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關(guān)鍵詞；鋼管混凝土 高強混凝土 高屋建筑 大跨度橋梁 組合結構
 

鋼管混凝土就是由混凝土填入薄壁圓形鋼管而形成的組合結構材料.其基本原理是借助圓形鋼管對核心混凝土的套箍約束作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和壓縮變形能力。鋼管混凝土除具有強度高、重量輕、延性好、耐疲勞、耐沖擊等優(yōu)越的力學(xué)性能外，還具有省工省料、架設輕便、施工快速等優(yōu)越的施工性能^[1-4]。

從1897年美國人John Lally 在圓鋼管中填充混凝土作為房屋建筑的承重柱（稱(chēng)為Lally柱）并獲得專(zhuān)利算起，鋼管混凝土結構在土木工程中的應用已有百年歷史。鋼管混凝土優(yōu)越的力學(xué)性能和施工性能，一開(kāi)始就受到美歐各國土木工程界的重視，競相開(kāi)發(fā)利用。其間，開(kāi)展了大量的試驗研究工作，曾在一些廠(chǎng)房建筑、個(gè)別的多層建筑和立交橋以及特種結構工程中加以應用。但終因管內混凝土的澆灌工藝未得到很好解決，現場(chǎng)的施工操作顯得繁瑣，而使用權鋼管混凝土在施工性能方面的潛在優(yōu)勢未能得到應有的發(fā)揮。相比之下，人們仍寧愿采用操作簡(jiǎn)單、質(zhì)檢直觀(guān)的普通鋼筋混凝土結構或工廠(chǎng)化程度高、現場(chǎng)勞動(dòng)量少、吊裝輕便、施工快速的鋼結構。

80年代后期，由于現代高強、高性能混凝土技術(shù)和泵灌混凝土技術(shù)的迅速發(fā)展，給鋼管混凝土結構技術(shù)的發(fā)展增添了新的活力，在歐、美、澳的一些橋梁工程和高屋建筑工程中，鋼管高強混凝土技術(shù)悄然興起。這是因為：（1）圓形鋼管的套箍約束作用能最有效地克服核心高強混凝土的脆性；（2）泵灌混凝土工怕發(fā)展，解決了現場(chǎng)鋼管混凝土的澆灌工藝問(wèn)題，而圓形鋼管本身就是耐側壓的模板，能最有效地適應先進(jìn)的泵灌混凝土工藝；（3）鋼管兼有縱筋和箍筋的功能，其用鋼量較變通鋼筋骨架為省，而且因有鋼管分隔，管內高強混凝土澆灌與管外梁板結構的普通混凝土澆灌互不干擾，無(wú)交錯澆灌的麻煩；（4）鋼管外無(wú)混凝土保護層，能充分發(fā)揮高強混凝土的承載能力。采有鋼管高強混凝土技術(shù)是解決鋼筋混凝土高層建筑“胖柱”問(wèn)題和增大橋梁結構跨越能力的經(jīng)濟而有效的措施，是高層建筑和橋梁建筑技術(shù)進(jìn)步的重大突破。

鋼管混凝土結構技術(shù)在我國開(kāi)發(fā)利用已有近40年的歷史。1966年成功地將鋼管混凝土柱用于北京地鐵車(chē)站工程。70年代又在冶金、造船、電力、等待業(yè)的單層廠(chǎng)房和重型構架中得到成功的應用。80年代，根據建設部科技發(fā)展計劃，在我國開(kāi)展了較系統的科學(xué)試驗研究，使鋼管混凝土結構的計算理論和設計方法取得了長(cháng)足的進(jìn)展，已形成一套能滿(mǎn)足設計需要的計算理論和設計方法^[1]。影響鋼管混凝土極限承載力的主要因素，諸如（a）鋼管對核心混凝土的套箍強化作用，（b）柱的長(cháng)細比，（c）作用力的偏心率，（d）柱端約束條件（轉動(dòng)和側移），（e）沿柱身的彎矩分布梯度等，在計算公式中都得到恰當的考慮。在格構柱的承載力計算公式中，考慮了鋼管混凝土柱肢的抗壓強度和抗拉強度不相等這一重要特性。

我國在鋼管高強混凝土的研究和應用上起步并不算晚。早在1984年另建筑科學(xué)研究院結構海軍工程設計研究局協(xié)作，即開(kāi)始了對C75-C85級鋼管高強混凝土柱基本性能的試驗研究。接著(zhù)在國家自然科學(xué)基金會(huì )和建設部、鐵道部、國家建材局等聯(lián)合資助的“七五”重點(diǎn)科技項目《高強混凝土結構性能、設計方法及施工工藝的研究》和“八五”重點(diǎn)科技項目《高強與高性能混凝土材料的結構與力學(xué)性態(tài)研究》中，都有關(guān)于鋼管高強混凝土的研究子項，先后由中國建筑科學(xué)研究院、清華大學(xué)和重慶建筑大學(xué)等承擔，混凝土強度等級已達到C116。這些研究成果^[5～10]以條文的形式被列入1990年由中國工程建設標準化協(xié)會(huì )批準頒布的《鋼管混凝土結構設計施工規程》（CECS28：90）^[11]（涵蓋至C60），1994年10月由中國建筑工業(yè)出版社出版的《高強混凝土結構設計與施工摜》^[12]第一版和2001年第二版^[13]以及1999年由中國工程建設標準化協(xié)會(huì )批準頒布的《高強混凝土結構技術(shù)規程》（CECS104：99）^[14]，更將其涵蓋的混凝土強度等級從C60擴展到C80，為鋼管高強混凝土的推廣應用提供了技術(shù)上的后盾。建設部于1995年將鋼管混凝土結構技術(shù)列入科技成果重點(diǎn)推廣項目。

最近10年，時(shí)逢盛世，國家經(jīng)濟迅猛發(fā)展，鋼管高強混凝土結構技術(shù)在我國的高層建筑工程和大跨度橋梁工程中得到卓有成效的應用，有國行推動(dòng)了上述領(lǐng)域營(yíng)造技術(shù)的發(fā)展，取得了令人矚目 擾就，而鋼管高強混凝土結構技術(shù)自身也在上述工程實(shí)踐中得到了新的發(fā)展。

2．高層建筑工程

    在高層次建筑結構中，鋼管混凝土柱具有很強的相容性，它既可在混凝土結構體系中因時(shí)因地制宜地取代部分鋼筋混凝土柱，以解決高層建筑底部的“胖柱”問(wèn)題和鋼筋高強混凝土柱的脆性破壞問(wèn)題；也可在鋼結構體系中取代鋼柱，以減少鋼材用量和減輕風(fēng)致振動(dòng)等。

    我國是采用鋼筋混凝土結構的大國，絕大部分高層建筑都是鋼筋混凝土結構體系。隨著(zhù)高度超過(guò)100m的超高層建筑大量興建，在高強混凝土還不普及的80年代后期，人們開(kāi)始應用鋼管混凝土柱以解決“胖柱”問(wèn)題的探索，在北京建造了四川大廈的地下車(chē)庫^[15]，在福建建造了泉州郵電大廈（15層）、廈門(mén)金源大廈（28層）和阜康大廈（25層）^[16]。進(jìn)入90年代以后，C60級高強混凝土柱大量應用，“胖柱”問(wèn)題有所緩解，但高強混凝土柱的脆性破壞問(wèn)題復又突出。在此情況下，鋼管高強混凝土柱應運而生，它既解決了高強混凝土柱的脆性破壞問(wèn)題，又進(jìn)一步減小了柱的橫截面尺寸。廣州好世界廣場(chǎng)大廈（33層?┞氏扔?/FONT>1993年采用了C60級的鋼管高強混凝土柱并獲得成功。鋼管高強混凝土柱在“減肥”方面的有效性，逐漸得到 結構工程界的認同。據不完全統計，短短數年間，在廣州、天津、深圳、重慶、北京、昆明、福州和南京等城市采用鋼管高強混凝土柱的超高層建筑已有20多座（表1）。

表1 采用鋼管高強混凝土柱的高層建筑匯總

其中深圳賽格廣場(chǎng)大廈（25層）還是我國自行設計和施工的屬于鋼結構體系的超高層建筑，它為我國剛剛起步的高層建筑鋼結構的發(fā)展，提出了一條可供參考和選擇的技術(shù)路線(xiàn)。

實(shí)踐表明，在高層建中采用鋼管混凝土柱以后，除梁/柱節點(diǎn)構造變動(dòng)較大外，在施工程序上，與原不的結構體系幾乎無(wú)甚差異例如混凝土結構體系仍然是按樓層分段施工，柱子為每1～3層樓安裝一次鋼管和從管的上口澆灌混凝土。只是鋼管兼具鋼筋和模板的功能，在工廠(chǎng)預制后于現場(chǎng)一次吊裝就位，現場(chǎng)工序更為簡(jiǎn)化。至于鋼結構體系，仍然保持著(zhù)工廠(chǎng)化程度高、施工速度快等特點(diǎn)。盡管增加了在鋼管柱內灌注混凝土的工序，但因鋼管柱具有足夠的剛度和強度，管內混凝土可選擇在任何時(shí)候進(jìn)行澆灌，甚至可3～4層樓澆灌一次（泵灌頂升），并不占用整個(gè)建筑的主導工期。在采用鋼管混凝土柱以后，建筑的地下部分和基礎開(kāi)挖可實(shí)行逆作法施工。這樣，高層建筑地下和地上結構歌曲時(shí)并行施工，從而節省大約半年的基礎開(kāi)挖和地下室施工時(shí)間，并可相應解決在大城市繁華地段因施工場(chǎng)地狹窄所帶來(lái)的交通、安全、噪聲、環(huán)境污染等一系列困擾問(wèn)題。

實(shí)踐還表明，鋼管高強混凝土柱的造價(jià)并不比鋼筋混凝土高，而與鋼筋混凝土柱的造價(jià)持平。

與普通鋼混凝土術(shù)玎比較，鋼管混凝土柱具有更為優(yōu)越的抗震性能。因鋼管既是縱向鋼筋，又是橫向箍筋，其管徑與管壁厚度的比值至少都在30以下，這相當于配筋率至少都有在4.6%以上,遠超過(guò)抗震設計規范對鋼筋混凝土所要求的最小配筋率限值.至于軸壓比問(wèn)題,由于鋼管混凝土的抗壓強度和變形能力特佳,即使在高軸壓條件下,仍可形成在受壓區發(fā)展塑性變形的“壓鉸”,不存在受壓區先破壞的問(wèn)題,也不存在像鋼柱那樣的受壓翼緣屈曲推移 的問(wèn)題.因此,從保證控制截面的轉動(dòng)能力而言,無(wú)需限定軸壓比值.就這個(gè)意義講,鋼管混凝土的抗震性能比鋼柱和鋼筋混凝土柱都有強.

據陳肇元教授報導^[17],清華大學(xué)曾對鋼管混凝土柱鋼骨混凝土柱和鋼筋混凝土柱抗震延性作過(guò)一些比較^[18],在相同的試驗條件(試件尺寸、加載裝置、加載制度、軸壓比)下,得出的三者的極限位移角R_u為(1)當軸壓比n=0.4,并且在每級荷載或水平位移下的,則含鋼量5.9%～11.8%、混凝土強度80～97Mpa的鋼管混凝土試件R_u=1/26～1/35,而含鋼量較低或大體相當(7.4%～10.3%)、混凝土強度也較低(62～71Mpa)的鋼骨混凝土術(shù)琪 延性(R_u=1/47～1/50)反而不如鋼管柱;至于鋼筋混凝土柱(混凝土強度為60Mpa),在進(jìn)入屈服階段后,很難在每級水平位移下只反復循環(huán)1次,其極限位移角仍然較小,其延長(cháng)性根本不能與前二種組合術(shù)玎比.(2)當軸壓比n=0.6,含鋼量11.8%的鋼管混凝土柱的R_u=1/43,而含鋼量約10%的鋼骨混凝土柱則為1/66,作為極限位移角的延性性能要比鋼管混凝土低50%,至于鋼筋混凝土柱在0.6高軸壓比下的脆性就更加突出.

鋼管混凝土柱的連接構造,關(guān)系結構安全,至為重要.它包括鋼管混凝土柱與樓蓋結構的連接、鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土術(shù)珠連接、鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土基礎的連接、鋼管混凝土柱自身的接長(cháng)、鋼管與核心混凝土界面的抗剪連接等.我國在連接構造的設計方面積累了相當豐富的經(jīng)驗.例如鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土樓蓋體系連接,其剪力傳遞的構造,就有穿心的鋼牛腿和不穿心的環(huán)形鋼牛腿及鋼筋環(huán)兩大類(lèi);彎矩傳遞的構造,也有鋼筋穿心和鋼筋不穿心兩大類(lèi),后者則有平行雙梁、變寬度梁和環(huán)梁等形式.為驗證這些連接構造成的可靠性,有關(guān)單位還進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的試驗研究^[19～23].

以下是幾個(gè)典型工程實(shí)例.

2.1廣州好世界廣場(chǎng)大廈(圖1)^[18、19]

該大廈位于廣州市花園酒店西側,環(huán)市東路與建設六馬路交匯處的繁華地段,地上33層,地下3層,地上總高度為116.3m地下層為設備房及人防面積,-1、-2層及地下1、2為商場(chǎng),3～8層為停車(chē)場(chǎng),9層以上為寫(xiě)字樓,占地面積3522?,建筑面積57000?,是國內第一座采用C60級鋼管高強混凝土柱的超高層建筑.按7度地震設計.

結構體系為現澆鋼筋混凝土框架剪力墻,柱網(wǎng)為8.2×7.9m～6m(圖2).裙樓柱最大軸國秋13000Kn,主樓柱最大軸力為39000kN.如采用C40級鋼筋混凝土柱,截面尺寸將為1.8m×1.8m,這樣大的柱截面,嚴懲影響建筑使用.經(jīng)反復研究,決定在地上2層以下,采用C60級的鋼管高強混凝土柱,以縮小柱的截面積.最后,裙樓柱縮小為直徑700?,主樓柱縮小為直徑1100～1200?的鋼管高強混凝土柱,鋼管壁厚分別為10?和20?,管材為Q235鋼,直縫焊接管,從而經(jīng)濟有效地解決了“胖柱”問(wèn)題.

 

鋼管內的混凝土澆灌采用自鋼管上口泵送拋落方式,除在柱的頂部稍作振插處,其余部位不作振搗.經(jīng)模擬試驗,證明澆灌質(zhì)量良好.

鋼管高強混凝土柱為本工程地下部分的逆作法施工和并行開(kāi)展地下部分的施工創(chuàng )造了安全可靠的條件,使工期縮短了6個(gè)月.

該工程于1994年1月動(dòng)工,主體于1995年8月封頂.

鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接,其剪力傳遞采有箜乞討工字形鋼牛腿(承重銷(xiāo)),梁端彎矩傳遞則視建筑布置的具體情況,或采用雙梁接頭,鋼筋從鋼管兩側通過(guò),或采用單梁接頭,鋼筋直接與穿心牛腿的上下翼緣板焊牢.

                                 2.2天津今晚報大廈(圖3)^[24]

該大廈位于天津市南京路與南開(kāi)三馬路交匯處東北側,占地面積1.6萬(wàn)?,總建筑面積8.2萬(wàn)?.地下兩層,地下38層,總高度為137m.集辦公、寫(xiě)字樓和公寓于一體,其中地下室為停車(chē)場(chǎng)和設備用房,裙房為娛樂(lè )中心和市場(chǎng),標準層共30層,12層以下為辦公用房,13層至25層為出租寫(xiě)字間,25層以上為公寓,在頂部設有升機停機坪.繼廣州好世界廣場(chǎng)大廈之后,今晚報大廈是采用C60級鋼管高強混凝土柱的第二座超高層建設.按7度地震設計.

     主樓結構體系為內筒稀柱現澆鋼筋混凝土結構(圖4).樓蓋為井式雙向密肋板,其結構厚度為430?.柱網(wǎng)為8.4m×8.4m.柱最大軸力為35000kN,若采有C60級鋼筋高強混凝土柱,截面尺寸需要1.4m×1.4m,這樣一來(lái),8.4m術(shù)現金帳的術(shù)璋凈距只有7m,每術(shù)璋停三輛車(chē)已不可能.而采用C60級鋼管高強混凝土柱,柱徑僅1020?,柱凈空為7.38m,可停三輛車(chē),顯著(zhù)提高了地下停車(chē)場(chǎng)的使用效能.根據結構體系的特點(diǎn),柱子從底至頂,全部采用鋼管混凝土柱..鋼管為3號鋼螺旋縫焊接管.柱子從底到頂分5段逐漸減小，管徑從1020?減至630?，每段縮小100?，管壁厚度從14?逐段減至8?，混凝土從C60逐段降至C35。

柱與板連接，采用不穿心的環(huán)形鋼牛腿傳遞剪力。環(huán)形牛腿由16條豎向腹板與上下加強環(huán)焊接而成。腹板與鋼管柱、上下加強環(huán)板之間的連接為雙面滿(mǎn)焊，上下加強環(huán)與鋼管柱的連接采用間斷焊，間斷率為50%。彎矩傳遞，與雙梁類(lèi)似，鋼筋從鋼管兩側通過(guò)，不穿過(guò)鋼管。

該工程于1994年動(dòng)工，1995年封頂。

2.3深圳賽格廣場(chǎng)大廈（圖5）^{[25 26]}

該大廈位于深圳市南中路與華強北路交匯處東北角的商業(yè)繁華地段,占地9655?,總建筑面積超過(guò)16萬(wàn)?,地上72層(含裙房10層),地下4層,總高度291.6m,是一座以電子高科技為主,兼匯展、辦公、商貿、信息、證券、娛樂(lè )為一體的多功能綜合型樓宇.按7度地震設計.這是我國第一座采用鋼管高強混凝土柱的鋼結構體系超高層建筑,也是目前世界最市制一座鋼管混凝土高層建筑