簡論鋼管砼柱特點(diǎn)及其在住宅建筑中的應(yīng)用

王向東

【摘 要】鋼管砼柱就是在鋼管中澆筑素砼后形成的組合構(gòu)件。它在施工時省去了支模、拆模工序，具有承載力高、整體剛度和延性高、抗震性能好、施工簡單易行和工期短等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁、工業(yè)廠房、設(shè)備構(gòu)架和多層、小高層和高層住宅建筑中，富有優(yōu)越的力學(xué)性能和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】鋼管砼；剛度和延性；三向受力狀態(tài)；住宅建筑

1 鋼管砼的特點(diǎn)

鋼管砼柱就是在鋼管中澆筑素砼后形成的組合構(gòu)件，最適用于軸心受壓構(gòu)件。它具有以下幾個特點(diǎn)。

1.1 構(gòu)件的承載力大大提高

外鋼管使其內(nèi)部的砼在軸心受力的狀態(tài)下處于三向受壓，延緩了砼的縱向開裂，使砼的抗壓強(qiáng)度大大提高；而填充于鋼管內(nèi)的砼又保證了薄壁鋼管的局部穩(wěn)定性。試驗(yàn)和理論分析證明，圓形鋼管砼受壓構(gòu)件的承載力可達(dá)到鋼管和砼單獨(dú)承載力之和的1.7～2.0倍。

1.2 構(gòu)件整體剛度和延性提高，抗震性能好

核芯砼由于鋼管的約束，不但使用階段的彈性模量有所提高，而且破壞時也出現(xiàn)了很大的塑性變形，表現(xiàn)出良好的塑性和韌性。

1.3 經(jīng)濟(jì)效果顯著

與鋼柱相比，可節(jié)約鋼材50%，降低造價約45%；與鋼筋砼柱相比，在承載力相同條件下，可節(jié)約砼70%，減少自重70%，節(jié)省模板100%。

1.4 施工簡單易行，縮短工期

因?yàn)殇摴茼帕慵?、焊縫短，且柱腳構(gòu)造簡單，再加上可成功應(yīng)用高位拋落、無振搗自流平砼及泵送施工，施工速度快且質(zhì)量也能得到保證。

因此，鋼管砼以它的輕巧、經(jīng)濟(jì)，良好的抗震性能和簡單易行的施工方法，不僅被廣泛應(yīng)用于橋梁、工業(yè)廠房、設(shè)備構(gòu)架等結(jié)構(gòu)中，而且也廣泛應(yīng)用于多層、小高層和高層住宅建筑中。采用鋼管砼后，柱的抗壓和抗剪能力大大提高，柱截面大大減小，擴(kuò)大了房屋的使用空間，而且，由于自重的減輕，更有利于抗震，還可降低地基基礎(chǔ)的造價。鋼管砼柱的鋼管壁較薄，一般不超過40mm，施工簡便且質(zhì)量有保證。

鋼管砼柱的鋼管由鋼板卷焊而成，可以是直縫形或螺旋形焊接鋼管；鋼管的厚度一般為直徑的1/100～1/70；鋼管可以2～3層高為一個安裝單元，長度為6～10m一段。鋼管的長細(xì)比L0/D一般不宜超過50，式中L0為柱的計(jì)算長度，由其支承方式按計(jì)算確定，D為鋼管柱的外徑；當(dāng)采用少量巨型鋼筋砼柱支承整個結(jié)構(gòu)時，通常應(yīng)在柱間加X形鋼支撐（剪刀撐）或隔若干層做水平桁架，以提高建筑的空間整體性。

鋼管砼中的砼強(qiáng)度等級一般不應(yīng)低于C30，實(shí)際上，在工程施工中為減小柱的截面尺寸、提高承載力，普遍使用高等級的砼，而且，為了提高砼的強(qiáng)度等級，在常規(guī)砂石中可摻加一定量硅粉，也可摻入塑化劑，增加塌落度到150mm以上，拌制成自流平砼，澆筑時不必振搗，也能確保其密實(shí)度。

2 鋼管砼的研究現(xiàn)狀

根據(jù)史料記載，最早采用鋼管砼施工工藝的結(jié)構(gòu)是1879年英國的賽浮爾鐵路橋的橋墩，當(dāng)時考慮在鋼管里充填砼的想法是：在砼承受壓力的同時，還可以防止鋼管內(nèi)壁生銹；早期的研究不考慮鋼管與核芯砼之間的相互依存、共同受力對構(gòu)件承載力的提高效應(yīng)，只是對兩者的受力進(jìn)行簡單的疊加。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)鋼管砼在受力過程中，由于鋼管對砼的約束作用使砼處于復(fù)雜的三向受力狀態(tài)，從而使砼的抗壓強(qiáng)度得到極大提高，塑性和韌性也大為改善，同時，由于砼的存在，也提高了作為鋼管砼整體的構(gòu)件剛度和穩(wěn)定性，有效避免或延緩了鋼管發(fā)生壓屈現(xiàn)象，使其具有優(yōu)越的力學(xué)性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

對鋼管砼力學(xué)性能的研究存在各種不同的研究方法，如實(shí)驗(yàn)系數(shù)回歸法、極限狀態(tài)分析法以及纖維模型法和有限元法等的數(shù)值解析法，它們之間的區(qū)別在于如何估算鋼管與砼之間的相互作用，以及這種約束作用對改善和優(yōu)化其力學(xué)性能究竟能起多大影響。由于研究者從不同角度對上述問題進(jìn)行研究，對鋼管對核芯砼的緊箍效應(yīng)理解不同，因此所采用的計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果就會有出入；各國研究者分別對鋼管砼構(gòu)件在靜力、動力、火災(zāi)等作用下以及鋼管砼與鋼梁或鋼筋砼梁組成的框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，均已取得了階段性的研究成果，有的國家已把這些成果應(yīng)用到工程實(shí)踐中，并且在此基礎(chǔ)上分別制訂了鋼管砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程，比如歐洲的EC4（1996）、DIN18800（1997），美國的ACI-319-89、LRFD（1994），日本的AIJ（1980，1997）等。我國是在上世紀(jì)60年代才開始研究鋼管砼的，主要是在鋼管中澆筑中等強(qiáng)度等級砼，雖然起步較晚，但發(fā)展速度較快，特別是近十幾年，取得了令人矚目的成就，已先后頒布了幾個設(shè)計(jì)規(guī)程，如JGJ01-89、CECS28：90、KL/T5085-1999和GJB1029-2001，這些規(guī)程的制訂和實(shí)施，拉開了鋼管砼在我國建筑業(yè)中廣泛應(yīng)用的序幕。

3 鋼管砼在住宅建筑中的應(yīng)用

我國自20世紀(jì)60年代起開始把鋼管砼應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑中，隨著理論研究的深入和建筑科技的發(fā)展，以及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和施工質(zhì)量驗(yàn)評標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，鋼管砼結(jié)構(gòu)被越來越多地應(yīng)用于單層和多層工業(yè)廠房柱、設(shè)備構(gòu)架柱、各種構(gòu)架、棧橋柱、地鐵站臺柱、送變電站塔架桿、基樁、空間結(jié)構(gòu)等，近十年又被廣泛應(yīng)用于橋梁柱、高層和超高層建筑中，特別是近幾年，鋼管砼被越來越多地應(yīng)用于多層、小高層和高層建筑中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。此外，由于我國鋼鐵產(chǎn)量大幅度增加，世界的鋼產(chǎn)量也日趨飽和，鋼材價格也隨之下降，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，開發(fā)商大量采用鋼結(jié)構(gòu)建筑以謀取利潤最大化就成為必然趨勢，我國建設(shè)主管部門也開始大力推廣鋼管砼結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)建筑，并為此制訂了加速推廣建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展和應(yīng)用的規(guī)劃目標(biāo)，確定在“十二五”期間以推廣應(yīng)用鋼管砼結(jié)構(gòu)住宅建筑為重點(diǎn)，力爭在“十二五”期間使我國建筑鋼結(jié)構(gòu)（含鋼管砼結(jié)構(gòu)）用鋼量達(dá)到全國鋼產(chǎn)量的3%，到2020年達(dá)到6%；住宅建筑歷來都是建筑業(yè)的主業(yè)，因此，在住宅建筑中推廣應(yīng)用鋼管砼結(jié)構(gòu)勢在必行。

住宅鋼結(jié)構(gòu)有低層、多層和高層之分，3層以下為低層，現(xiàn)在很少有人建造；9層以下為多層，以上為高層，9～12層為小高層，13～30層為高層，31層或總高100米以上為超高層。住宅鋼結(jié)構(gòu)考慮到抗震需要，一般不超過12層，考慮到我國人口眾多、土地資源相對緊缺，城鎮(zhèn)居民對住宅的需求也在不斷增長，所以宜發(fā)展多層和小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑；但在人口密度相對較大的大中城市，仍然以高層住宅建筑為主。住宅鋼結(jié)構(gòu)具有柱子用量較少，室內(nèi)有效使用空間大、房間布置靈活、結(jié)構(gòu)性能好等優(yōu)點(diǎn)，所選擇的結(jié)構(gòu)體系大致是：5～6層以下為框架或框架-剪力墻體系；6層以上為框架剪力墻或框架簡體結(jié)構(gòu)體系；多層建筑則多采用框架體系。鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑采用的框架柱有H型鋼柱、鋼管砼柱和鋼骨砼柱（以型鋼代替鋼筋骨架所形成的鋼骨砼結(jié)構(gòu)柱），后兩種也稱鋼與砼組合柱。在小高層建筑中，鋼骨砼柱的施工較鋼管砼柱要復(fù)雜得多，因此，在住宅鋼結(jié)構(gòu)中推廣鋼管砼的優(yōu)勢較大。

在高層住宅樓建筑中，鋼管砼柱具有很大的優(yōu)勢：它承載力高、抗震性能好、無需支模拆模等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，既可取代鋼筋砼柱，解決高層建筑結(jié)構(gòu)中普通鋼筋砼框架（底層）柱“肥胖”的問題和高強(qiáng)度鋼筋砼柱的脆性破壞問題，也可以取代鋼結(jié)構(gòu)體系中的型鋼柱，以減少鋼材用量，提高結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)移剛度。鋼管砼柱的自重相對較輕，可以減小基礎(chǔ)的承載壓力，降低基礎(chǔ)部分造價。全部采用鋼管砼柱的建筑工程可以采用“逆作法”或“半逆作法”進(jìn)行施工，從而可大大縮短施工工期；鋼管砼柱的鋼材厚度較小，取材方便、價格也較低，因此經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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