钢管混凝土结构性能与应用研究

基于结构力学理论角度，钢管混凝土结构突破了常规单一材料构件性能限制。钢管在三向受压时对核心混凝土产生约束效应有效地改善混凝土脆性特征，而混凝土对钢管起到侧向支撑作用，避免局部屈曲。这一力学性能协同优化机制为结构的设计提供了一种更为宽广的思路。在实际工程应用当中，不管是超高层建筑竖向承重构件还是大跨度桥梁拱肋结构均表现出钢管混凝土特有的技术和经济优势。然而，在地震和火灾这些极端工况下的力学响应规律及性能提升策略还需要进行系统的研究。

一、钢管混凝土结构性能

（一）力学性能

钢管混凝土结构是钢材与混凝土 2 种材料的有机组合，表现出了优良的力学性能。在抗压性能方面，钢管在核心混凝土中起约束作用并形成套箍效应显著增强混凝土抗压强度及变形能力[1]。研究表明，钢管混凝土的轴心抗压强度相比素混凝土有大幅提升，以常用的 C40 混凝土和 Q345 钢材组合为例（见表 1），钢管混凝土轴心抗压强度可高达素混凝土 2-3 倍。从受弯性能来看，钢管混凝土结构塑性铰区得到了较充分地发展，使结构延性较好，极限弯矩较相同条件钢梁或者混凝土梁得到了显著提高，能有效地抵抗更大弯矩。就抗剪性能而言，钢管和混凝土共同工作并分担剪力，抗剪承载力随之提高。

钢管混凝土结构耐久性受到很多因素的影响，但是总体上性能较好。钢材进入钢管混凝土中因受核心混凝土保护而减少了与外界环境直接接触而减少锈蚀危险。同时混凝土碱性环境还能保护钢材，使其腐蚀速率大幅度降低。对混凝土局部而言，钢管约束作用制约混凝土收缩与裂缝开展，增强混凝土抗渗性与抗冻性。相关试验数据显示（见表 2），在相同的冻融循环次数下，钢管混凝土中混凝土的质量损失率和强度损失率均低于普通混凝土，有效延长了结构的使用寿命。

（三）施工性能

钢管混凝土结构在建设中有其特有的优点。钢管自身可以作为模板用于混凝土浇筑，减少模板支设及拆除过程，节约工期及费用支出。同时钢管在施工阶段可起到承重结构作用，方便施工人员对上部结构施工作业。浇筑混凝土时可以通过泵送混凝土来提高施工效率。相较于传统的钢筋混凝土结构，钢管混凝土结构的施工周期可以缩短大约 20%～30% ，而且在施工过程中对现场施工条件的要求也相对较低，即使在一些复杂的场地，也能很好地进行施工。

二、钢管混凝土结构应用

（一）高层建筑领域

高层建筑中钢筋混凝土结构由于具有力学性能好、截面尺寸小等特点，可以有效地提高建筑物使用空间的利用率。在城市土地资源日趋紧张的情况下，高层建筑高度及层数越来越多，这对于结构承载能力及稳定性提出了更高的要求。钢管混凝土柱凭借其超高的抗压强度和良好的延性，可承受巨大的竖向荷载和水平荷载（如风力、地震力等），满足超高层写字楼和酒店建筑等对结构稳定性和安全性的严格要求[2]。

与传统的钢筋混凝土柱相比，使用钢管混凝土柱可以将柱的截面面积减少 30%～40% 。在同等建筑面积内，有效地拓展了建筑物内部空间，既优化了建筑物空间布局，增加了室内使用面积及舒适度，又增强了其商业价值及经济效益。另外，钢管混凝土结构具有较好的延性，使得它能在地震中吸收大量能量，提高建筑物抗震性能，并且在地震高发区，对人与财产安全有更加可靠的保证。

（二）桥梁工程领域

桥梁工程中常采用钢管混凝土结构来建造拱桥及一些梁桥。钢管混凝土拱桥以钢管混凝土拱肋为主体承重结构，借助钢管混凝土抗压性能好、强度重量比大等特点，可以跨越更大跨度。相较于传统的钢筋混凝土拱桥，钢筋混凝土拱桥能够将结构的自重降低大约 20%～30% 。减轻结构自重直接减小下部基础承担的荷载，进而减小下部基础工程规模及造价，对某些跨江，跨海大型桥梁工程经济优势显著。

梁桥上的桥墩及梁部结构可以采用钢管混凝土结构。本申请在桥墩上可以提高桥墩承载能力及稳定性，从而较好地承担上部结构所传递荷载；

本申请用于梁部结构，能够增强桥梁整体刚度及耐久性，降低桥梁长期服役期间维护成本并延长其使用寿命。尤其在交通流量较大，重载车辆较多的大桥上，钢管混凝土结构具有更加显著的优越性。

（三）工业建筑领域

在工业建筑当中，钢管混凝土结构主要应用于某些对于空间以及承载能力都有很高要求的工厂以及仓库当中。以某重型机械制造厂房为例，经常需要设置大型机械设备并配备经常作业吊车，这就对厂房结构承载能力有着极高的要求。钢管混凝土柱以其较强的承载能力可以承受大型设备荷载及吊车运行荷载等作用，确保厂房结构长期运行的稳定[3]。

其截面尺寸较小，也可为厂房内设备布置，生产操作等提供一个较为宽敞的场所。工业生产过程中，合理的设备布局以及畅通的生产流程对于生产效率的提升非常重要，而钢管混凝土结构则可以满足这一要求。除此之外，钢管混凝土结构施工快捷，能够满足工业建筑迅速建设和投产的要求。对企业而言，缩短建设周期就意味着可以更快投产，占领市场先机，增加企业经济效益与竞争力。

三、结语

钢管混凝土结构在钢材和混凝土协同作用下，力学性能得到优化和改善，并在建筑，桥梁和工业中表现出明显的技术经济性和工程适用性。其新颖的材料组合模式给结构设计带来了新的思路，并有效地兼顾承载能力，空间利用和施工效率。今后，还需要进一步加深其极端环境性能的研究，不断完善理论体系，促进这类结构在复杂工程场景下得到广泛的应用，从而更好地适应现代工程中对于安全性的要求、耐久性和经济性等多元需求推动了结构领域技术进步和可持续发展。

参考文献

[1]张龙泉,白嘉淇,陈汇颖.钢管混凝土结构性能与应用研究[C]//北京力学会.北京力学会第三十一届学术年会论文集.中国矿业大学(北京)；,2025:585-588.

[2]王凡,吴建林,董朝阳.小截面钢管混凝土浇筑技术探究与应用分析[J].城市建设理论研究(电子版),2024,(18):99-101.

[3]宋德庆.钢管混凝土柱内置拉筋结构性能研究[J].科学技术创新,2024,(05):154-157.