1钢管混凝土的性能原理
在低应力阶段，其基本与普通钢筋混凝土受压构件相似，即钢管与混凝土共同分担压力。随着纵向压应力的增加，混凝土的横向变形大于钢管的横向变形。因此，混凝土对钢管产生径向压力，钢管在此径向压力的作用下，产生环向拉力。故在钢管混凝土受压构件的使用阶段，尤其是在接近承载力的受力后期阶段，钢管作为承受环拉力为主的构件，使得薄壁钢管的抗拉强度得以充分发挥。与此同时，在较大环拉力作用下，钢管对混凝土产生了很大的紧箍力，即径向压力。构件所受的纵向压力越大，混凝土所受的径向压力也越大，这是被动压力。达到承载力极限状态时，混凝土抗压强度大大提高。因此，钢管混凝土柱比普通钢筋混凝土柱所处的单向受压状态下的承载能力有显著提高。
2钢管混凝土结构的技术特点
2．1构件承载力大大提高相同截面下，钢管混凝土承载力比普通钢筋混凝土结构相比高出许多，这对于承受高荷载压力的受压构件是十分重要的。另一方面，在相同承载力下，钢管混凝土柱的构件截面尺寸得以明显减小，为改善建筑物的使用条件提供了条件。2．2良好的变形性能混凝土作为脆性材料，其破坏具有明显的脆性性质，即使是钢筋混凝土结构，在轴心受压和小偏心受压条件下，其破坏特征仍为脆性性质。而在钢管混凝土结构中，由于管中混凝土处于三向约束状态，由此不仅改善了使用阶段的弹性性能，而且在破坏时产生很大的塑性变形。钢管混凝土柱的破坏完全没有脆性特征，属于塑性破坏，这点已经专门的结构实验所证实。2．3良好的抗震性能由于结构自重大大减轻，对于减少地震作用十分有利。同时结构所具有的良好延性，对于提高建筑物的抗震性能也甚为重要。在这一点上，钢筋混凝土柱尤其是轴压和小偏心受压柱是难以克服的性能缺陷。2．4施工简单由于钢管的作用既类似钢筋混凝土柱纵筋和箍筋，本身又作为浇灌混凝土的模板，故钢管混凝土的施工省去了钢筋骨架的加工制作和柱模板，同时钢管本身还成为施工阶段的承重骨架或脚手架。由此不仅节省了大量的施工材料，而且大大减少了现场工作量，改善了施工条件，有效地缩短了工期。
3冶金工业厂房结构设计的特点
3．1荷载大基于生产工艺流程和相应配制的设备，以及生产操作、设备维护更新等实际要求，工业建筑的楼面荷载均很大。如炼钢车间转炉的主操作平台活荷载达到30～50kN/m2，车间内吊车起重量达到450t，甚至更大。由于荷载大造成结构自重增加，致使在抗震设计中地震作用明显增加。3．2跨度大且高度高冶金工业厂房随着工艺条件的变化，跨度呈增大趋势，高度也不断增加。高炉煤粉喷吹系统中框架结构高度可达到80m以上，而轧钢车间由于工艺设备的要求，许多厂房跨度已超过40m，如鞍钢冷轧厂1#、3#镀锌线工程主厂房结构单跨40m，高度43.5m。某钢铁公司位于广州市工业开发区新建的宽中厚板(卷)工程精整区冷床跨厂房单跨更达到了69m。3．3使用要求高由于设备运行的要求，对结构构件的挠度、裂缝以及振幅等均有特殊要求。如转炉炼钢厂房的结构设计，它不但有多连跨厂房、高层刚架，同时吊车的吨位、高层平台的负荷很大。高层刚架平台上根据工艺要求布置高位料仓、受料斗、水冷烟道等，尤其是高处氧枪平台设有有氧枪移动小车，运行时对厂房结构有较大的水平推力，如何使单层的多跨厂房与高层刚架变形协调，保证高层刚架的刚度是结构设计需要解决的问题。
4钢管混凝土在冶金建筑中的应用
4．1多高层厂房框架柱冶金工厂中多高层建(构)筑物主要有高炉煤粉喷吹车间、矿焦槽主框架、热风炉框架、炼钢车间转炉跨、连铸平台等，此类厂房柱所受的荷重一般较大，且对侧移值有一定限制。采用钢管混凝土柱后则克服了混凝土结构和钢结构的缺点，截面尺寸较混凝土柱减小，有利于工艺布置，同时保持了钢结构仅需装配连接的快速施工特点。4．2大跨度大柱距或重载单层厂房柱根据工艺的发展，目前一些大型厂房的跨度超过40m，柱距可达18～24m，且厂房中通常设置了大起重量的吊车。由此带来厂房柱承受越来越大的竖向荷载，这就为钢管混凝土发挥结构优越性提供了条件。钢管混凝土厂房柱形式多为两阶式。此时，为使钢管混凝土构件以承受轴向压力，下柱均采用双肢柱或三肢柱，使得各个单肢柱在横向和竖向荷栽作用下仅承受轴向力，由此充分发挥钢管混凝土的性能，同时构件显得轻巧美观。4．3高炉炉身框架众所周知，高炉框架在生产、检修过程中的负荷是相当大的。通常高炉框架设置有十几层平台，同时也承受炉顶设备的荷载。高炉框架柱处于以轴力为主的偏心受压状态，钢管混凝土正适合这种构件的受力状态。因此采用钢管混凝士作为炉体框架柱可充分发挥钢管混凝士的承载能力。在施工时，钢结构的安装与管内混凝士的灌注可以交叉进行。国内第一座采用钢管混凝土的高炉炉身框架的是首都钢铁公司2#高炉，1972年建成。高炉炉容V=1200m3，框架平面尺寸为14m×14m的正方形，4根柱17．7m以下采用Φ1000mm×14mm，以上采用Φ700mm×12mm，全高35．2m［2］。4．4各类支架包括电除尘支架、重力(旋风)除尘器支架、上料通廊支架等。此类支架一般为高架式结构，且以承受轴向力为主。对钢结构来言，为保证构件的稳定性而材料强度难以发挥，由此造成材料的浪费。混凝土结构则存在施工难度和工期长的缺陷。钢管混凝土则可有效地克服上述两类结构存在的问题，同时可灵活的设计为不同的外形，以获得良好的视觉效果。4．5重型操作平台冶金厂房重型操作平台主要包括高炉出铁场平台、转炉主操作平台等。高炉出铁场平台是高炉炉前出铁出渣的操作区域，炉前操作在高炉生产中占有十分重要的地位。根据大型高炉炉前操作特点，为方便物料运输，场面越发趋向平坦化，平台面铺设耐热混凝土保护平台结构，自重较大。同时要求可以通行汽车及解体机、移盖机，工作时需要承受较大的活荷载。平台柱采用钢管混凝土，平台梁采用钢梁后，与传统的全混凝土的做法相比，钢结构施工周期短、跨度大、截面小的优点得以充分的发挥，平台柱数量可以减少1/4，避免了以往设计柱过密的问题，同时也间接的降低了基础造价。
5钢管混凝土结构的发展
(1)薄壁钢管混凝土。在钢管混凝土中采用薄壁钢管，可以进一步减少钢材用量，减少焊接工作量，达到降低工程造价的目的。(2)采用高性能混凝土的钢管混凝土。在钢管中填充自密实高性能混凝土，不仅可以更好地保证混凝土的密实度，且可以简化振捣程序，降低混凝土施工强度和费用，减少噪声污染。(3)中空夹层钢管混凝土。该结构是将两层钢管同心放置，并在两层钢管中浇灌混凝土。此结构除了具有实心钢管混凝土的优点外，还具有自重轻、刚度大的优点。由于内钢管受到混凝土的保护，还具有良好的耐火性能［3］。
6结束语
钢管混凝土结构在冶金工业建筑中的应用不仅有着广泛的前景，而且具有良好的经济效益。诚然，钢管混凝土结构还存在着构件间连接复杂、混凝土施工质量不容易保证等缺点，但其在工业建筑教育期刊中的应用前景已为越来越多的工程师们所认识，并不断在实践中创造出良好的社会效益和经济效益。
作者：王涛 单位：中冶东方工程技术有限公司建工所
