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    矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用研究
    发布时间:2019-07-22

    鹈鹕vs太阳 www.icipro.net 摘要

      钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等,其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广。

      目前,钢管混凝土结构因其承载力高、抗震性能好、耐火性能好、施工简便以及造价经济合理等一系列优点,已经发展成为一种比较成熟的结构形式,从上世纪八十年代起,钢管混凝土结构在我国就有了广泛的发展,开始应用于一些承重结构(如高层结构、工业厂房柱、设备构件柱、地铁站台柱、桩等)、高耸结构(如送变电杆塔等)及大跨结构,如北京地铁站,泉州邮电中心局大厦,江西体育馆比赛馆等项目,取得了较好的经济效益和社会效益。

      黄岛区中石油组块车间项目,位于青岛市经济技术开发区海西湾内,建筑总面积41809.3平方米,高度35.9m,设计使用年限为50年,安全等级为二级。本论文以该项目为工程背景,对钢管混凝土组合结构施工技术进行了研究,得到了如下结论:

     ?。?)钢管混凝土结构施工质量控制主要是钢管施工和混凝土施工两个方面。钢管施工包含钢管工厂内加工,现场安装等,工厂内加工是基础,质量的好坏直接影响到现场安装,混凝土的施工质量影响到整个结构是否满足规范和设计要求。

     ?。?)充分分解钢管柱的整个工厂内加工过程,能够通过控制工艺流程中的十个关键工序,确保加工质量满足要求。(3)通过制定钢管柱的现场安装施工方案并严格执行,能通过对就位轴线、标高、垂直度三要素的控制来达到安装质量标准。

     ?。?)钢管内混凝土施工主要是混凝土材料的质量控制和现场浇筑方式的选择,通过对泵送混凝土材料坍落度、强度等方面的严格管控及浇筑方式的正确选择能确保浇筑质量符合要求。

     ?。?)钢管柱柱脚和对接接头的施工质量直接影响着后续钢管柱的安装,通过对柱脚及对接接头部位常见质量问题的分析研究,以及有针对性控制措施的实施能达到规避质量通病,满足后期安装质量标准的目标。

      关键词:钢管混凝土结构;原理;节点;施工工艺;应用

    建筑工程

    Abstract

      Concrete tubular steel tubular structures can be divided into rectangular steel tubular concrete structures, circular steel tubular concrete structures and polygonal steel tubular concrete structures according to the different cross-sectional forms, among which rectangular steel tubular concrete structures and circular steel tubular concrete structures are widely used.

      At present, concrete filled steel tubular structures have developed into a more mature form of structure since the 1980s due to their high bearing capacity, good seismic performance, good fire resistance, simple construction and reasonable cost. Concrete steel tubular structures have been widely developed in China and have been applied to some load-bearing structures(such as high-rise structures, industrial plant pillars, equipment component pillars, subway station pillars, piles, etc.), high-rise structures(such as transmission poles, etc.) and large span structures. For example, Beijing Metro Station, Quanzhou Post and Telecommunications Central Bureau Building, Jiangxi Gymnasium Competition Hall and other projects have achieved better economic and social benefits

      The Huangdao District PetroChina Block Workshop Project is located in Hai Sai Wan, Qingdao Economic and Technological Development Zone. The total construction area is 41809.3 square meters, the height is 35.9 M, the life span is 50 years, and the secondary security level. Taking the project as the project background, this paper studies the construction technology of concrete filled steel tubular structure, and draws the following conclusion.

     ?。?) The quality control of steel tubular concrete structure construction is mainly two aspects of steel tubular construction and concrete construction. Steel pipe construction includes internal processing of steel pipe factories, on-site installation, etc The internal processing of the factory is the basis. The quality of quality directly affects the on-site installation. The construction quality of concrete affects whether the entire structure meets the specifications and design requirements.

     ?。?) Full decomposition and study of the entire process of the steel pipe column in the factory can control the ten key processes in the process flow to ensure that the processing quality meets the requirements.

     ?。?) Through careful research, the on-site installation and construction plan of the steel pipe column is formulated and strictly implemented. Finally, the installation quality standard can be achieved through the control of the three elements of the positioning axis, elevation, and vertical degree.

     ?。?) Concrete construction in steel tubes is mainly the quality control of concrete materials and the choice of on-site pouring methods. By strictly controlling the collapse degree and strength of concrete pumping materials and correctly selecting the pouring methods, it can ensure that the pouring quality meets the requirements.

     ?。?) The construction quality of the column foot of the steel pipe directly affects the installation of the subsequent steel pipe column. Through the analysis of the common quality problems at the foot of the column and the implementation of targeted control measures, it can achieve the goal of avoiding quality disease and meeting the quality standards for the late installation.

      Keyword : Concrete filled steel tube structure, The principle,Node,The construction technology,application

    目录

      第1章绪论

      1.1钢管混凝土组合结构研究背景

      砖石、木、钢筋混凝土、钢结构均属于传统结构体系,此后发展形成的即为钢管混凝土结构,即灌入混凝土至钢管进而形成的全新组合结构?;诮孛嫘巫床钜?,一般可划分钢管混凝土结构为如下多种,如多边形、圆、矩形钢管混凝土结构。因在受力进程中,混凝土、钢管两类材料互为组合作用,此时即可使得材料优势得到完全发挥,混凝土不仅可获得更为突出的韧性、塑性,且局部扭曲等问题也会得到延缓,或避免发生,钢筋混凝土也因此具备如下诸多优势,如施工便捷、良好的韧性以及塑性等。就此前数十年间,针对受到剪、压等诸多荷载作用的钢管混凝土,大量专家纷纷以构件的动力性能、力学性能等作为切入点,进而开展理论、试验探究工作,并最终取得显着成效。近年来,就工程应用、科研等方面来看,人们也针对钢管混凝土结构开展了探究工作,且取得了显着进展。同时,也深入的针对构件的耐火性、力学性能等进行研究,目前已取得诸多较为实用的成果。就工程应用等而言,钢管混凝土也被大量运用于高层建筑、拱桥结构等方面[1-5].

      1.2钢管混凝土结构国内外发展研究概况

      1.2.1国内发展研究概况

      二十世纪五十年代末,我国开始探究钢管混凝土组合结构[1],以内填充型钢管混凝土结构作为探究的具体方向,即将混凝土浇筑于钢管内。截止到目前来看,已针对此开展了较为全面、系统的探究工作,如组合结构的设计方式、耐火性、力学性能等,并取得了极大进步。从构件的工程运用、理论分析以及受力性能等诸多方面来看,目前已达到全球领先水平。我国最初在北京地铁车站运用了钢管混凝土柱,此后,伴随此种结构的不断发展,逐步被引入到厂房支撑结构。进入八十年代后,此种结构材料的运用范围得到进一步拓展,如被运用于高层、多层建筑等。上世纪九十年代,跨度110m的下承式系杆钢管混凝土拱桥顺利建成,此后,国内开始出现大量混凝土拱桥。上述桥梁的建成,表明本国在探究钢管混凝土以及应用方面的水平已得到显着提高,且已达到全新发展高度。伴随国内开始大量出现钢管混凝土拱桥,相关设计规程也变得更为完善。国内诸多科研院校也开始全方位的对此进行研究工作,如韩林海[5]等针对多见于工程方面的、形状不一的钢管混凝土力学性能开展探究工作,最终明确,在计算钢管混凝土构件时,以钢管混凝土统一理论、极限平衡法理论作为基本条件,同时还针对受到临时荷载影响时构件受弯的力学性能开展探究、计算工作;胡曙光[9]等诸多学者针对钢管高强膨胀混凝土特性,基于产生于工程应用方面的大跨度结构工程、钢管与混凝土脱粘问题等开展了深入、长期而又系统的探究工作?;谑芡涔辜毂浞治?,韩冰[10]明确了构件受到长期载荷影响时,如何计算承载力的方法,并表示受弯构件承载力将因徐变而减小。

      上世纪六十年代前,多以对圆钢管混凝土结构的研究为主。自后半期开始,即针对矩形钢管混凝土结构进行了深入探究、分析工作。当前,就圆钢管混凝土结构而言,已取得了显着研究成果,诸多国家纷纷对相关的规程、设计等进行制定,如日本标准AIJ(1980,1997)、欧洲标准EC4(1996)等。本国在针对钢管混凝土结构等进行研究时,多以内填型圆钢管混凝土结构为主,即将素混凝土填充于圆钢管内,原中科院哈尔滨土建研究所最先针对此进行探究活动。自1968年开始,包括中国建筑科学研究院等相关单位在内,也系统性的针对相关构件的节点构造、工作性能等开展了探究工作[1-9].自上世纪八十年代开始,则针对此开展了更为深入的研究工作,基于诸多理论以及试验活动,由此获得了海量数据,并结合数据总结了包括构件变形性能、承载力等在内的诸多影响因素,同时还总结出诸多较为实用的计算公式。

      此外,就施工技术方面来看,也得到了快速发展,由此产生了大量全新施工方法、工艺等,这也为广泛运用钢管混凝土奠定了重要基础。近十数年来,针对钢管混凝土结构方面,本国在实际应用、科学研究方面,均取得了显着成效。当前,如国家经贸委员会、国家建材局等纷纷对与之相关的设计规程进行发布,为我国范围内大面积推广钢筋混凝土结构打下基础,也令此种结构得以在交通运输、大型建筑工程之中得到大范围运用。我国针对矩形钢管混凝土结构开展的探究工作,时间相对较晚,郑州工学院直至1985年才针对方钢管混凝土轴压短柱进行研究工作,此后,包括同济大学等在内,也纷纷开始研究方钢管混凝土构件,并取得了显着成效。但就目前来看,本国针对此种结构,尚未制定起相应的施工规程[6-10].

      1.2.2国外发展研究概况

      1957年,Kloppe[11]等人对钢管混凝土研究进行报道,此后,各国专家纷纷针对这一结构开展了深入、海量的试验工作。Furlong[12]于1967年选取52根钢管混凝土,对此进行偏压承载力、轴压等试验工作,并由此给出实验结果。Tomii[13]等学者于1982年,对受到轴压荷载影响时,八角形、圆形、方形截面钢管混凝土存在的滑移、粘结强度等关系进行测试;SakinoK[14]等则于1985年,通过选定圆钢管混凝土轴心受压构件,并对此开展三类加载试验工作。Grauers[15]等则于1993年选定方钢管混凝土,并对此开展试验探究工作,其中的核心混凝土具备103Mpa的强度。Knono[16]等则于1997年,将废弃混凝土填充于钢管内,并发现成品的延性较为突出。Hajjar[17]等则对两类进行方钢管混凝土结构滞回性能进行分析的理论模型进行总结。Susantha[18]等于2001年,通过有效截面法、ABAQUS软件等的运用,针对矩形、方钢管混凝土极限承载力如何、影响因素等进行了深入计算工作。Zhao[19]等则于2002年,将纯弯、轴压试验运行于中间夹层钢管混凝土。Aval[20]等则基于对混凝土、钢管组合作用、粘结滑移等问题的考虑,且针对受到往复荷载影响时的压弯构件,通过运用纤维模型法来具体分析荷载-变形关系曲线。另外,针对构件力学性能如何受到钢管局部屈曲影响、力学性能如何受到长期荷载作用影响等方面,国外学者也对此进行了大量研究工作[21-23].

      1.3课题研究的主要内容

      通过分析混凝土结构、钢结构结构特点进而分析钢管混凝土组合结构原理和特点,对钢管混凝土组合结构的优点以及相对钢筋混凝土结构的缺点进行了比较分析,同时对钢管混凝土组合结构的基本性能和结构应用进行详细阐述。通过结合具体工程实例,就钢管混凝土结构的钢管施工和混凝土施工两个方面进行重点分析研究,重点研究钢管柱的加工工艺及质量控制、现场安装质量控制、钢管内泵送混凝土的材料要求及施工工艺质量控制等柱脚的施工质量直接决定着钢管混凝土结构钢柱的安装是否符合标准和要求,因此本课题对柱脚的施工技术和质量控制进行了详细的介绍,特别是柱脚部位常见的质量问题包括预埋螺栓定位不准、柱脚板随意扩孔、抗剪键缺漏以及柱脚板下间隙不能有效填充等等。

      1.4课题研究的意义和目的

      通过对钢管混凝土组合结构特点和施工技术等详细的阐述,并依托具体的工程实例进行分析总结,能为这种结构更广泛的应用提供理论和技术支持,同时为这项技术更广泛深入的研究提供参考。

      1.5研究工作基础

      本课题的研究过程,所做的实验研究工作是利用学校的各种实验设备和仪器,并在实验室老师的帮助和指导下完成,同时又通过查阅图书馆各种相关资料、网络检索各种相关文献等来充实研究工作的理论基础和科学依据,另外,本人曾参与过多个具体工程的项目管理工作并取得了不错的成绩,对前期的项目策划及项目管理规划的制定,施工组织和方案的编制,到过程中的施工组织管理,质量、安全要点实施及工程成本的控制,技术资料的整理归档、施工图的细化和完善,再到后期的成品维护和竣工交付等有充分的了解,特别是对钢管混凝土结构的施工组织策划及施工流程、质量和安全要点控制、与其他土建等相关专业的施工配合等方面有充分的了解和掌握,积累了一定的施工经验,为本课题的研究有了实践依据。

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      第2章钢管混凝土组合结构基本原理及应用
      2.1钢管混凝土组合结构的基本概念
      2.2钢管混凝土组合结构原理及特点
      2.2.1混凝土结构特点
      2.2.2钢结构结构特点
      2.2.3钢管混凝土组合结构原理及特点
      2.2.4钢管混凝土组合结构基本性能

      2.3钢管混凝土组合结构应用
      2.3.1高层建筑工程
      2.3.2大跨度桥梁工程
      2.3.3地铁车站工程
      2.3.4单层和多层工业厂房柱
      2.4钢管混凝土结构未来研究的主要方向
      2.5本章小结

      第3章钢管混凝土组合钢管柱加工技术研究
      3.1工程概况
      3.2钢管柱加工质量控制技术及措施
      3.2.1加工工艺流程
      3.2.2钢管柱加工工艺及质量控制措施
      3.2.3材料质量控制措施
      3.2.4质量监督措施
      3.3本章小结

      第4章钢管混凝土组合结构钢管柱安装技术研究
      4.1工程概况
      4.2钢管柱安装质量控制
      4.2.1关键工序选择
      4.2.2施工准备
      4.2.3控制措施
      4.2.4安全保证措施
      4.3本章小结

      第5章钢管混凝土组合结构泵送混凝土施工技术研究
      5.1泵送混凝土材料要求
      5.2泵送混凝土施工质量控制措施
      5.2.1施工特点和方法分析
      5.2.2施工工艺及流程
      5.3安全保证措施
      5.4质量保证措施
      5.5本章小结

      第6章钢管混凝土组合结构节点施工技术研究
      6.1钢管混凝土组合结构主要节点
      6.1.1梁柱节点
      6.1.2钢管混凝土组合结构钢柱对接节点
      6.2钢管混凝土组合结构钢柱柱脚施工技术
      6.2.1钢柱柱脚主要形式
      6.2.2柱脚施工常见质量通病
      6.3同径钢管柱对接接头施工技术研究
      6.3.1安装、定位、找正
      6.3.2焊接
      6.3.3钢管柱对接焊接残余应变对垂直度影响的处理方法
      6.4本章小结

    第7章结论与展望

      7.1结论

      本课题以黄岛区中石油组块车间为工程背景,通过分析混凝土结构特点、钢结构结构特点,重点分析了钢管混凝土组合结构原理和特点,并对钢管混凝土组合结构的优点以及相对钢筋混凝土结构的缺点进行了比较分析,同时对钢管混凝土组合结构的基本性能、结构和下一步的研究方向进行了阐述。钢管混凝土结构施工质量控制主要是钢管施工和混凝土施工两个方面。钢管施工包含钢管工厂内加工,现场安装等,工厂内加工质量的好坏直接影响到现场安装的质量,所以钢管施工首先要严格材料选择,工厂内加工更要严格按照标准和规范进行,以确保后续安装质量。钢管柱内混凝土的选择也要严格按照施工要求和规范选择,主要选择加入减水剂的干硬性混凝土进行泵送施工。本课题通过结合具体工程实例,对钢管混凝土组合结构施工要点进行了研究,包括钢管柱的加工工艺及质量控制、安装质量控制;泵送混凝土的材料要求及施工工艺质量控制等。其中钢管柱安装质量控制方面重点做到就位轴线、标高和垂直度三个方面的控制,三者控制过程中有效结合方能确保质安装量符合要求。钢管混凝土组合结构节点施工的重要性显而易见。本文对主要梁柱节点形式、柱的对接节点(分变直径和不变直径两种)等进行了介绍,另外柱脚的施工质量直接决定着钢管混凝土结构钢柱的安装是否符合标准和要求,因此本章对柱脚的通病和施工技术进行了介绍,特别是柱脚部位常见的质量问题包括预埋螺栓定位不准、柱脚板随意扩孔、抗剪键缺漏(或者混凝土短柱未留设抗剪键槽)以及柱脚板下间隙不能有效填充等等。在钢管柱后续的施工过程中,钢柱本身的施工要点在于钢柱接头的的对接、定位、找正和焊接方面,以及与支承楼盖的梁(主梁、框架梁、转换梁等)的节点连接方面,本文对已被应用的几种梁柱节点形式也进行了简要介绍。

      7.2展望

      本课题通过对钢管混凝土结构相关施工技术的研究,指出钢管混凝土结构未来研究和发展的几个方面,如高强度材料的应用、节点动力性能研究、耐火性能及火灾后剩余承载力的研究、钢管混凝土结构体系抗震性能的研究、矩形钢管混凝土结构的研究、钢管混凝土施工方面的研究、预应力钢管混凝土方面的研究、薄壁离心钢管混凝土结构等。钢管混凝土结构以其承载力高、抗震性能好、耐火性能好、施工简便以及造价经济合理等一系列优点而广泛应用于高层和超高层建筑中。相对于其它结构材料而言,钢管混凝土结构的研究还很不充分,还存在着一些需要进一步研究和解决的问题。同时钢管混凝土高层建筑前景非常广阔,高强、高性能和高效施工技术的钢管混凝土结构,薄壁钢管混凝土结构、大管径钢管混凝土结构是将来高层钢管混凝土结构的发展方向。相信随着研究的不断深入和技术的不断发展,钢管混凝土结构的应用必将越来越广泛!

      参考文献

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