钢管混凝土的应用毕业论文.doc

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1、毕业设计（论文）任务书专业 材料工程技术 级 2010 姓名 毕业设计（论文）题目：钢管混凝土的应用起止日期：2012.2.20-2012.5.1指导老师： 毕业设计（论文）要求（包括日程安排和进度）：一、 日程安排和进度 1、2012年3月1日电子初稿提交 2、2012年4月1日电子二稿提交 3、2012年5月1日前交正式文本纸制及光盘 二、 论文要求 选题：毕业论文选题需经指导老师同意，未经指导老师同意的毕业论文 无效。 内容：毕业论文内容需符合毕业论文指导书的要求。 审查意见： 院（站）负责人： 年 月 日摘 要 钢管混凝土构件是指在钢管中填充混凝土而形成的组合构件。它是在型钢混凝土及螺

2、旋配筋混凝土的基础上发展起来的。由于它具备两种结构各自的材料特性和受力特性，所以具有承载力高、延性好和抗震能力好等优良性能，在国内外桥梁工程中得到较为广泛的应用。全面地总结了钢管混凝土结构在多种桥型中的应用情况，并着重探讨了钢管混凝土的使用范围，同时指出钢管混凝土目前存在及需要研究的一些问题。目 录第一章 钢管混凝土概述 （1）第一节 钢管混凝土的原理 （1）第二节 钢管混凝土的强度及技术性能 （2）第三节 钢管混凝土泵送施工工艺 （2）第二章 钢管混凝土结构 （3）第一节 钢管混凝土结构的特点 （3）第二节 钢管混凝土结构的应用 （4）第三章 钢管混凝土在多种桥型中的应用 （5）第一节 钢管

3、混凝土梁式桥 （5）第二节 钢管混凝土拱桥 （5）第三节 钢管混凝土斜拉桥 （6）第四节 钢管混凝土桥墩 （7）第四章 钢管混凝土存在的问题 （7）第一节 钢管混凝土在桥梁中存在的问题 （7）第二节 节点力学性能及连接问题 （8）第五章 钢管混凝土研究发展的方向 （8）第一节 钢管混凝土性能的研究 （8）第二节 初始应力对承载能力的影响 （9) 绪 论钢管混凝土结构凭借比高强度高、抗震性能好以及施工方便等多方面的优点引起了桥梁工程师们的广泛重视，并已应用于多种桥型。钢管混凝土承载力高的特点可以解决普通钢筋混凝土可能面临的问题；钢管对内部混凝土的约束作用可以有效地改善混凝土（特别是高强混凝土）的

4、脆性问题；钢管还可以兼作模板，便于混凝土的浇筑；与钢结构相比，可以大大减少用钢量。需要特别强调的是，钢管混凝土拱桥的出现使得拱桥的跨度不断刷新，主要得益于无支架施工技术的实施；另外，钢管混凝土结构抗震性能好的优点也给地震区的桥墩提供了理想的选择形式之一。第一章 钢管混凝土概述第一节 钢管混凝土的原理“钢管混凝土”是“钢管套箍混凝土”的简称1。它是由混凝土填人薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍混凝土的一种特殊形式。其基本原理是借助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，能够充分发挥两种材料的优点，使混凝土的强度、塑性和韧性大为改善，可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从

5、而使钢管混凝土具有强度高、重量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能和省工省料、架设轻便、施工快速等优点；借助内填混凝土的支撑作用，提高钢结构的刚度，使拱桥整体稳定性大幅度提高。但是这种结构的完美组合必须是以钢管和混凝土紧密结合，共同承担荷载为前提的。因此研究核心混凝土的各项性能，尤其是混凝土的和易性和限制膨胀率非常关键。 钢管混凝土按截面形式不同可以分为矩形截面、圆形截面和多边形截面钢管混凝土结构，其中圆形截面和矩形截面钢管混凝土结构广泛应用于高层建筑及大跨度结构的建筑中。研究钢管混凝土结构中钢管和混凝土在受力过程中的相互作用的关键问题在于估算钢管和混凝土之间相互约束而产生的“效应”。这

6、种效应的存在，形成了钢管混凝土构件的固有特性，从而导致了以“约束效应系数”为基本参数来描述钢管对其核心混凝土的约束的理论较为被大家接受。对于某一特定的钢管混凝土截面，约束效应系数可以反映出组成钢管混凝土截面的钢材和核心混凝土的几何特性和物理特性参数的影响。约束效应系数对钢管混凝土性能的影响主要表现在:约束效应系数与构件承载力近似成线性关系，极限应变、弹性模量和变形模量、泊松比均随约束效应系数增加而增大，约束效应系数越大，组合构件在受力过程中进入塑性变形阶段越晚。也就是说，以“约束效应系数”为基本参数可较准确地描述钢管混凝土截面的“组合作用效应”使进行钢管混凝土结构的设计得到简化2。第二节 钢管

7、混凝土的强度及技术性能混凝土强度达到C50；4天龄期的抗压强度达到设计强度的80%以上；施工适配强度为58.3MPa以上；混凝土出机坍落度为220mm以上，初凝时间在20小时以上；混凝土的和易性、可泵性良好，配合比满足钢管定的膨胀率，膨胀率的大小主要取决于膨胀剂的掺量。已有研究表明，随着膨胀剂掺量的增大，混凝土的限制膨胀率增大，但混凝土的自由强度却也随之下降，这就要求选择适当的膨胀剂和掺量，既达到设计要求的膨胀值，但不显著影响混凝土的抗压强度，并且在限制条件下，提高混凝土的强度。第三节 钢管混凝土泵送施工工艺钢管混凝土采用从两端拱脚一次到顶的顶升泵送浇灌施工，在拱肋横梁附近（与混凝土泵高程基本

8、一致）适当位置处开压注孔，焊上设有闸阀的钢管进料口，与泵管相连，沿拱轴在钢管顶部设若干个排气孔，混凝土在泵压力作用下，由下而上顶升。在重力作用下自身挤压密实，填充管腔，为避免弧拱偏向变形，要求同一拱肋钢管必须两岸同时施工，遵守对称与均衡加载的原则，以拱顶为对称线，桥两半跨对称加载，钢管内混凝土的进度不能超过5m,在灌注过程中，注意加强观测控制；钢管混凝土的泵送遵循“逐步成拱，逐级加载，外力释放，间期缩短”的原则，以桥轴线为对称线，桥两侧对称加载。在钢管的顶部设一个排气孔。混凝土从每苍底部顶升泵送，直至排气孔有混凝土冒出为止；采用泵管，泵管布设视现场具体情况而定；注意布管时应尽量避免弯管，尤其是

9、90弯管，以降低混凝土泵送阻力。同时泵管弯头位置需设置定位装置，防止泵送过程中泵管偏离原来位置，引起爆卡或塞管；在进行钢管混凝土泵送施工时必须保证有足够的拌合能力和泵机，同时保障电力供应。在泵送施工前，应将拌和机、泵机等施工机具有进行全面检查和维修，使其具有良好的工作状态。混凝土搅拌和泵送设备应备有配件，以便设备在出现故障时能及时抢修；在泵送施工过程中，混凝土应连续泵送，尽量避免停泵。当混凝土供应不足时，应降低泵送速度，以避免停泵而引起泵管堵塞；每根钢管混凝土施工间隔应在3天，以使混凝土能承受钢管混凝土重力和施工时产生的冲击力。第二章 钢管混凝土结构第一节 钢管混凝土结构的特点（一） 承载力高

10、、延性好、抗震性能优越 钢管混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度；钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。研究表明，钢管混凝土柱的抗压承载力高于相应的钢管柱承载力和混凝土柱承载力之和，同时抗剪承载力也比钢筋混凝土土柱高许多。 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，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。据有关实验数据表明：钢管混凝土轴向压缩到原长的2/3，构件表面已弯曲，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

11、好。基本无刚度退化3,抗震性能优于钢筋混凝土结构。（二） 施工方便，工期大大缩短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。由于钢管混凝土内部没有钢筋，便于混凝土的浇注和捣实，钢管混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了时间。（三） 有利于钢管的抗火和防火由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。组合梁的耐火能力也会提高，因为钢梁的温度会从顶部翼缘把热量

12、传递给混凝土而降低。经实验统计数据表明：达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料2/3甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多4。（四） 耐腐蚀性能优于钢结构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也比钢结构节省。（五） 高强度混凝土得到应用近几年来，C60混凝土的应用已较为普遍，C70和C80甚至更高标号的混凝土也已能生产投入使用。据有关专家介绍为防止高强混凝土构件（C60以上的混凝土）的脆性破坏，箍筋率高达20%以上，构件十分复杂，增加了施工的难度4。用钢管混凝土，不但构件简捷，施工方便且能达到防止高强混凝土脆性破坏的目的；能够真正

13、发挥高强混凝土的作用，同时并不多费钢材。第二节 钢管混凝土结构的应用（一） 钢管混凝土在高层建筑中的应用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。钢管混凝土构件的自重较轻，可以减小基础的负担，降低基础的造价；也可以取代钢结构体系中的钢柱，以减少钢材用量，提高结构的抗侧移刚度，全部采用钢管混凝土柱的钢材厚度较小，取材容易、价格低。（二） 大跨度拱桥在拱桥结构中，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，钢管可以作为桥梁安装架设阶段的劲性骨架和灌注混凝土的

14、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。（三） 桥墩钢管混凝土运用于桥墩，因为刚度相对较大，可以减小桥梁的横向和纵向振动，从而也为铁路桥梁墩柱的设计增添了一种选择。第三章 钢管混凝土在多种桥型中的应用第一节 钢管混凝土梁式桥钢管对内部混凝土的约束作用，在一定程度上延缓混凝土的开裂，从而使得钢管混凝土梁具有较高的抗弯刚度和承载力5-6，可以用作梁式体系桥梁的承重结构。根据梁体受力的特点，可以在不同部位灌注不同的的混凝土，如在支座附近填充密度较大的，而在跨中附近填充密度较小的混凝土以减轻自重，增大其跨越能力；对于铁路桥梁，钢管混凝土可以减小火车行驶时的噪声及振动。

15、钢管混凝土空间桁架组合梁式结构具有刚度大、自重轻等特点，可以有效地提高结构的承载能力利用系数，因而这种组合结构在梁式体系桥梁中的应用占有明显优势，并首先在我国的广东南海紫洞大桥上得到了成功应用7-8，之后又在万州道河沟大桥、重庆万州特大桥以及湖北向家坝大桥上得以推广。桥名跨径/M钢管尺寸/MM建成年份万州道河沟大桥42325*81998湖北向家坝大桥158.6700*202000重庆万州特大桥510.8500*162000第二节 钢管混凝土拱桥大跨度钢管混凝土拱桥在建造时，一般先施工拱肋部分（由一段段钢管拼接成），拱肋形成后再向其中灌注混凝土，之后施工梁体以及张拉吊杆和系杆。这期间空钢管可以作

16、为灌注混凝土的模板而承受一定的荷载，从而基本实现无支架施工。同时，“拱”是以受压为主的结构形式，采用钢管混凝土作为拱桥的拱肋，可以最大限度地利用钢管抗压性能优越的特点。钢管混凝土拱桥在20世纪30年代的前苏联就已出现。近年来在国外也有修建。真正发展是20世纪90年代以后的中国，特别是我国第一座大跨度钢管混凝土拱桥四川旺苍东河大桥建成来9得到迅速发展，至今已建成数百座，其中2005年建成通车的重庆巫峡长江大桥的跨度已创纪录地达到了460m。桥名主跨/M钢管尺寸/MM建成年份桥型四川旺苍东河大桥115800*101990下承式拱桥湖北支井河特大桥4301200*302009上承式拱桥广西南宁永和桥

17、3381220*162004下承式拱桥重庆巫峡长江大桥4601220*222005中承式拱桥湘西四大桥主桥4008502007斜拉-拱组合桥第三节 钢管混凝土斜拉桥将钢管混凝土结构用作斜拉桥的塔柱是设计上的一项革新，既充分发挥了“耐压”性能，又使塔柱设计得比较轻盈。如果将主梁也设计成钢管混凝土空间桁架组合结构，则跨越能力将大大提高。与混凝土斜拉桥相比，由于主梁自重轻，相应可以减少斜拉索的用量，索塔以及下部结构的截面尺寸和材料用量都相应减少，所以不仅承担活荷载的能力加大，而且经济优势明显。对于大跨径的斜拉桥，主梁采用透空率大的桁架组合结构，可以提高临界风速和抗风稳定性。钢管混凝土塔柱具有良好的荷

18、载位移滞回性能和抗局部屈曲的能力，比普通钢筋混凝土塔柱有更好的耗能能力和更小的强度退化，因而有优越的抗震性能 10-11。1996年，我国建成了世界上第一座钢管混凝土斜拉桥（桥塔和加劲梁均采用钢管混凝土结构）广东南海紫洞大桥7，之后又相继建成了几座钢管混凝土塔柱斜拉桥。桥名跨径/M塔柱钢管尺寸/MM建成年份主梁形式重庆万安大桥28418402000钢管混凝土桁架梁淮北市长山路桥1701500*182001预应力混凝土梁无锡榕湖大桥2202500*252003预应力混凝土梁第四节 钢管混凝土桥墩钢管混凝土结构刚度大、承压性能好以及抗震性能强，很适用于桥墩，尤其是地震区的桥墩12。钢筋混凝土桥墩在

19、历次大地震中都表现出一定的易损性，特别是低矮桥墩，往往延性不足而破坏。钢管混凝土桥墩成为颇有发展潜力的结构形式之一，并已在灾后桥墩加固中得到了大量采用。钢管混凝土优良的力学性能已引起国外桥梁设计人员的浓厚兴趣，有望成为地震区桥墩的备择形式之一。桥名跨径/M钢管尺寸/MM建成年份桥型深圳北站大桥1502800-34002000钢架系杆拱桥兰州雁盐黄河桥2993500*202003钢架系杆拱桥第四章 钢管混凝土存在的问题第一节 钢管混凝土在桥梁中存在的问题（一） 钢管混凝土拱桥构件脱空问题钢管混凝土拱桥构件处在大气中，直接承受阳光作用。在夏天钢管表面温度高达80，内部核心混凝土50。钢管混凝土拱经

20、过5-10年，核心混凝土温降20。这两种情况共同作用，相当发生约70温差，在大直径钢管中导致钢管和核心混凝土脱空，即钢管与核心混凝土分离，特别是在拱顶部位。这种情况将使整个钢管混凝土拱受力模式产生重大变化。钢管混凝土受轴压、核心混凝土温度下降、外钢管温度上升等3种因素都将引起脱空13。（二） 侧向稳定问题大跨度钢管混凝土拱桥在施工中，侧向稳定问题突出。很多桥例分析表明，在安装吊杆及横梁、安装中部定位梁及车道板预制件时，中部行车道形成连续体系，此时稳定安全系数不到3，而按一般的设计、施工经验，安全系数应大于4，因此，研究钢管混凝土拱桥施工期侧向稳定可靠度非常有必要。（三） 规范问题规范（规程）的

21、编制或修订。目前我国桥梁规范中尚未涉及钢管混凝土墩柱设计、施工的相关条文，设计人员无章可循。第二节 节点力学性能及连接问题（一） 结构构件的连接构造的缺点当钢管混凝土柱与混凝土梁连接时，就必须借助于柱上的牛腿和加强板。如果与柱连接的梁较多且不在同一标高时，就会有许多的牛腿和加强板。如果采用明牛腿可能在美观上会受到影响。如果用暗牛腿，又会或多或少地给浇灌混凝土带来不便，影响施工进度。当钢管混凝土柱与无梁盖连接时，尤其是采用升板法施工时，板与柱的连接构造是相当复杂的，会直接影响到施工进度。（二） 节点性能问题由于目前节点的研究理论还不成熟，试验研究缺乏系统性，节点的计算模型不明确，还没有形成一套完

22、整的计算理论和设计方法，只能靠设计人员的经验进行设计，不利于整个结构的可靠度，可能造成浪费或安全隐患。另外节点的设计选型较难，有些节点研究较为成熟，节点刚度大，力学性能好，但材料用量大、施工复杂，如加强环式节点；也有些节点构造简单、施工方便，但节点刚度小、力学性能稍差。第五章 钢管混凝土研究发展的方向第一节 钢管混凝土性能的研究1) 大直径钢管混凝土力学性能研究。桥梁结构的荷载相对于建筑结构要大得多，使得墩柱尺寸较大，而大直径情况下钢管对混凝土的约束效果有待进一步研究（如兰州雁盐黄河桥桥墩直径为4m，由于把握不准钢管对混凝土的约束效果而没有考虑承载力的提高部分，只是作为安全储备）。2) 抗震性

23、能的深入研究。现有关与钢管混凝土墩柱抗震性能的研究还较少，诸如滞回模型等问题有必要作深入研究。3) 长期工作性能。桥梁所处的环境一般均较建筑结构恶劣得多，钢管耐久性以及混凝土收缩徐变对桥梁受力性能的影响有待进一步研究、试验研究和工程实践来验证。第二节 初始应力对承载能力的影响目前研究的钢管初应力中均没有考虑混凝土收缩徐变引起的钢管应力增量。此外，拱桥因设置预拱度、施工偏差等原因，拱轴线与压力线不可能重合，在拱肋中必然产生附加内力，这种附加内力与钢管初应力耦合，对钢管混凝土拱桥的极限承载力有多大影响，值得深入研究。结 论工程实践已表明，钢管混凝土不仅是一种高强、高性能结构材料，也是一种高效的施工

24、技术。将钢管混凝土引入到桥梁工程，可能会给桥梁发展带来新的变革元素。合理利用钢管混凝土结构的优点，可以较经济地增大桥梁跨度、减小构件截面、提高抗震能力、改善整体结构。可以预见，随着对钢管混凝土理论研究的日益成熟，结构设计与施工相关规范啊（规程）的不断修订完善，钢管混凝土结构凭借在结构性能以及施工方面的优势，在未来的建筑中，将会越来越多地得到应用。参考文献1 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构M.北京：人民交通出版社，2003.2 黄明奎，李斌，闻洋.约束效应系数对钢管砼构件力学性能影响分析J.重庆建筑大学学报，2008(2):90-93.3 刘东东.浅谈钢管混凝土结构的应用与优缺点J.建筑工程，200

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26、r made of steel tube filled with concrete J.Journal of Constructional Steel Research,2005(61):371-386.7 代向群，毛健.南海紫洞大桥钢管混凝土斜拉桥的设计J.公路交通科技，2002(4):74-78.8 张联燕，李泽生，程懋方.钢管混凝土空间桁架组合梁式结构M.北京：人民交通出版社，1999.9 陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工M.北京：人民交通出版社，1999.10 刘钊，施大震等.一座钢管混凝土塔柱斜拉桥的结构设计特色J.桥梁建设，2002（5）：26-29.11 刘钊，吴京，吕志涛.钢管混凝土塔柱斜拉桥的动力特性和地震响应J.桥梁建设，2001(5):10-13.12 臧华.钢管混凝土桥墩的静力与抗震性能研究D.南京：东海大学，2008. 13 申雁鹏，汤诞.钢管混凝土拱桥热脱空理论研究J.中国新技术新产品，2001（3）：6-7.