淺談鋼管混凝土構件的應用

莫磊

（山東綠城青和建筑設計有限公司，山東青島 266000）

1 鋼管混凝土構件

鋼管混凝土主要指將鋼管中以現(xiàn)澆混凝土進行填充而制作出來的結構構件。鋼管混凝土構件的發(fā)展前景極為寬闊，它憑借著自己的優(yōu)勢，被大批量使用于工業(yè)廠房、高層及超高層建筑、橋梁工程和地下結構等高層、大跨及承受復雜環(huán)境要求的現(xiàn)代工程中，在經濟性和建筑效果兩個方面與其他結構形式相比有明顯優(yōu)勢。最近幾十年間，隨著鋼管混凝土構件的結構受力分析理論及其相關結構的設計方法的研究也趨于成熟理論不斷成熟，這種結構形式有了日益增長的應用。

鋼管混凝土構件作為主體支撐構件具有截面承載力高、塑性和材質柔韌度好、施工方便的特點，與其他鋼筋混凝土構件相比，鋼管混凝土柱的鋼管可作為混凝土的封閉箍筋和澆筑模板，用來取代鋼筋支模和其他拆模施工步驟、耐火腐蝕性能好、經濟實用效果佳等諸多優(yōu)點。常見該類型組合構件的橫截面形狀主要包括圓、方、矩、環(huán)等。

在實際的結構中，根據鋼管混凝土構件中鋼管所能夠發(fā)揮的功能，鋼管混凝土構件又大致可以劃分為鋼管混凝土柱和鋼管約束混凝土柱。前者是指在加載初期，鋼管與混凝土同時承擔加載的荷載；后者是指在承受荷載時，只有一個核心的混凝土能起到承擔荷載的功能，鋼管僅僅起到了約束混凝土。在實踐工程中，以及各種類型的圓、正方形截面和矩形截面為特征的鋼管混凝土結構被普遍采用。本文主要對鋼管混凝土柱進行介紹。

2 鋼管混凝土柱的特點

鋼管混凝土主體構件是利用加載工藝過程中鋼管與混凝土之間的相互作用原理，同時充分發(fā)揮了傳統(tǒng)鋼管和混凝土兩種主體結構材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)了“1+1>2”的效果，即鋼管在混凝土外圍形成約束作用，使其在三向受壓時產生較大的受力情況，從而增加了主體結構的核心混凝土正截面受壓強度，提高了它們的塑性和韌性。與此同時，混凝土也可以有效地改善外部鋼管局部的受力模式，盡可能避免受壓產生屈曲，讓其能夠充分發(fā)揮材料的動力學特性。已有的實驗研究結果可以有效說明，鋼管混凝土組合構件的承載力明顯大于對應尺寸的空心鋼管構件和混凝土構件承載力之和。除此之外，鋼管和混凝土的組合可以有效改善構件的延性，二者之間的相互影響使得內部混凝土的損傷和破壞形態(tài)已經從脆性皮損傷轉變成了可塑性的破壞，同時，該組合構件的消耗能力也得到了很大提高，抗震能力明顯提高[1]。

下文以軸壓短柱為例，對鋼管混凝土柱的工作原理進行說明。

（1）初始施加荷載階段，即從施加的荷載開始直至混凝土發(fā)生裂縫時，荷載主要是由核心混凝土來承受，鋼管則要承擔一定的縱向壓應力，但數(shù)值很小。這個階段中，混凝土和鋼管的粘合作用未曾被遭到過嚴重破壞，二者之間的相互應力能夠正常地傳遞。

（2）隨著鋼管荷載的不斷加大，混凝土中微小的裂縫逐步向外延伸膨脹，鋼管內部仍然存在環(huán)向拉力及縱向應力。鋼管和鋼筋混凝土之間的粘結力已經遭受到了嚴重破壞，但是這表明二者之間依舊可以存在一定的橫向摩擦力。

（3）當混凝土的荷載持續(xù)地增大時，混凝土會因受到鋼管環(huán)向壓力的作用而使之處于三向應力的狀態(tài)，在鋼管中主要是存在環(huán)向應力。

（4）當荷載增大至鋼管屈服時，混凝土所受的壓力繼續(xù)增大，這時鋼管的約束力減小，鋼管中的壓力不變，而其環(huán)向變形卻迅速增大。鋼管屈服后，鋼管混凝土截面出現(xiàn)了應力重分布。

（5）當加載到鋼管混凝土構件破壞時，混凝土仍然是三向受壓的狀態(tài)，且出現(xiàn)了極限壓應變破壞。該結構鋼管處于管體縱向受壓，環(huán)向受拉的狀態(tài)。從其對荷載的直接加載再到對主體構件的直接破壞，鋼管和鋼筋混凝土的相互作用一直都存在。

下面對于鋼管混凝土結構特點進行了說明。在鋼管和混凝土結構中，鋼管的主要功能是約束混凝土，主要是環(huán)向拉力。這類構件主要適合于軸心受壓和較小偏心受壓的構件，不適用于受彎構件。且該類構件鋼管外露，存在著防銹、防腐蝕、防火性差等弱點。特別對于圓形截面的柱，當其與矩形截面的梁連接時，節(jié)點施工較為復雜。

3 鋼管混凝土的發(fā)展與研究

鋼管混凝土是在原有的勁性混凝土和螺旋配筋混凝土的應用技術基礎上不斷進行創(chuàng)新演變并逐步發(fā)展而來形成的，最早被廣泛應用于各種機械工業(yè)以及建筑工程中的橋梁柱子。20 世紀60—70 年代，Bode（1973）、Park （1969，1970）、Neogi 等（1969）、Virdi 和Dowling（1975）等來自國內外的學者對鋼管混凝土構件的力學性能開展了較為深入的研究。

20 世紀80 年代，研究員們主要針對鋼管和混凝土主體構件的抗震、防火性能、耐熱等特點展開了研究，也取得了一些成果。如Hass（1991）、Lie 和Chabot（1922，1990，1992）、Tomii（1980a，1980b） 等、Virdi 和Dowling（1980）等。

近幾十年來，國內外專家和學者們主要對不銹鋼管混凝土結構構件在長時間的荷載和動力作用下的力學特性和結構特點進行了深入的研究，并取得了一定的研究成果，如Morino 等（1996），Uy（2001a）、Sakino 等（1998），Shiiba 和Harada（1994）等。

除此之外，部分學者還針對在使用鋼管混凝土結構時鋼管的一些局部屈曲問題做出了更為深入的研究，以減少其對于構件整體動力學性能的損害，例如Mursi 和Uy（2003）、Uy（1998b，2000）等。

目前為止，國內外專家和學者在對于鋼管混凝土主體構件基本力學特性和其設計要求（主要包括靜力性能、動力學特性以及耐火腐蝕性能等）、主體構造與其施工工藝技術等各個方面進行了深入系統(tǒng)的研究，并已相對成熟，并發(fā)表了大量的研究成果和相關規(guī)范條文，國外成果如ACI318（2005）、AISC（2005）、AIJ（1997）等相關設計規(guī)程，國內研究成果如韓林海和鐘善桐（1996）、余勇等（2000）、韓林海（2000，2004）、《鋼管混凝土結構技術規(guī)程》DBJ13-51-2003（2003）等。隨著鋼管混凝土構件研究的不斷伸入，大量的工程實例出現(xiàn)并不斷投入使用，在我國的發(fā)展也邁上了嶄新的臺階。

4 鋼管混凝土的應用

鋼管混凝土主體結構建筑在20 世紀60 年代首次引入我國，到20 世紀80 年代中期被逐漸應用于我國的各種工程結構中。20 世紀80 年代以來，經過國內學者的努力，鋼管混凝土結構也得到了很大的提高和發(fā)展，主要表現(xiàn)為以下兩個方面：①擴大了其應用領域，應用于高層和超高層建筑，也逐漸應用于公路拱橋等領域，發(fā)展迅猛。②研究員采用理論和實驗兩種研究方法，不斷深入探索鋼管混凝土結構的力學性能和設計方法，理論體系逐漸形成并日趨成熟，實現(xiàn)了突破性的進展，形成了嶄新獨立的新學科[2]。

目前，對鋼管混凝土主體結構的研究已經趨于成熟，配合現(xiàn)代建筑施工設備和技術的應用，適合進行工業(yè)化發(fā)展推廣，根據其自身特點，其主要的應用領域為高層和超高層建筑、各類廠房柱、橋梁結構、空間結構等。下面會通過一些具體實例進行簡單說明。

4.1 高層和超高層建筑

自從1897 年美國設計師lally 在其建筑結構中就開始采用了一個橢圓型的鋼管混凝土支撐柱作為主要的承重構件，并申請了相關專利，該種組合結構已經擁有了百年歷史。這種組合結構從一開始便受到了歐洲各國建筑領域的廣泛關注，并且隨著泵灌混凝土技術等的迅速發(fā)展，鋼管混凝土結構也在歐洲各國的橋梁及高層建筑中起到了越來越重要的作用。

目前為止，鋼管混凝土結構在我國的發(fā)展已有四十余年。從八十年代起，隨著高層建筑和超高層建筑在我國的逐漸興起，研究員們就鋼筋混凝土柱因其占地面積過大的問題展開討論，進而逐漸引入承載力較高、占地面積較小且很大程度上能避免脆性破壞的鋼管混凝土柱。

圖1 為深圳的賽格廣場，該廣場建于1997 年，共71 層，含塔尖總建筑高度約355.8m，主體結構高度約為292m，目前是現(xiàn)在深圳的第三高樓。大樓在當年施工建造期間，在中國深圳已經創(chuàng)下了史無前例的每2.7天一層的及建設速度，也在當年先后獲得了“深十大明星樓盤”（1999 年）和“國家科技進步二等獎”（2000 年）的榮譽。賽格廣場建筑形式為框筒結構，其中框架柱和作為核心內筒的28 根密排柱都被設計為鋼管混凝土柱。到目前為止，這座公寓大樓也是世界上最高的一座完全采用鋼管鋼筋混凝土架構的高層建筑。

廣州綠地金融中心（圖2）的主塔樓主要包括辦公、餐飲及避難所等功能區(qū)。其中，主體塔樓是采用框架-核心筒的混合結構，外部的塔樓框架則采用了鋼梁和圓形的鋼管混凝土結構支撐柱，框架柱柱距為9m。

圖1 深圳賽格廣場

圖2 廣州綠地金融中心

4.2 單層和多層廠房柱

國內率先使用鋼管混凝土柱的大型重工業(yè)廠房工程項目為1975 年修建的單層工業(yè)廠房本溪鋼鐵公司鑄造錠模車間。該廠房主體結構采用鋼管混凝土四肢柱。該工廠的吊車間跨度設計為24m，柱高設計為15.8m，并且采用q=20/100t 和10/50t 的重級工作機構橋式吊車。

上海國棉31 廠的機修車間在建造過程中，因建筑內部空間過于狹窄，無法采用鋼筋混凝土柱，為了減少柱的占地面積，采用了鋼管混凝土柱，這也是我國第一個采用鋼管混凝土構件的多層工業(yè)廠房。此外，采用鋼管混凝土柱也大幅度節(jié)約了工期，使工程得以提前2個月竣工，這也充分證明了鋼管混凝土構件的優(yōu)點。

4.3 橋梁結構

根據其自身優(yōu)勢，鋼管混凝土在橋梁結構中有著明顯優(yōu)勢，這種新型鋼管鋼筋混凝土框架結構憑借著其結構材質堅硬強度高、施工方便、造型美觀3 大特點，該結構目前已在我國得到了廣泛應用。

1990 年9 月建成的中國四川旺蒼東河長江大橋不僅是目前為止我國第一座完全采用大型鋼管混凝土連續(xù)梁的大型拱橋（圖3），也是目前為止我國最早使用弗氏大型預應力結構作為橋梁支撐的大型橋梁結構。它的凈箱梁跨度為115m，橋梁結構形式為下承式鋼管混凝土預應力系桿拱橋，其橋梁矢度為1/6，全長248m。這座橋被當?shù)厝嗣穹Q為“彩虹橋”。其中，鋼管的拱肋結構是一種新型的復合建筑材料，在破壞荷載的作用下，鋼管不但可以起到縱筋的作用，而且可以對混凝土起到近似于螺旋箍筋的橫向約束作用，進而增強和提高建筑構件的承載力。同時，在建筑物的施工過程中，鋼管也具備勁性骨架的作用。

圖3 旺蒼東河大橋

5 鋼管混凝土的研究展望

隨著鋼管混凝土結構的廣泛應用和在現(xiàn)代建筑工程的實際應用需要，開始出現(xiàn)了一些新的鋼管混凝土結構形式，如中空鋼管夾層新型鋼管混凝土結構、以不銹鋼管代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼管的混凝土構件、FRP 約束鋼管混凝土柱、鋼管混凝土異形柱等。新的組合式結構各具特色，適用于不同類型的結構，也擴展了鋼管混凝土結構的應用范圍，例如中空夾層鋼管混凝土結構的回轉半徑較大可有效提高剛度、自重存在明顯優(yōu)勢且防火性能好，可廣泛應用于海洋平臺上的支撐梁和橋墩以及其他高層建筑物的大直徑梁[3]；FRP 約束鋼管混凝土柱（又稱CCFT）是通過外部約束對傳統(tǒng)的鋼管混凝土柱進行改善，具有更好的軸心抗壓承載力和抵抗變形的能力，同時基本避免了鋼管出現(xiàn)外部屈曲的可能[4]；不銹鋼管混凝土結構綜合了鋼管混凝土結構和不銹鋼的優(yōu)點，在某些對耐久性要求較高的結構如海洋平臺、跨海橋梁等工程中得到廣泛應用。目前，國內外學者對這些新型組合結構的研究已經取得部分成果，但還不夠深入，有必要對這些新型組合結構開展大量的實驗及理論研究，以推動該類構件在實際工程中的普及。