购买
下载掌阅APP,畅读海量书库
立即打开
畅读海量书库
扫码下载掌阅APP

1.1 钢管混凝土起源

1.1.1 钢管混凝土溯源

1.1.1.1 钢管混凝土建筑溯源

1961年,比利时建造船坞时,采用钢管混凝土构件做桁架的立柱;法国巴黎居民区的第一座摩天大楼采用了钢管混凝土框架柱;日本、瑞士等国在输电线路塔架中也采用了钢管混凝土结构。20世纪80年代后期,泵送混凝土工艺的发展,解决了现场钢管内浇注混凝土的工艺问题,加上现代高强混凝土需用钢管约束来克服其脆性,因此钢管混凝土结构在美国和澳大利亚等国的高层建筑中得到了广泛应用。

中国从1959年开始研究钢管混凝土结构的基本性能和应用。1960年,南昌有色冶金设计研究院承担的山西省中条山铜矿尾矿输送线工程中,采用钢管混凝土设计了27 m跨度的运输桁架结构,桁架立柱为外径140 mm的钢管混凝土。1963年钢管混凝土结构应用于北京地铁车站工程,1962年江西体育馆的屋盖由跨径88 m的箱拱悬挂,箱拱采用钢管和型钢组成施工骨架,灌注管内混凝土后立模现浇混凝土成为受力的钢管混凝土结构。1972年本钢轧钢车间的刚架柱、首钢二号炉的构架柱等也采用了钢管混凝土。进入20世纪80年代,钢管混凝土又在高层建筑中得到了发展,如28层的厦门金源大厦、69层的深圳地王大厦、72层的深圳赛格广场等。随着国家经济的高速发展,钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程中得到了广泛应用。

1.1.1.2 钢管混凝土桥梁溯源

钢管混凝土用于桥梁工程,始于1879年英国的赛文(Severn)铁路桥桥墩施工,但当时在钢管内灌注混凝土的主要目的是防锈。1901年,Sewell.J.S发表文章报道了方形钢管混凝土柱的应用情况,认为钢管内填充混凝土不仅能防锈,还能提高其刚度和承载力。此后,钢管混凝土结构在土建工程中逐渐得到重视。1907年美国Lally公司首次给出了圆管混凝土柱的安全承载能力公式,这种被称为LallyColumn的圆形钢管混凝土柱在一些房屋建筑中得以应用。

根据相关资料介绍,1932—1936年,苏联圣彼得堡涅瓦河上建成了一座公路桥梁(图1-1),该桥为三跨桥梁,两岸边跨跨度较大,为101.1 m的下承式拱桥,中间较小的跨度桥为双叶式转体桥。设计者采用规格为 121mm×5mm、水平向10根、竖直向5根的钢管集束,横向用钢筋捆绑连接、纵向可能是通过机械方法将钢管连接在一起,再外包混凝土,形成了主拱截面尺寸径向高度为62 cm、宽度为157 cm的钢筋混凝土拱桥;使用约60年后,因外包混凝土脱落和变形增加等病害而拆除。苏联另外一座采用钢管混凝土建造的拱桥,位于乌拉尔卡缅斯克的一条单线铁路线上(图1-2),该桥跨越伊赛特河,主跨约为135 m,采用月牙形桁式两铰拱,主拱矢高约为22 m;采用支架法施工,1939年建成通车。此桥建成之后半个世纪内,世界上再无建造钢管混凝土拱桥和相关研究的报道。

图1-1 圣彼得堡涅瓦河大桥

图1-2 乌拉尔卡缅斯克大桥

根据调查和询问,苏联的两座钢管混凝土桥梁,主拱施工是通过在现场将钢管拱架分段预浇灌混凝土后,在满堂支架上拼装成拱。因此,钢筋混凝土主拱内的钢管混凝土不是劲性骨架,可能是把钢管混凝土当成钢筋使用,钢管混凝土拱桥没有充分发挥钢管的支架作用和钢管与混凝土间约束的共同作用,钢管混凝土施工安装优越性和共同受力的力学性能没有发挥。

1990年,中国第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍东河大桥建成,该桥主拱跨度为115 m,主拱采用 800 mm×8 mm的钢管,钢管内灌注C30混凝土,通过钢板连接上下两根钢管,组成哑铃形截面钢管混凝土主拱,先无支架安装钢管合龙成为主拱,再在钢管内灌注C30混凝土,形成共同受力的组合截面结构。该桥是我国桥梁工作者在拱桥技术方面的探索,是钢管混凝土桥梁理论研究与工程实践新的突破。该桥应用钢管混凝土建造桥梁,解决了拱桥主拱高强度材料共同受力计算和主拱施工安装的两大难题,促进了钢管混凝土拱桥技术的迅速发展。

1.1.2 国内外钢管混凝土桥梁

1.1.2.1 国际钢管混凝土桥梁工程

日本1996年建成的青叶大桥,采用了钢管混凝土作用劲性骨架,外包混凝土形成钢筋混凝土拱桥。该桥主跨为180 m,采用钢筋混凝土箱形主拱,两岸主拱拱脚段采用悬臂现浇施工,主拱跨中长约57 m为钢管混凝土劲性骨架、吊装合龙钢管后灌注混凝土,再外包混凝土形成箱形截面主拱。日本称之为劲性钢骨架外包与混凝土悬臂浇注的组合米兰主拱,建成后桥梁总体如图1-3所示。

图1-3 日本青叶大桥

1966年日本建成跨径为126 m的松岛桥(天草5号桥),其采用上承式,管径1.8 m;建成后桥梁总体如图1-4所示;2006年建成跨径为230 m的新西海桥,其拱肋采用了三角桁架形式,建成后桥梁总体如图1-5所示。

图1-4 日本天草5号桥

图1-5 日本新西海桥

法国修建了主跨56 m的Antrenas桥,主拱钢管规格为1200 mm×32 mm,主拱钢管内灌注混凝土,组成空间桁架组合主拱,建成后桥梁总体情况如图1-6所示。美国修建了跨径74 m的Dampen Avenue桥,桥宽21 m,主拱拱肋钢管规格为1200 mm×25 mm,主拱拱脚段部分灌注混凝土,建成后桥梁总体如图1-7所示。越南、法国和捷克等国家,采用钢管混凝土作为主拱,近年来分别建成了主跨200 m的防城港大桥、主跨220 m的凯泽莱尔大桥和主跨126 m的Escudo Viaduct大桥等。

图1-6 法国Antrenas桥

图1-7 美国DampenAvenue桥

1997年,瑞士建成了Lully高架桥,采用钢管混凝土组合桁式主梁结构形式,如图1-8所示。其桁架横断面为三角形,由2根上弦钢管、1根下弦钢管组成钢管组合桁梁形式,并通过均布于上弦杆的抗剪栓钉连接桥面板。但其主梁为钢管桁式结构,钢管内未灌注混凝土,也未见混凝土与钢管共同受力的设计方法的报道。该桥的钢管组合桁梁结构具有自重轻、施工简单,且外观轻盈美观等特点。

将钢管组合桁梁的主钢管内灌注混凝土,即可组成钢管混凝土组合桁梁。钢管混凝土组合桁梁由于下弦钢管内填混凝土,虽然自重略有增加,但提高了下弦主管节点的径向刚度、结构整体刚度和极限承载能力。我国1996年建成的广东南海紫洞大桥、2002年建成的湖北向家坝大桥等桥梁,其主梁就采用了钢管混凝土组合桁梁结构,如图1-9和图1-10所示。

图1-8 瑞士Lully高架桥

图1-9 广东南海紫洞大桥

1.1.2.2 国际钢管混凝土桥梁研究

钢管混凝土结构是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构以及钢管结构的基础上演变和发展起来的。但在早期的应用中一般不考虑钢管与核心混凝土间相互作用对承载力的提高。对钢管混凝土力学性能进行较为深入的研究及推广应用,主要是在20世纪60年代后。早期钢管混凝土采用的钢管往往是热轧管,钢管的壁厚一般均较大,而且由于钢管内混凝土浇注工艺未得到很好解决,因此经济效益不明显,从而使钢管混凝土的推广应用受到一定影响。

图1-10 湖北向家坝大桥

苏联在20世纪五六十年代对钢管混凝土结构进行了大量研究,并在一些土建工程(如工业厂房和拱桥结构)中进行了应用。苏联对钢管混凝土轴压和偏压柱进行过较为深入的研究,如Gvozdev教授深刻地阐明了钢管套箍混凝土的工作机理,并成功地用极限平衡法求解了钢管混凝土轴压短柱的极限承载能力。

美国在20世纪六七十年代进行过大量的钢管混凝土试验和理论分析工作,并给出了钢管混凝土轴压和受弯构件设计公式。美国以研究方形钢管混凝土和圆形钢管混凝土为主,核心混凝土为素混凝土,设计规程主要有AC 1319-89、SSLC 1979和AISC LRFD 94。

在欧洲,对于方形和矩形截面钢管混凝土的研究较为深入。在西欧一些国家如英国、德国和法国等,主要研究方形钢管混凝土、圆形钢管混凝土和矩形钢管混凝土结构,核心混凝土为素混凝土,或在核心混凝土中配置钢筋或型钢。目前的设计规程主要有Eurocode 4(EC 4-1994)、德国的DIN 18800(1997)等。

日本1923年关西大地震后,发现钢管混凝土结构在该次地震中的破坏并不明显,故在此后的建筑尤其是高层建筑中,钢管混凝土得到大量应用;特别是1995年阪神大地震后,钢管混凝土更显示了优越的抗震性能,钢管混凝土的研究进一步成为热门课题之一。日本主要研究方形钢管混凝土、圆形钢管混凝土和矩形钢管混凝土结构,核心混凝土为素混凝土或配筋混凝土,目前的设计规程有AIJ 1997。

澳大利亚和加拿大等国家的学者则对薄壁钢管混凝土结构进行了系统的研究,目前正在编制自己的设计规程。

我国自20世纪50年代开始对钢管混凝土的基本理论进行研究,取得了丰硕的成果,大致形成了“钢筋混凝土等换理论”“套箍约束理论”和“统一理论”三个理论体系。近几年相继颁布了有关钢管混凝土结构的设计与施工规程,分别与三个理论体系相对应,呈现出百花齐放的繁荣景象,但也给工程技术人员的实际应用带来了困扰。因此,尽快制定出统一的钢管混凝土结构设计与施工规范,在我国钢管混凝土结构应用越来越多的今天显得十分迫切。

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),依据蔡绍怀专著《钢管混凝土结构》的成果制定,主要依据钢管混凝土构件的试验结果,以经验回归方法建立计算方法;《高强混凝土结构技术规程》(CECS 104:99)增加了高强钢管混凝土的内容。国家建筑材料工业局颁布的《钢管混凝土结构设计与施工规程》(JCJ 01—1989),依据蒋家奋、汤关祚专著《三向应力混凝土》的成果制定,该规程在基本构件计算方法上借用了混凝土结构设计理论,根据钢管混凝构件的试验结果和理论分析建立计算方法。中华人民共和国电力行业标准《钢-混凝土组合结构设计规程》(DL/T 5085—1999),依据钟善桐专著《钢管混凝土结构》的成果制定。该规程所依据的基本理论视钢管混凝土为一种材料,采用统一理论,以建立在试验基础上的理论公式为主,在公式形式方面更多地借鉴了钢结构的设计理论。

早期涉及钢管混凝土的规范、标准均以房屋建筑为主,属于建设部行业标准的体系,没有钢管混凝土拱桥的专门规范,与公路桥梁或铁路桥梁规范体系要求存在差异。

1.1.2.3 中国钢管混凝土桥梁的发展

随着我国改革开放和经济发展,桥梁建设迎来了高速发展,钢管混凝土桥梁这种新型结构体系赶上了中国发展的历史机遇,各种钢管混凝土桥梁应运而生,取得了举世瞩目的成就。1990年,中国第一座钢管混凝土拱桥——主跨115 m的四川旺苍东河大桥建成后,钢管混凝土拱桥在中国得到了迅速发展。据不完全统计,1990—2020年,我国已建和在建的钢管混凝土拱桥已达460余座。回顾钢管混凝土桥梁的发展历程,大致可分为三个阶段:①第一阶段为1990—2000年,为探索起步阶段,10年间共建成钢管混凝土桥梁约90座(包括劲性骨架拱桥4座),平均每年建成9座;②第二阶段为2000—2015年,为推广应用阶段,15年间共建成钢管混凝土桥梁约260座(包括劲性骨架拱桥6座),平均每年建成17.3座;③第三阶段为2015年至今,具有国家和行业专业规范指导,钢管混凝土拱桥、钢管混凝土梁桥、钢管混凝土组合桥墩(塔)和钢管混凝土强劲骨架成拱法的钢筋混凝土拱桥全面发展应用阶段,共建成钢管混凝土桥梁约110座(包括钢管混凝土强劲骨架成拱法的钢筋混凝土拱桥7座),平均每年建成13.7座。

钢管混凝土拱桥的地域分布,1990年第一座钢管混凝土拱桥在四川建成,四川、广东、江西、江苏、浙江、湖南均进行了尝试性地修建。2000年,钢管混凝土桥梁被推广应用到21个省、自治区、直辖市,主要包括四川、浙江、江苏、福建、广东、广西、重庆、江西、湖北等地区。目前,钢管混凝土桥梁修建超过20座的地区有四川、浙江、江苏,相对较多的地区有福建、广东、湖北、广西、湖南和江西等。

钢管混凝土是一种钢-混凝土复合材料,具有高强、支架、模板三大作用,自架设能力强,较好地解决了大跨径拱桥在材料、安装、承载力及经济性等方面面临的问题,其主要优点在于:①钢管混凝土轴心受压承载能力高。公路和城市拱式体系的桥梁,可以选择合理的拱轴线,降低主拱弯矩,以便充分发挥钢管混凝土抗压承载力高的优势而节省材料;②钢管混凝土结构架设方便,施工快捷。修建钢管混凝土拱桥时,可以先通过缆索吊装法或转体施工法完成空钢管的架设,再以此作为支架完成管内混凝土的浇注和桥面系的吊装。由于空钢管自重小,运输和安装十分方便,从而节省施工费用;③与钢筋混凝土拱桥相比,浇注混凝土不需要模板,不用担心混凝土开裂等问题。

钢管混凝土结构不仅在钢管混凝土拱桥,而且在钢管混凝土劲性骨架成拱的钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土梁桥和钢管混凝土桥墩(塔)中广泛应用。究其原因主要有以下几点:①大规模交通基础设施建设,为桥梁发展提供了机遇期,钢管混凝土桥梁的发展为桥梁领域的创新注入了新的活力;②中国工程师和科研人员,依托工程项目展开了联合攻关,攻克了材料、结构、工艺、装备等关键技术难题,形成了众多先进技术成果;③近年来,中国钢管混凝土基础理论和工程应用研究处于世界前列,为钢管混凝土结构应用于桥梁奠定了坚实的理论和工程实践基础;④桥梁美学需求提高,钢管混凝土桥梁是具有美学价值的桥梁形式,在我国又有深厚的应用基础,应用钢管混凝土结构的桥梁更加轻巧、美学表现力更强。

国外钢管混凝土桥梁发展基本上处于停滞状态,近30年未见有关钢管混凝土桥梁新的科研成果和工程案例。 SVNbKlDQD55B7LRQAIipjbE10umLWchpk8x9T07yYeut2jmyIUz5IH+bqmkj2Fte

点击中间区域
呼出菜单
上一章
目录
下一章
×