鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展研究

李天琦，王 剛，史佳遙

（南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)使得鋼材和混凝土的材料特性得到充分利用，相比鋼筋混凝土具有承載力高、自重小、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。在大跨結(jié)構(gòu)、高層建筑等結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。近十幾年鋼管混凝土憑借自身的優(yōu)勢進(jìn)入到人們的視野，研究者也對鋼管混凝土做了大量的試驗(yàn)并得到了許多有價(jià)值的研究成果。

1 鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)特性

現(xiàn)階段我國建筑工程大部分還是采用鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)兩種材料。但鋼筋混凝土抗裂性較差，受拉和受彎等構(gòu)件在正常使用時(shí)往往帶裂縫工作。當(dāng)不允許出現(xiàn)裂紋或?qū)α芽p寬度有嚴(yán)格限制時(shí)，就要采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。此外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工復(fù)雜、工序多[1]。而鋼結(jié)構(gòu)容易在沒達(dá)到材料強(qiáng)度之前就出現(xiàn)失穩(wěn)問題，同時(shí)耐腐蝕性差、耐火性能差。鋼管混凝土將兩種材料組合在一起，在受力時(shí)兩種材料優(yōu)勢互補(bǔ)，具體體現(xiàn)在以下方面：（1）改善延性。鋼管能改變混凝土的破壞性質(zhì)，對其的約束作用和套箍很像，增加其延性，能耗水平也得以提高。圓鋼管混凝土能使內(nèi)部的混凝土三向受力，增加其抗壓強(qiáng)度。（2）施工簡單。與鋼筋混凝土相比，鋼管一次成型，不僅能在受力時(shí)能發(fā)揮作用，同時(shí)在施工時(shí)起到了模板定型作用，省去了綁扎鋼筋的時(shí)間，降低了施工難度，同時(shí)也省去了一定的鋼筋用量，從而更加經(jīng)濟(jì)。（3）穩(wěn)定性較強(qiáng)。一般鋼結(jié)構(gòu)的截面較小，厚度也不大，但在鋼管內(nèi)澆筑混凝土，能夠有效防止鋼管發(fā)生局部屈曲，很大程度提高了鋼管的局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性。（4）耐腐蝕較好。通過將混凝土注入鋼管當(dāng)中，可以有效減小鋼管與外界之間的接觸面積，由此可以減少腐蝕面積，提高鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命，這樣就可以有效地降低使用后期對于鋼結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用。（5）耐火性能較好。在建筑物的使用過程中，稍有不注意就容易發(fā)生火災(zāi)，所以一般建筑物都需要有一定的抗火性，而鋼結(jié)構(gòu)在高溫中很容易因?yàn)閺?qiáng)度的降低而發(fā)生彎曲。但是如果鋼管內(nèi)灌有混凝土，鋼結(jié)構(gòu)就能夠?qū)⒁欢ǖ臏囟葌鬟f給約束住的混凝土，因此遭受火災(zāi)時(shí)管柱截面溫度場的分布很不均勻，增加了柱子的耐火時(shí)間。

2 鋼管混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用

目前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程建筑中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是近幾年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型的鋼混結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到橋梁工程、單層工業(yè)廠房、高層建筑等領(lǐng)域中。下面簡單介紹三種應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例。

2.1 橋梁工程結(jié)構(gòu)

為了滿足人們對便利交通的需求，一座座大橋出現(xiàn)在河面與海面之上。現(xiàn)在的橋梁逐漸向承重更大、跨度更大、高度更高的方向發(fā)展。但是傳統(tǒng)的混凝土很難滿足大跨度橋梁承重的嚴(yán)格要求，于是鋼筋混凝土這種組合結(jié)構(gòu)被人們所認(rèn)知并被利用在橋梁建設(shè)當(dāng)中。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能及鋼材的抗拉性能，因此其可以當(dāng)作建筑的承重結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行受力。早期鋼管混凝土結(jié)構(gòu)多用于橋梁工程的基礎(chǔ)工程之中，但隨著對鋼管混凝土構(gòu)件工作性能的深入研究以及科技的不斷發(fā)展，鋼管混凝土逐漸地開始應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu)。拱橋以拱作為主要受力構(gòu)件，主梁通過立柱支撐在拱上，或通過吊桿將主梁懸掛在拱上。拱結(jié)構(gòu)主要承受壓力，是壓彎構(gòu)件，拱截面受到的壓力較為均勻，材料的利用率得到極大的提高[2]。為了解決拱橋高強(qiáng)度材料的使用和施工問題，因此開始逐漸把鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用于拱橋上。拱橋的拱圈是由以承受軸向壓力為主的構(gòu)件構(gòu)成的，這恰好充分利用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。正是由于這個因素，現(xiàn)在橋的跨度一般比較大。如今，隨著橋梁跨度、承載力的不斷增加，對橋的延性和恢復(fù)能力也提出了更高的要求。在這樣的應(yīng)用背景下，鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)能夠很好地滿足橋梁的以上要求。

2.2 超高層建筑工程結(jié)構(gòu)

隨著中國人口日益增加，住房問題成為當(dāng)今時(shí)代比較突出的問題。不斷增加的人口與稀缺的住房資源成為高層建筑與超高層建筑出現(xiàn)的重要因素。在同樣的住房面積上建設(shè)更高的住房則會提高建筑面積的利用率。于是在寸土寸金的大城市把工程建筑向更高的方向建設(shè)就成了當(dāng)今建筑發(fā)展的潮流之一，更高的建筑要求結(jié)構(gòu)柱有更高的承載力，于是具有高承載能力的鋼管混凝土出現(xiàn)到人們的視野當(dāng)中。如近幾年剛建成的天津津塔建筑。津塔是天津市新的地標(biāo)式建筑，津塔高336.9m，并于2010年1月14日封頂成為中國長江以北地區(qū)的第一高樓。津塔項(xiàng)目位于興安路北側(cè)，東西長約233m，南北寬最大約為160m，最小為65m。地塊設(shè)計(jì)包括二棟高層建筑。其中最高的建筑就是津塔，津塔位于大沽路，功能以寫字樓為主。天津津塔采用“鋼管混凝土柱框梁+核心鋼板剪力墻體系+外伸鋼臂抗側(cè)力體系”，塔樓的外框部分由鋼管混凝土柱和寬翼緣鋼梁組成，外框梁柱剛接，核心筒結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土柱和鋼板剪力墻體系組成。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在15、30、45、60層設(shè)置伸臂桁架加強(qiáng)層，在鋼板剪力墻核心筒與外框之間布置大型鋼桁架，在外框內(nèi)布置腰桁架[3]。應(yīng)用于超高層建筑中的鋼管混凝土相比于普通混凝土來說有以下優(yōu)勢：鋼管混凝土柱比傳統(tǒng)混凝土具有更高的承重能力，所以鋼管混凝土柱能夠有效地減少構(gòu)件的橫截面積及材料的使用量，從而大大減少了建設(shè)材料費(fèi)用。同時(shí)由于約束鋼管有較好的延性，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)了較好的延性，這使得鋼管混凝土能夠表現(xiàn)出更好的抗震性能。

2.3 高鐵車站工程結(jié)構(gòu)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，汽車逐漸成為每家每戶必不可少的出行交通工具，但是汽車數(shù)量增加也帶來了許多亟待解決的重大問題。比如汽車數(shù)量增多帶給一些城市尤其是大城市巨大的交通壓力，環(huán)境污染、交通擁堵等一系列問題逐漸出現(xiàn)在城市中。近十幾年地鐵和高鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，鋼管混凝土也被運(yùn)用到此類交通建設(shè)當(dāng)中。如南通高鐵站，其站房總建筑面積11740.6m2，采用對稱式布置，總平面呈“一”字形，中軸對稱，庭院式布局，以廣廳和候車廳為中心，候車室兩側(cè)布置了室內(nèi)庭院，庭院頂部設(shè)采光天窗，同時(shí)候車空間兩側(cè)均為玻璃幕墻，并引入室內(nèi)綠化。龐大而復(fù)雜的南通站站房采用了鋼管混凝土柱、型鋼混凝土梁、大面積玻璃幕墻結(jié)構(gòu)和大跨度弧線形鋼桁架結(jié)構(gòu)作為車站的承重結(jié)構(gòu)。在建設(shè)過程中，車站對承重結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，傳統(tǒng)混凝土也許會達(dá)到承重的要求，但是需要加粗傳統(tǒng)混凝土柱的截面積來保證其具有足夠的承載力，這無疑會額外占用車站的使用面積。相比之下鋼管混凝土柱的長處便顯露出來。相同截面面積的鋼管混凝土柱比傳統(tǒng)混凝土柱具有更高的承載力。所以使用鋼管混凝土柱能夠在保證承載力的情況下盡可能減少柱子所占的車站使用面積，從而為其他功能性用房騰出了空間。同時(shí)，鋼管混凝土柱也具有良好的延性，使車站具有更高的抗震能力從而保證了建筑的安全。

3 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在上述應(yīng)用中已逐步突顯出它所具有的獨(dú)特優(yōu)勢，雖然鋼管混凝土相比于鋼結(jié)構(gòu)有較好的耐火性能及耐久性能，但其相對于混凝土結(jié)構(gòu)卻表現(xiàn)出耐火性、耐久性不足等特征，加之其相關(guān)規(guī)范尚未成熟，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁工程、地下工程、海洋工程等大型工程項(xiàng)目中還未得到廣泛應(yīng)用。

隨著相關(guān)工程技術(shù)研究的不斷深入，鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢將主要在以下幾點(diǎn)：（1）為了更好地提高鋼管混凝土的承載力，未來的研究將會體現(xiàn)在高強(qiáng)度膨脹混凝土、高強(qiáng)鋼管及其替代材料的研發(fā)方面[4]。伴隨著FRP復(fù)合材料的不斷應(yīng)用，目前也有學(xué)者提出FRP約束再生混凝土內(nèi)鋼管空心組合圓柱（FRSTC）的結(jié)構(gòu)形式，F(xiàn)RSTC有望繼續(xù)發(fā)揮各組分材料的性能優(yōu)勢，使其具有承載力高、延性好的特點(diǎn)[5]。（2）為了能使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的耐火性能。對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能及其耐火極限、防火設(shè)計(jì)辦法的研究也將會是未來研究的重點(diǎn)。研究方面除了表現(xiàn)在對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后剩余承載力模型的研究以外，也會涉及相關(guān)防火涂料的性能研究。（3）現(xiàn)今，關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的研究還較少，尚缺乏對于重要結(jié)構(gòu)諸如鋼管混凝土墩柱抗震性能的深入研究來指導(dǎo)實(shí)踐，也缺乏相關(guān)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，因此，今后對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究也會更多地涉及對其滯回模型的研究[6]。（4）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的截面形式多變，通過改變鋼管混凝土的截面形式，一方面可以增加建筑美觀程度，另一方面也可以改變鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭性能及其穩(wěn)定性，從而可以更加充分地發(fā)揮不同截面形式的性能優(yōu)勢，增加材料利用效率。除此之外，不同截面形式的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工性能、裝配性能也有所差異，因此，對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式、組合形式的設(shè)計(jì)也將是未來鋼管混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中所必需突破的技術(shù)難關(guān)。

4 結(jié)束語

在我國范圍內(nèi)大部分工程項(xiàng)目使用鋼筋混凝土和鋼材作為建筑材料，而鋼管混凝土具有比鋼筋混凝土和鋼材更為優(yōu)秀的性能和更廣泛的使用空間。但是由于人們對鋼管混凝土的研究還不夠深入，在使用鋼筋混凝土?xí)r會出現(xiàn)一些問題，較為突出的問題是鋼管混凝土柱與梁節(jié)點(diǎn)的連接方式。但是這些問題不會掩蓋掉鋼管混凝土出眾的優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)地不斷發(fā)展進(jìn)步和鋼管混凝土的研究不斷深入，在未來的幾年里鋼管混凝土有很大可能會取代鋼筋混凝土在建筑材料上的主導(dǎo)地位。