为2.4m×3m，矩形钢管由四块钢板拼焊而成。2010建成的天津市标志性建筑津塔（图10），高336.9m，在中国已建成的摩天大楼中排名第七位（2010年排名），在世界已建成的摩天大楼中排名第25位（2010年排名），主塔楼地下4层，地上73层，总建筑面积580000 m2，塔楼结构设计采用钢框架—钢板剪力墙结构体系，柱采用钢管混凝土组合柱，钢管柱最大直径1700mm，最小直径600mm，其中混凝土强度等级最高为C60。
除多层和高层建筑外，在此阶段采用钢管混凝土柱的工业厂房和构架等仍在继续发展。如2000年建成的鞍山钢铁公司新轧铁炼钢主厂房，1999年竣工的上海机电长600t桥吊露天车间等。在公路和城市拱桥方面，也广泛应用钢管混凝土[8]，如四川旺苍县东河大桥，净跨为115m，是第一座采用钢管混凝土柱的公路桥，于1991年5月建成通车。自此以后，在十多年的时间里，国内已建和在
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建的钢管混凝土拱桥已达200多座。其中，以1997年7月四川万县长江大桥为最长，跨度达420rn，如图11所示。
图5 泉州市邮电局大楼
图7厦门金源大厦
图6厦门阜康大厦
图8上海中福城
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图10 台北国际金融中心
图11 天津津塔
图13 四川万县长江大桥
3. 钢管混凝土组织协会和相关规范的发展
苏联于20世纪30年代开展了钢管混凝土柱基本力学性能的试验研究，主要对象是轴压和偏轴压。到20世纪60年代，北美、日本、西欧和苏联已对钢管混凝土柱开展了大量的试验研究和较深入的理论分析，并分别列入本国的设计规范中。我国在这方面最早开展工作的是原中国科学院哈尔滨土建研究所。到1963年以后，原建筑材料研究院（现苏州混凝上与水泥制品研究院）、北京地下铁道工程局、原哈尔滨建筑工程学院（现哈尔滨工业大学）、冶金部冶金建筑科学研
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究院、电力工业部电力研究所及中国建筑科学院结构所等单位都先后开展了比较系统的研究工作。1978年，钢管混凝土结构第一次列入国家科学发展规划，由原哈尔滨建筑工程学院负责主持，使得这一结构在我国的发展进入一个新阶段。1985年，在哈尔滨召开了首次钢管混凝土结构国际学术讨论会；1986年，在中国钢结构协会的支持下，组建了中国钢—混凝土组合结构协会，参加协会的团体会员单位近百个，每两年组织一次全国性组合结构学术讨论和交流会；1988年，我国原哈尔滨建筑工程学院组织发起，成立了国际钢一混凝土组合结构合作研究协会（ASCCS），每三年举行一次国际学术讨论会，到2015年先后在中国、日本、斯洛伐克、奥地利、美国、澳大利亚、英国和新加坡召开了11次国际性组合结构学术会议。
在钢管混凝土柱设计方面，国外影响较大的设计规范有：在设计方面，国外影响较大的钢管混凝土柱的设计规范有[9]：美国混凝土协会的ACI 318：89规程(American Concrete Institute 318：89)、美国钢结构协会的AISC-LRFD:99规程(American Institute of Steel Construction-Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings：99)、欧洲标准协会的ECA：94规程(Eurocode 4：Design of Composite Steel and Concrete Structures：94)、日本建筑协会的AIJ：97规程（Architectural Institute of Japan Standards for Structural Calculation of Tubular Steel Concrete Composite Structures：97）。
目前，在圆钢管混凝土设计方面我国先后制定了三本规程[10]，即：国家建筑材料工业局标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》（JCJ 01-89）中国工程建设标准化协会标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS 28：90）和中华人民共和国电力行业标准《钢一混凝上组合结构设计规程》（DL/T 5085-1999）。计算矩形钢管混凝土柱的行业规程有中国标准化协会标准《矩形钢管混凝土柱结构技术规程》（CECS159：2004），还有其他一些地方和部门规程。
4. 钢管混凝土研究的发展
4.1 钢管高强混凝土结构的研究
高强度混凝土具有强度高，可节约水泥，减少构件截面尺寸，减轻结构自重的优点，因而可用于荷载很大的结构，如高层建筑、地下工程和大跨结构的支柱
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等，效果十分显著。然而，高强混凝土的弱点是脆性大，延性差，这就阻碍了它在实际工程中的应用，尤其在复杂受力状态下，将由脆性破坏控制，其工作的可靠性大大降低。如果将高强度混凝土灌入钢管中形成钢管高强度混凝土，高强度混凝土受到钢管的有效约束，其延性将大为增强。此外，在复杂受力状态下,钢管具有很大的抗剪和抗扭能力。这样，通过二者的组合，可以有效地克服高强混凝土脆性大,延性差的弱点，使高强混凝土的工程应用得以实现，经济效果得以充分发挥。如果采用在钢管内填充高强度混凝土而形成的钢管混凝土，除了具备钢管普通混凝土的其它优点外，至少可节约混凝土60%以上，减轻结构自重60%以上，可取得巨大的经济效益和良好的社会效益。近年来，国内外有关学者[11]对钢管高强度混凝土构件的力学性能进行了大量的理论分析和试验研究，已取得了有实用意义的成果。研究结果表明：钢管高强度混凝土的基本力学性能与钢管普通强度混凝土有所不同，在进行高强度混凝土结构的设计时，不能简单套用钢管普通强度混凝土结构的设计方法。 4.2 钢管混凝土结构耐火性能的研究
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、协同互补、共同工作的优势，这种结构具有较好的耐火性能。在英、德、加拿大、卢森堡和澳大利亚等国，研究者们对圆形和矩形截面的钢管混凝土结构在火灾下的力学性能进行了大量的理论分析和试验研究，已制订了专门的设计规程。国外学者主要研究的是钢管配筋混凝土的耐火极限且柱子不采取防火保护措施的情况。在我国，主要采用圆形截面的钢管混凝土结构。由于钢管混凝土是一种新型结构，目前国内尚未制定该类结构防火方面的规定，不但制约了该结构的推广，而且对于已建成结构的耐火极限也缺乏必要的科学依据。在已建成的结构中，有的按照钢筋混凝，土结构的要求外包混凝土，有的则按钢结构的要求涂以防火涂料。这样做虽也能保证防火要求和结构的安全性,但大都偏于保守而浪费，且缺乏科学性和统一性。从国家来看，对所采用的任何结构必须制定防火技术规程及确定其耐火极限，因此,深入研究钢管混凝土的耐火性能，并基于此确定其防火设计方法具有十分迫切的现实和实用意义，同时也有重要的理论价值。近年来，国内学者进行了圆形截面钢管混凝土结构耐火性能的研究工作，已取得可喜的成果[12]。最近，又开始进行方形截面钢管混凝土柱及钢管高强混凝土柱耐火性能的研究。
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4.3钢管混凝土结构动力性能的研究
目前，对钢管混凝土动力性能的研究主要集中在试验研究阶段[10]，且大都只能从滞回性能定性地得出钢管混凝土抗震性能好的结论，缺乏相应的理论推导，尚未形成可供规范使用的计算理论和设计公式。尤其对结构进入弹塑性后的动力特性(如阻尼比等的变化规律)、结构的耐疲劳性能、钢管混凝土组合柱的动力特性及基于性能的钢管混凝土抗震设计方法等的研究几乎没有。为了合理且安全地在地震区推广这类结构，必须深入进行其动力特性的研究，尤其对于高层结构。
5. 钢管混凝土的发展方向
5.1 薄壁钢管混凝土结构
众所周知，对于薄壁钢管来说，其承载力是极不稳定的，因为它对于局部缺陷很敏感。试验证明，其实际轴压力往往只有理论计算值的1/3~1/5，当有残余应力存在时，影响则更大。在钢管中灌注混凝土形成钢管混凝土构件后，钢管保护了混凝土，延缓了混凝土受压时的纵向开裂，而混凝土却大大延缓了薄壁钢管的局部失稳。薄壁钢管和混凝土相互弥补了彼此的弱点，却充分发挥了彼此的长处，使薄壁钢管混凝土的承载力大大高于二者单独受荷时的承载力之和。相对于厚壁钢管混凝土，采用薄壁钢管混凝土的主要优点是：可以节约钢材，降低造价，且可以提高构件的耐火极限。 5.2 钢管混凝土的防火性能
目前国内外对火灾后结构损伤的研究，大多集中在钢筋混凝土结构和钢结构方面，而对钢管混凝土结构还没有见到有关研究的报道。试验研究结果表明，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、协同互补、共同工作的优势，使其耐火性能远高于钢结构。火灾后，随着外界温度的降低，钢管混凝土结构已屈服截面处钢管的强度得到了不同程度的恢复，截面的力学性能比高温下有所改善，结构的整体性比火灾中也有所提高。这不仅为结构的加固补强提供了一个较安全的工作环境，也减少了补强工作量，这与火灾后的钢筋混凝土结构、钢结构都有所不同：对于钢筋混凝土结构，其已改性破坏截面的力学性能和整体性，均不能因温度的降低而有所恢复或改善。对钢结构，其已失稳和扭曲的构件在常温下也不会带来更大的安全性。由上述可见,火灾后钢管混凝土结构的性能
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有其特点，应当合理地评估其强度，为该类结构的维修加固提供科学的依据。此外，还应开展火灾后钢管混凝土结构抗震性能的研究[13]。
6. 钢管混凝土结构存在的问题和缺点
钢管构件的制作、安装要求具有一定难度和繁锁性[14]。钢管混凝土柱用的钢管，焊接、制作要求较高。在构件制作过程中，钢管的对接是一个难点。结构要求焊后的管肢要平直，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
从质量检查及施工方法上，钢管混凝土结构构件形式也存在弊端。钢管混凝土柱管内混凝土的浇注属于隐蔽工程，混凝土的浇灌质量是无法直观检查的[15]。当采用人工浇灌并振捣时，只能依靠操作人员的责任心和严密的施工组织管理来保证施工质量。如果超声脉冲检测发现有不密实部位，就得将钢管钻孔压浆补强，然后再将钻孔补焊封固。所以无论从质量检测还是完善施工质量都是较为费工的。如果采用泵送顶升法，施工就必须有与之配套的泵及输送设备，而且对粗骨料的粒径、水灰比、坍落度要求比较严格。采用高位抛法施工，混凝土的配合比要求亦很严格，必须先进行配合比实验来确定水灰比，然后才可以正式浇注。因此, 无论采用哪种方式施工，都必须有严密的施工组织管理。这或许会比普通钢筋混凝土结构施工更需要管理。
7. 总结
钢管混凝土既是一种高强、高性能结构材料，也是一种高效施工技术。现代高强高性能混凝土技术和泵送混凝土技术的发展，给已有百年历史的钢管混凝土结构技术注入了新的活力。这三种混凝土技术的结合，将会对未来土木工程产生深远的影响。
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