矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用研究

韓衛(wèi)國　王芙蓉

摘要：闡述了矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工作機理，探討了矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層建筑中的特點，提出了在設(shè)計和施工中應(yīng)注意的主要問題，以供借鑒推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；工作機理；特點；主要問題

中圖分類號：TU398.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）06-59-01

前言

近幾十年來，伴隨我國經(jīng)濟與建設(shè)事業(yè)迅速發(fā)展，鋼管混泥土在樁、大跨度和空間結(jié)構(gòu)、商業(yè)廣場、多層辦公樓和住宅、高層和超高層建筑以及橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益增多，發(fā)展驚人。矩形鋼管混泥土構(gòu)件組成框架剪力墻應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)中是時下較先進的結(jié)構(gòu)體系，由于矩形鋼管混泥土結(jié)構(gòu)承載力高、塑性及韌性好、易施工、耐火陛及經(jīng)濟效果好等特點而深受各建筑設(shè)計師及施工人員青睞。

1.矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工作機能

在矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，矩形鋼管內(nèi)澆筑的混凝土對鋼管壁具有約束作用，可以防止鋼管發(fā)生向內(nèi)側(cè)的屈曲，提高了鋼管壁的受壓屈曲承載力，同時矩形鋼管對內(nèi)部填充的混凝土也具有一定的側(cè)向約束作用，能提高混凝土的抗壓強度，矩形鋼管相對于圓形截面鋼管混凝土約束效應(yīng)較弱，受壓承載力提高的程度較低，與梁之間節(jié)點連接構(gòu)造比較簡單，便于施工，因此，矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不但具有良好的工作性能而且也具有優(yōu)越的使用和施工性能。

2.矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點

將矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層建筑中的框架柱，除承載力高之外還具有以下特點：

（1）承載力高，延性大，柱截面小。矩形鋼管混凝土柱具有較大的抗彎、抗剪截面，相對于鋼筋混凝土柱具有較大的延性和較高的強度，同時構(gòu)件中不受含鋼率的限制。

（2）矩形鋼管對混凝土可起到與箍筋相似的約束作用。能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的抗剪承載力，

（3）施工方便。矩形鋼管在施工過程中可間作柱的摸板和臨時支撐，節(jié)省了材料和人工，鋼管內(nèi)的混凝土可以多層一次澆筑，使施工過程更加方便、快捷。

（4）矩形鋼管混凝土可以在柱內(nèi)外采用不同等級的混凝土。柱內(nèi)用高等級混凝土以發(fā)揮其抗壓性能，而梁板可以采用強度較低等級的混凝土，從而避免了將梁、板混凝土等級無謂提高的缺點，降低了成本。

（5）矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點形式簡單，外形規(guī)整，有利于滿足建筑要求，施工時容易處理，矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件間的交貫線處于一個平面內(nèi)，便于制作和安裝，應(yīng)用于框架和桁架結(jié)構(gòu)中在成本和施工速度上具有較大的優(yōu)勢。

（6）防火耐火性能好。矩形鋼管混凝土的耐火性比鋼結(jié)構(gòu)好，由于鋼管內(nèi)填有混凝土，能吸收大量的熱能，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低、比熱大，因此，遭受火災(zāi)時管柱截面溫度場的分布很不均勻，越到中心溫度越滯后，增加了柱子的耐火時間。

（7）抗震性能優(yōu)越。矩形鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，?gòu)件的延性性能明顯改善，耗能能力大大提高，抗震性能優(yōu)越于鋼柱和鋼筋混凝土柱。

3.矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑的設(shè)計和施工中應(yīng)注意的主要問題

（1）矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于兼有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的特點，所以按《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECSl59：2004）設(shè)計的同時，還應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）、《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018-2002）和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2012）等規(guī)范規(guī)程的要求。其中荷載組合、荷載標準值、荷載分項系數(shù)、荷載組合系數(shù)等應(yīng)符合《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECSl59：2004），當(dāng)遇到該規(guī)程未規(guī)定的情況，應(yīng)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）的規(guī)定采用。在抗震設(shè)防區(qū)還應(yīng)符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）的規(guī)定。

（2）矩形鋼管混凝土承重構(gòu)件的鋼管材料，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性、荷載特征、應(yīng)力狀態(tài)、鋼材厚度、連接方法、環(huán)境條件等因素合理選取牌號和質(zhì)量等級，對采用冷成型或由冷彎型鋼焊接組成的矩形鋼管，當(dāng)鋼管截面板件尺寸符合全截面有效條件時，可根據(jù)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018—2002）的規(guī)定選取冷彎效應(yīng)后的強度設(shè)計值。

（3）矩形鋼管混凝土構(gòu)件在正常使用階段應(yīng)處于彈性階段，設(shè)計中需要滿足承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求，除此之外，尚應(yīng)對空鋼管在施工階段的強度、穩(wěn)定性和變形進行驗算，施工階段的荷載主要包括濕混凝土的重量和實際可能作用于鋼管的施工荷載，施工階段的驗算可依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）和相關(guān)的參考資料。

（4）為保證混凝土澆筑的密實性，并利于火災(zāi)時混凝土內(nèi)部水蒸氣的排除，在每層矩形鋼管混凝土柱下部的管壁上應(yīng)對稱開兩個直徑20mm的排氣孔。

（5）為便于在鋼管內(nèi)澆筑混凝土，矩形鋼管混凝土構(gòu)件的截面最小邊長不宜小于100mm，為防止?jié)仓炷習(xí)r引起鋼管外鼓變形，管壁厚度不宜小于4mm，同時，截面的高寬比不宜大于2，當(dāng)有可靠依據(jù)時，其限值可適當(dāng)放寬當(dāng)矩形鋼管混凝土的最大截面邊長大于等于800mm時，可通過在鋼管內(nèi)壁上焊拴釘或設(shè)置縱向加勁肋等構(gòu)造措施來增強其與混凝土的共同工作能力，防止鋼板的屈曲失穩(wěn)。

4.結(jié)束語

矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于它具有良好的受力性能和施衛(wèi)陛能、能提高建筑品位縮短施工工期，是具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N結(jié)構(gòu)形式，其適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)大跨而高聳的需要，近年來，被廣泛地應(yīng)用于各類工業(yè)廠房柱、各種支架、高層和超高層建筑以及橋梁結(jié)構(gòu)中，并取得了良好的經(jīng)濟效益和建筑效果。雖然矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有較多的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中還存在一些亟待解決的問題，如設(shè)計理論設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)形式與布置等還需我們繼續(xù)深入研究探討進行完善，進而促進其更好的推廣與發(fā)展。