二級(jí)結(jié)構(gòu)工程師:混凝土結(jié)構(gòu)知識(shí)匯總輔導(dǎo)(二)

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近年來,在斜拉橋和梁式橋中也開始采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),同樣取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。例如,廣東南海市紫洞大橋、湖北秭歸縣向家壩大橋和四川萬縣萬洲大橋都采用了鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu),減輕了結(jié)構(gòu)恒載,提了結(jié)構(gòu)承載力利用系數(shù),同時(shí)采用與之相適應(yīng)的、合理的施工工藝,簡(jiǎn)化了施工程序,減少了施工設(shè)備,加快了施工進(jìn)度,降低了工程造價(jià)。在對(duì)廣東南海市紫洞大橋主橋進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,主橋采用鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)與采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)方案相比較,可以節(jié)省混凝土44%,節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材62%,增加普通鋼材23%.加上施工設(shè)備、臨時(shí)設(shè)施和施工工期等方面的因素,主橋的經(jīng)濟(jì)效益就更為可觀。鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)適用于多種橋型,如系桿拱橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)等,推廣其應(yīng)用必將帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
    3.3地鐵車站工程
    地鐵車站是我國最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程項(xiàng)目。早期的地鐵車站是深埋地下的多跨結(jié)構(gòu),用明挖法施工;采用鋼管混凝土柱主要是利用其承載力高的特點(diǎn),以減小柱子的截面尺寸,有效地利用空間。近年來,在城市中心地區(qū)修建的地鐵車站多為淺埋式的、具有綜合功能的多層地下建筑。采用蓋挖逆作法施工,以盡量減少對(duì)城市正常生活的干擾以及對(duì)地面交通和鄰近建筑的影響。蓋挖逆作法,是先施工地下結(jié)構(gòu)的頂蓋,在頂蓋的保護(hù)下進(jìn)行開挖,按照從頂?shù)降椎捻樞蜻M(jìn)行施工。為此,必須在土方開挖前設(shè)置好頂蓋的中間支撐柱,鋼管混凝土柱將施工階段的臨時(shí)柱和結(jié)構(gòu)的永久柱合二為一,因此是的選擇。90年代以來,北京地鐵的復(fù)八線工程中,采用蓋挖逆作法建成了“天安門東站”、“大北窯站”和“永安里站”;在建中的南京地鐵的“三山街站”也是采用的蓋挖逆作法進(jìn)行施工
    3.4單層和多層工業(yè)廠房柱
    單層工業(yè)廠房的柱屬于偏心受壓構(gòu)件,為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),很多工程中的柱子設(shè)計(jì)成格構(gòu)式組合柱,如雙肢柱、三肢柱和四肢柱,把偏心彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S心力。如1972年建成的本溪鋼鐵公司二煉鋼軋輥鋼錠模車間采用了四肢柱;1980年建成的太原鋼鐵公司第一軋鋼廠第二小型廠的下柱采用雙肢柱;1982年建成的吉林種籽處理車間采用了三肢柱;1980年建成的武昌造船廠船體結(jié)構(gòu)車間采用了四肢柱。與鋼筋混凝土柱和普通鋼柱相比,鋼管混凝土組合柱顯得特別輕巧,節(jié)約鋼材,施工簡(jiǎn)便,同時(shí)剛度好。單層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱時(shí),鋼管中混凝土的澆注可以在全部主體結(jié)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行,所以大大縮短了工期。如1992年建成的哈爾濱建成機(jī)械廠大容器車間,從破土動(dòng)工到竣工只用了15.5個(gè)月;同年該廠又建成了容罐式汽車車間,主體結(jié)構(gòu)的施工僅用了半年時(shí)間。
    80年代初,我國開始在多層工業(yè)廠房中采用鋼管混凝土柱。多層工業(yè)廠房柱基本為偏心受壓?jiǎn)喂苤?如1984年建成的上海特種基礎(chǔ)科研所的科研樓,1985年建成的柳州水泥廠窯尾加熱車間。
    4.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展方向
    4.1高強(qiáng)度材料的應(yīng)用
    采用高強(qiáng)混凝土可以減輕結(jié)構(gòu)自重、降低工程造價(jià)。隨著混凝土強(qiáng)度的提高,其延性下降,這阻礙了它在實(shí)際工程中的應(yīng)用。將高強(qiáng)混凝土灌入鋼管中形成高強(qiáng)鋼管混凝土,由于受到鋼管的約束作用,混凝土處于三向受壓狀態(tài),其延性將大為提高,而其構(gòu)件的承載力也得到了相應(yīng)的提高。因此,高強(qiáng)鋼管混凝土具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?BR>    近年來,國內(nèi)外對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土構(gòu)件的研究表明;高強(qiáng)鋼管混凝土的力學(xué)性能與普通鋼管混凝土有所不同,其設(shè)計(jì)不能套用普通鋼管混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)公式。而我國現(xiàn)行的鋼管混凝土設(shè)計(jì)施工規(guī)范和規(guī)程只適用于普通鋼管混凝土結(jié)構(gòu),因此必須加大高強(qiáng)鋼管混凝土的研究力度,盡快制定出相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范和觀察。
    4.2節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能的研究
    節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部位,也是施工的難點(diǎn)。對(duì)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn),其合理與否直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和整個(gè)工程的造價(jià)。鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)可以分為兩種;鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)和鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)。目前,國內(nèi)對(duì)于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)靜力性能的研究較多,而對(duì)于節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能的研究報(bào)導(dǎo)還較少。
    4.3耐火性能的研究
    我國還沒有制定針對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的防火規(guī)定。對(duì)于已經(jīng)建成的鋼管混凝土結(jié)構(gòu),有的采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要求外包混凝土,有的按照鋼結(jié)構(gòu)的要求涂防火材料,都沒有統(tǒng)一規(guī)定和科學(xué)的依據(jù)。近年來,國內(nèi)學(xué)者就鋼管混凝土的耐火性能問題進(jìn)行了研究,已經(jīng)取得了可喜的成績(jī);應(yīng)盡快編制出適合我國國情的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)防火規(guī)范。
    4.4鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系抗震性能的研究
    在對(duì)采用鋼管混凝土柱及鋼筋混凝土柱的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能的對(duì)比試驗(yàn)研究;并從理論上分析比較了兩種結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能,得出了鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的結(jié)論。但目前對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的研究,主要還是集中在基本構(gòu)件方面,而對(duì)于鋼管混凝土整體結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究還不多。應(yīng)開展這方面充分的研究,以提供合理的抗震設(shè)計(jì)參數(shù),便于工程應(yīng)用。
    4.5矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究
    矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中,鋼管對(duì)于其內(nèi)部混凝土的約束作用相對(duì)較弱,但是它具有節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單,便于施工等優(yōu)點(diǎn)。國外學(xué)者對(duì)矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已進(jìn)行了大量的研究,制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)程,在工程應(yīng)用上也取得了很大的進(jìn)展。我國的矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工規(guī)程尚在制定中。
    與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種相對(duì)年輕的結(jié)構(gòu)形式。隨著其理論研究的深入和完善,新型施工工藝的產(chǎn)生和高性能材料的應(yīng)用,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。
    4.6鋼管混凝土施工方面的研究
    鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工中也有一些問題不容忽視。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接構(gòu)造方面:①當(dāng)鋼管混凝土柱與混凝土梁連接時(shí),就必須借助于柱上的牛腿和加強(qiáng)板。如果用暗牛腿、會(huì)給澆注混凝土帶來不便,影響施工進(jìn)度;②當(dāng)鋼管混凝土柱與無梁蓋連接時(shí),尤其是采用升板法施工時(shí),板與柱的連接構(gòu)造是相當(dāng)復(fù)雜的,會(huì)直接影響到施工的進(jìn)度;③為了能夠充分發(fā)揮鋼管混凝土的承載力,鋼管混凝土的連接應(yīng)盡可能地將連接力可靠地傳遞到核心混凝土上。常采用柱頂蓋板、柱腳底板和層間隔板、穿心板等來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然前提條件必須是應(yīng)保證管內(nèi)混凝土的密實(shí),做到這一點(diǎn)也是不易的。橫隔板和上、下柱的連接是比較縈瑣的,尤其是對(duì)于小直徑管,特別不便于施工。穿心板的制作也很麻煩,而且還會(huì)妨礙管內(nèi)混凝土的澆注和振搗。一般僅在大直徑鋼管混凝土中使用。
    4.7預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土方面的研究
    實(shí)際上,隨著鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用愈來愈廣泛,鋼管混凝土還常用于結(jié)構(gòu)的受拉部位,如鋼管混凝土空間桁架的下弦及受拉腹桿、大跨度拱橋的水平拉桿和擋土墻的錨桿等。因此,本文提出了預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu),即對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力,以提高結(jié)構(gòu)的承載力。預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不僅有效地拓展了鋼管混凝土的應(yīng)用范圍(鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍不再局限于軸心受壓短柱,可擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)的受拉部位),而且改善了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的性能,也充分發(fā)揮了組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。另外,預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用于斜拉橋的斜拉索亦是一種有益的嘗試,可改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能,減小斜索垂度的影響,提高索的耐久性和抗腐蝕能力。
    4.8薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)
    薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是介于鋼筋混凝土環(huán)形桿和鋼管桿之間的一種新型鋼—砼復(fù)合結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)既可以充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的物理力學(xué)性能,又可避免這兩種材料在各自單獨(dú)實(shí)用條件下的弱點(diǎn),具有良好的共同工作和力學(xué)性能。我國從1984年起,開始該結(jié)構(gòu)研究試驗(yàn),目前關(guān)于該種結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算理論、技術(shù)規(guī)程、制造工藝以及施工及驗(yàn)收規(guī)程均圖#以編制出版,已形成較為完整的體系。
    該種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)缺點(diǎn):
    (1)與鋼筋混凝土電桿相比,其優(yōu)點(diǎn)為:在使用鋼材相同的情況下,可減小斷面,減輕重量;簡(jiǎn)化制造工藝,不需要鋼模,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率;抗震和抗沖擊能力強(qiáng),運(yùn)輸、安裝破損少,搬運(yùn)及立塔施工方便;可解決混凝土桿所普遍存在的裂縫問題,延長(zhǎng)使用壽命;不需預(yù)埋件、抱箍等附件,連接方便;提高了構(gòu)件及工程的美觀效果。
    (2)與鋼管結(jié)構(gòu)或普通鋼結(jié)構(gòu)相比,其優(yōu)點(diǎn)為:節(jié)省25-50%的鋼材,降低造價(jià)20-40%左右;提高局部穩(wěn)定性;解決鋼管內(nèi)壁防腐問題。