淺談鋼管混凝土在建筑工程中的應(yīng)用與發(fā)展

譚夏墉

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

鋼管混凝土（concrete-filled steel tubular，縮寫為CFST）具有承載能力高、抗震性能突出的力學(xué)特點，被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中[1]。隨著社會發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，超高層、超大跨逐漸成為建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，CFST因其力學(xué)性能優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)效益好、施工便捷等因素[2]，進(jìn)一步受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并得到更深入的應(yīng)用和研究。

1 CFST材料的力學(xué)性能及特點

CFST是指在鋼管中填充混凝土所形成的組合材料，如圖1所示。其中鋼管與混凝土共同承擔(dān)荷載并協(xié)同工作，充分發(fā)揮鋼管和混凝土各自的優(yōu)勢，并相互彌補(bǔ)對方的缺陷。CFST構(gòu)件的承載力相較于鋼管和混凝土各自獨立承載時有所提高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可優(yōu)化截面尺寸，提高空間的利用率。

圖1 鋼管混凝土構(gòu)件

CFST構(gòu)件在承受壓力時，鋼管對核心混凝土產(chǎn)生約束，限制混凝土的橫向變形而形成套箍作用，使核心混凝土處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，提高核心混凝土的峰值應(yīng)力和延性，改善混凝土的力學(xué)性能；當(dāng)核心混凝土局部開始被壓碎時，由于套箍作用的存在，鋼管會出現(xiàn)局部鼓曲，但構(gòu)件整體的承載力仍未達(dá)到極限，并且在構(gòu)件達(dá)到極限承載力后，承載力下降得較為平緩，CFST構(gòu)件相較于鋼筋混凝土構(gòu)件延性更好；同時，鋼管在核心混凝土的支撐下，穩(wěn)定性得到提升，受壓時能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度。反復(fù)水平荷載作用下，CFST柱具有飽滿的滯回曲線和良好的變形能力[3]，抗震性能遠(yuǎn)優(yōu)于鋼筋混凝土柱。在施工過程中，鋼管作為混凝土的澆筑模板使用，可大大縮短施工工期，提高建筑綜合經(jīng)濟(jì)效益。

2 CFST在建筑工程中的應(yīng)用

2.1 CFST在民用建筑中的應(yīng)用

CFST柱常被應(yīng)用于超高層建筑中，與鋼筋混凝土核心筒組成框架核心筒結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮優(yōu)異的力學(xué)性能。在超高層建筑中，豎向構(gòu)件承擔(dān)的荷載極大，CFST的抗壓性能被充分利用，鋼筋混凝土內(nèi)筒和CFST外框架協(xié)同作用，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。超高層建筑的核心筒可在底部加強(qiáng)區(qū)布置圓鋼管形成CFST剪力墻，提高筒體的延性和承載力[4]。

地鐵站、地下商業(yè)街等地下空間，會承受較大的豎向荷載，采用CFST柱可減小截面，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力。CFST施工較為便利，在地下空間逆作法施工中常被采用，縮短施工工期，提高工程綜合經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 CFST在工業(yè)建筑中的應(yīng)用

傳統(tǒng)工業(yè)廠房通常采用鋼筋混凝土柱作為豎向構(gòu)件，一般具有跨度大的特點，并且需要與吊車梁、柱間支撐等構(gòu)件相連，這使豎向構(gòu)件的截面尺寸較大，影響空間使用率。CFST柱，具有承載能力高以及延性好的特點，可在大跨度廠房中使用，與同等承載力的鋼柱相比，可大幅降低鋼材用量，節(jié)約成本。

對于高聳工業(yè)建筑，如水塔和風(fēng)電機(jī)組塔筒，以鋼管作為模板，在其中澆筑混凝土可大大降低工程的施工難度，加快工程推進(jìn)速度。

2.3 CFST在橋梁建筑中的應(yīng)用

拱橋是一種以拱肋作為主要承重構(gòu)件的橋梁建筑，在自重和車輛行人等豎向荷載作用下，拱肋以承受軸向力為主，因此拱肋的承載能力在一定程度上決定了拱橋的跨度。CFST拱橋以CFST作為拱肋的材料，多采用圓形、矩形和啞鈴型截面，充分發(fā)揮CFST優(yōu)越的抗壓性能。在短短三十年間，CFST拱橋的跨度迅速提升，目前已突破500m。

在橋梁工程中，上部結(jié)構(gòu)荷載通過橋墩傳向基礎(chǔ)，橋墩需要承受巨大的壓力，并且相較于上部結(jié)構(gòu)，橋墩極易受到地震作用而被破壞。因此，橋墩不僅需要具有極高的抗壓承載力，還需要有較好的延性和抗震能力。CFST橋墩不僅具備承載力高、延性及抗震性能好的特點，并且施工方便、工程造價低，值得大力推廣。

3 CFST在工程實踐中面臨的問題

3.1 核心混凝土脫粘脫空

CFST構(gòu)件是通過鋼管約束核心混凝土的橫向變形產(chǎn)生套箍作用，使鋼管和混凝土能協(xié)同工作，以此改善構(gòu)件的力學(xué)性能。但在實際工程中發(fā)現(xiàn)，部分CFST構(gòu)件存在鋼管和混凝土之間產(chǎn)生空隙或孔洞的情況，這種情況稱為脫粘脫空。當(dāng)CFST構(gòu)件出現(xiàn)脫粘脫空后，鋼管和核心混凝土無法完全接觸，套箍作用減弱，構(gòu)件的承載力和延性均受到影響。

導(dǎo)致CFST構(gòu)件產(chǎn)生脫粘脫空現(xiàn)象的原因復(fù)雜，主要分為以下幾個方面：

（1）核心混凝土在硬化和使用過程中會出現(xiàn)收縮和徐變，導(dǎo)致混凝土的體積減小，鋼管和混凝土在相接面處發(fā)生分離。

（2）傳統(tǒng)施工工藝存在缺陷以及排氣孔設(shè)計不合理等原因，會導(dǎo)致在澆筑混凝土?xí)r，部分空氣無法排出，混凝土硬化后在管內(nèi)形成空腔，鋼管和核心混凝土無法完全接觸。

（3）當(dāng)構(gòu)件所處環(huán)境溫度變化較大時，鋼管和混凝土?xí)a(chǎn)生較大溫差，這將導(dǎo)致鋼管和混凝土的徑向變形不一致。如受到陽光直射后，構(gòu)件受熱膨脹，鋼管的溫度遠(yuǎn)高于混凝土的溫度，混凝土相較于鋼管的徑向變形更小，導(dǎo)致混凝土脫粘脫空現(xiàn)象。

核心混凝土脫粘脫空現(xiàn)象普遍存在于已建成的建筑結(jié)構(gòu)中，如何防止CFST構(gòu)件出現(xiàn)脫粘脫空現(xiàn)象，以及如何對已出現(xiàn)脫粘脫空現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的評估和修復(fù)，是近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點問題之一。

3.2 尺寸效應(yīng)顯著

鋼管對核心混凝土的套箍作用與鋼管和混凝土的材料強(qiáng)度、面積以及截面形式等因素有關(guān)，具有顯著的尺寸效應(yīng)。目前，我國學(xué)者主要以套箍系數(shù)ξ體現(xiàn)鋼管對混凝土的套箍作用，套箍系數(shù)ξ的定義如下：

式中：As和Ac分別是構(gòu)件橫截面上鋼管和混凝土的面積；fy是鋼材的屈服強(qiáng)度；fck是混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

我國學(xué)者在大量試驗分析的基礎(chǔ)上，研究確定套箍系數(shù)ξ和構(gòu)件承載力之間的關(guān)系，并由此建立我國現(xiàn)行的鋼管混凝土計算理論體系。然而，以往試驗大多采用縮尺模型或小尺寸模型，本文收集到部分學(xué)者進(jìn)行的圓形CFST構(gòu)件試驗數(shù)據(jù)，構(gòu)件截面尺寸如表1所示。

表1 圓形CFST試件截面尺寸

從表1中可見，本文收集到的一千多個試驗構(gòu)件截面直徑最大為600mm，而我國在實際建筑工程中所使用的圓形CFST構(gòu)件截面直徑最大已超過2m。由于CFST構(gòu)件的尺寸效應(yīng)顯著，且目前缺乏對大尺寸構(gòu)件的研究，現(xiàn)有的理論體系是否仍適用于大尺寸CFST構(gòu)件是一個值得進(jìn)一步探討的問題。

4 CFST的發(fā)展與研究方向

隨著CFST材料在建筑工程中的興起，越來越多學(xué)者對其開展研究。近年來，除了圓形和方形等CFST構(gòu)件常見截面形式外，為了滿足建筑要求以及更好地發(fā)揮CFST的力學(xué)性能，十字形、L形和T形等異形截面形式也開始出現(xiàn)在建筑工程中；通過在外鋼管內(nèi)加入肋板、箍筋和型鋼，進(jìn)一步提高CFST構(gòu)件的強(qiáng)度和延性；同時，不同截面形式的CFST構(gòu)件之間相互連接的節(jié)點，以及與鋼構(gòu)件、鋼筋混凝土構(gòu)件連接節(jié)點的力學(xué)性能也被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注[5]；為了完善CFST構(gòu)件的計算理論，大尺寸CFST構(gòu)件的力學(xué)性能開始被各國學(xué)者所關(guān)注并研究；自密實混凝土、真空輔助灌注工藝和二次灌漿等新材料和新施工技術(shù)的應(yīng)用，為解決CFST在施工過程中出現(xiàn)的脫空問題提供解決方法，保證澆筑質(zhì)量。

5 結(jié)語

CFST具有突出的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性，已在各類建筑工程中被廣泛采用。隨著CFST在建筑工程中的應(yīng)用不斷增多，伴隨而來的是設(shè)計、施工和使用過程中出現(xiàn)的諸多問題。為了解決這些問題，國內(nèi)外學(xué)者開展大量研究，并完善計算理論體系和施工方法，使CFST在建筑工程中得到進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。