鋼管混凝土格構(gòu)柱發(fā)展研究

彭 偉

（上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海 200941）

0 引言

作為一種新型組合結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在圓鋼管中填充素混凝土而形成的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在十九世紀(jì)七八十年代，最初是用作橋墩，后逐漸擴(kuò)展應(yīng)用于各種建筑中的柱。我國從20世紀(jì)60年代開始引入這一結(jié)構(gòu)形式，并在20世紀(jì)70年代得到推廣使用。

1 鋼管混凝土格構(gòu)柱的優(yōu)勢

鐘善桐教授在國內(nèi)較早開展鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究工作，從1985年至今已發(fā)表了十余篇有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究成果，并總結(jié)了鋼管混凝土格構(gòu)柱的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

1）承載力較高 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)比單純的鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)的承載力之和要提高1.7～2.0倍。

2）塑性和抗震性能良好 當(dāng)鋼管混凝土壓縮到原長的2/3時(shí)仍具有一定承載力，且在壓彎剪復(fù)合應(yīng)力的作用下，力與位移的曲線仍然飽滿，表明結(jié)構(gòu)依然具有很強(qiáng)的彈性。

3）經(jīng)濟(jì)性較好 鋼管混凝土格構(gòu)柱與鋼柱相比，可節(jié)省鋼材45%，降低成本40%；與鋼筋混凝土柱相比，可節(jié)約75%的混凝土用量，減少自重近65%，并且不需要模板，節(jié)省模板費(fèi)用。

4）施工便捷 與單純的鋼柱相比，鋼管混凝土格構(gòu)柱焊縫及零部件相對較少；與鋼筋混凝土柱相比，省去支模等步驟，可大大縮短工期。

目前鋼管混凝土格構(gòu)柱已廣泛應(yīng)用于建筑和橋梁等領(lǐng)域，不僅能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載發(fā)展和適應(yīng)惡劣條件的需要，而且符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)化要求，因而被廣泛地應(yīng)用于單層和多層工業(yè)廠房柱、設(shè)備構(gòu)架柱、各種支架、棧橋柱、地鐵站臺柱、送變電桿塔、樁、空間結(jié)構(gòu)、高層和超高層建筑及橋梁結(jié)構(gòu)中，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和建筑效果。

2 鋼管混凝土格構(gòu)柱理論與發(fā)展研究

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

鋼管混凝土格構(gòu)柱作為一種新型組合結(jié)構(gòu)，是在薄壁圓鋼管中澆筑普通素混凝土（混凝土內(nèi)不配置鋼筋或受力鋼筋），并通過綴材以不同的布置方式組合而成的格構(gòu)式構(gòu)件。由此可見，鋼管混凝土格構(gòu)柱主要由柱肢和綴材組成，柱肢主要承受由上部荷載傳來的軸向壓力，根據(jù)肢數(shù)的多少分為雙肢、三肢、四肢格構(gòu)柱，其中雙肢、四肢格構(gòu)柱是一種對稱式格構(gòu)柱，而三肢格構(gòu)柱則是不對稱結(jié)構(gòu)，2個(gè)軸均為虛軸；鋼管混凝土格構(gòu)柱中的綴材作為一種輔助構(gòu)件，除具有將柱肢連成整體的作用外，主要承受剪力和側(cè)向壓力或拉力，綴材可分為綴條和綴板，通常采用空鋼管（綴管）形式，布置形式主要有5種類型，如圖1所示。

圖1 綴管布置方式

2.2 工作原理

1）鋼管混凝土格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)可有效避免圓形鋼管受壓時(shí)產(chǎn)生過早的剪切屈曲現(xiàn)象，可充分發(fā)揮圓鋼管的力學(xué)性能，從而提高薄壁圓鋼管穩(wěn)定性。

2）素混凝土外層套上圓鋼管后，增強(qiáng)了混凝土整體性，鋼管給混凝土以一定的約束力，鋼管混凝土柱中的核心混凝土在鋼管作用下處于三向受壓狀態(tài)，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力，可有效防止混凝土因受壓力過大或受壓偏心距過大被壓碎。

3）鋼管混凝土格構(gòu)柱在施工過程中，通常是以圓鋼管為模板進(jìn)行混凝土澆筑，一方面可節(jié)省模板用量；另一方面節(jié)約時(shí)間和工序，有效提高施工速度。

2.3 發(fā)展回顧

20世紀(jì)80年代后期，隨著泵送混凝土工藝的發(fā)展，混凝土澆筑技術(shù)進(jìn)一步提高，加上高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)用，鋼管套箍混凝土工藝得到很好的發(fā)展，這些因素給鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來新的契機(jī)，在發(fā)達(dá)國家，傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房鋼柱逐漸由鋼管混凝土柱代替，甚至高層建筑也逐漸開始采用這種鋼管混凝土柱，并且應(yīng)用范圍也愈加廣泛。因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展被認(rèn)為是高層建筑建造技術(shù)的一次重大突破。

另外，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國也得到應(yīng)用。1966年，北京地鐵車站工程采用鋼管混凝土柱取得非常好的效果。20世紀(jì)70年代，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)突破了應(yīng)用于土木工程上的局限，并成功地應(yīng)用于冶金、造船、電力等行業(yè)的重型構(gòu)架中。20世紀(jì)80年代，為緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展步伐，響應(yīng)國家大力發(fā)展土木工程的號召，更加系統(tǒng)地研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)原建設(shè)部科技發(fā)展計(jì)劃，一系列鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究項(xiàng)目逐漸增多，國家鼓勵(lì)該項(xiàng)目并給予一定的資金和設(shè)備支持，使我國在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)理論計(jì)算方法和設(shè)計(jì)方法上取得很大進(jìn)展，并逐漸形成一套符合我國國情和滿足我國建筑需要的規(guī)范性計(jì)算方法和設(shè)計(jì)方法。在1989—2012年，原建設(shè)部先后頒布各部門相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。例如，原國家建筑材料工業(yè)局標(biāo)準(zhǔn)JCJ 01—89《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5085—1999《鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 28∶90《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》、中國工程建設(shè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 254∶2009《空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等。

1995年，我國將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)列入國家科技成果，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)成為國家重點(diǎn)項(xiàng)目推廣技術(shù)，并逐步在高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中獲得行之有效的利用，同時(shí)對該技術(shù)的要求也有所提高，體現(xiàn)在2012年中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 28∶2012《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》，CECS 254∶2012《實(shí)心與空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定中。經(jīng)過這些年的發(fā)展和修訂，這些規(guī)范和規(guī)程越來越能準(zhǔn)確地考慮單個(gè)因素及眾多因素的組合作用對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)極限承載力的影響，例如鋼管對核心混凝土的套箍作用、長細(xì)比與換算長細(xì)比的計(jì)算、穩(wěn)定系數(shù)的確定方法及偏心率的變化對極限受壓承載力的影響等[4]。

3 結(jié)語

鋼管與混凝土組合在一起不僅同時(shí)集合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)不足，而且與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，對柔性支承格構(gòu)柱的布置，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)。

1）承載能力更強(qiáng)，塑性更好，耐火性、耐久性好，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，從而抗震性能好，更加實(shí)用。

2）使用材料較少，一定程度上節(jié)省了模板、水泥、鋼材等材料，自重較輕。

3）格構(gòu)柱的空間布置更靈活，并節(jié)省一定的空間。

4）施工過程中，由于節(jié)省了施工材料，而且施工過程中可以鋼管為模板澆筑混凝土，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[5]。