钢管混凝土在住宅建筑中的应用

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摘要：简要介绍了钢管混凝土的发展史和研究进展及其在实际工程中的应用,阐述了钢管混凝土在钢结构住宅建筑中应用的特点及工程应用,并对今后需要进一步研究的问题进行了展望。

  关键词：钢管混凝土住宅建筑多高层建筑工程应用钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土后形成的构件，它是在型钢混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上发展起来的。钢管混凝土利用钢管和混凝土在受力过程中的相互作用使混凝土处于复杂应力状态下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善;同时由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而保证材料性能的充分发挥。可见，二者相互贡献，协同互补，共同工作，提高了钢管混凝土构件的整体性，使其具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、施工方便、较好的耐火性能和良好的灾后可修复性以及经济指标先进等优点，因而得到了广泛的应用[1-2]。1钢管混凝土的研究进展按照截面的形式，钢管混凝土可分为圆钢管混凝土（习惯称为钢管混凝土）、方钢管混凝土、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。最早采用钢管混凝土结构的工程之一是1879年英国的Severn铁路桥的桥墩，当时在钢管内填充混凝土在承受压力的同时也用来防止钢管锈蚀。早期的研究不考虑钢管及其核心混凝土之间的相互作用对构件承载力的提高，只是对两者进行简单地迭加。随着研究的深入，人们发现在受力过程中，由于钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善;同时由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，二者相互作用协同互补，提高了钢管混凝土的整体性，使其具有一系列优越的力学性能和先进的经济指标。   对钢管混凝土力学性能的研究存在各种不同的研究方法，如实验研究、实验系数回归、极限状态分析法、以及纤维模型法和有限元法等的数值解法[3-4]，它们的区别在于如何估算钢管与核心混凝土之间的相互约束作用，这种约束作用的存在导致了其力学性能的复杂性。由于研究者们从不同角度对上述问题进行研究，对钢管和混凝土之间的紧箍效应理解不同，因此所获计算方法和计算结果就会有所出入。各国研究者分别对钢管混凝土构件在静力、动力、火灾作用下以及钢管混凝土与钢梁或钢筋混凝土梁组成的框架结构的力学性能进行了系统研究[1-4]。世界各国在有关研究成果的基础上分别制订了钢管混凝土结构设计与施工规程，如欧洲的EC4（1996）、DIN18800（1997），美国的ACI-319-89、SSLC（1979）、LRFD（1994），日本的AIJ（1980，1997）。我国是在上世纪60年代开始研究钢管混凝土的，主要集中在钢管中灌素混凝土，虽然起步较晚，特别是近十几年取得了令人瞩目的成就，已颁布了几个设计规程，如JCJ01-89、CECS28:90、DL/T5085-1999和GJB1029-2001。这些规程的制定，拉开了钢管混凝土在我国建筑业中广泛应用的序幕。2钢管混凝土在住宅中的应用20世纪60-80年代钢管混凝土开始应用于工业与民用建筑。随着理论研究的深入、设计规程的颁布和其自身具有的优点，钢管混凝土被越来越广泛地应用于单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种构架、支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、空间结构，近10年又被应用于桥梁结构、高层和超高层建筑中，特别是近2-3年，它被越来越多地应用于住宅建筑中，并取得了良好的经济效益和建筑效果。2.1钢管混凝土在非住宅建筑中的应用及特点20世纪60年代，钢管混凝土开始应用于工业厂房。据统计，到1994年我国就有上百个单层、多层厂房或构架柱工程采用钢管混凝土柱，每根构件的造价与钢筋混凝土柱的相当或有所降低，但截面明显减少，施工周期缩短。钢管混凝土厂房遍布全国各地，如上海三十一棉纺厂，大连造船厂船体装配车间，武昌造船厂和中华造船厂船体结构车间，太原钢铁公司三炼钢连铸车间等[2]。钢管混凝土在厂房中的应用迈出了其在实际工程中应用的第一步。   近十几年，钢管混凝土被广泛地应用于拱桥和空间桁架梁式桥梁结构中。据不完全统计,截止1999年，我国共建造钢管混凝土拱桥一百多座，钢管混凝土劲性骨架拱桥10余座。与此同时，钢管混凝土在我国高层和超高层建筑中的应用发展很快，经历了由局部柱子采用，到大部分柱子采用，最后发展到全部柱子采用的过程。其中局部采用钢管混凝土柱子的高层建筑有：福建泉州市邮电局大楼（高87.5m）、福建南安邮局大厦、福州环球广场、广州好世界广场(116.3m)、北京四川大厦、福建省政府屏山综合楼二区；大部分柱子采用的有：厦门阜康大厦(86.5m)、北京世界金融中心大厦(120m)、广州新中国大厦(201.8m)、深圳市邮电信息中心大厦、天津工商银行办公大楼；全部柱子采用的有：厦门金源大厦（96.1m）、天津今晚报大厦（137m）、深圳赛格广场大厦（291.6m）、上海陆海工程（84.7m）等。其中深圳赛格广场大厦获得2000年国家科技进步二等奖，这是我国自行设计、自己加工制造自己施工并全部采用国产钢材、自行投资的第一个组合结构高层建筑。钢管混凝土在桥梁及高层建筑中的应用迈出了其在实际工程中应用的第二步。   近十年，钢管混凝土被应用于叠合柱。随着对钢管混凝土理论研究的深入和工程应用的日益广泛，提高钢管混凝土的抗火性能和核心高强混凝土的脆性等问题成为迫切需要解决的问题。目前，解决这一问题主要有两种方法：其一是通过在钢管内填充配筋混凝土或钢纤维混凝土来解决钢管混凝土的脆性问题，通过在钢管外表面喷吐防火涂料来解决钢管混凝土的抗火问题；其二是采用叠合柱。叠合柱是将钢管混凝土布置在柱的核心，外面再包围灌浇一圈钢筋混凝土所形成的钢管、管内素混凝土和管外钢筋混凝土三种材料组合的组合柱[5]。叠合柱由于外包混凝土，所以其防火、耐腐性较好，同时，因总轴力的相当大部分由核心内钢管混凝土承担，外围混凝土分担（按竖向刚度比分配）的轴压力小，因此轴压比也较小，具有良好的延性。目前，辽宁地区采用叠合柱结构的工程有：沈阳日报大厦（105m）、辽宁省邮政枢纽（96.6m）、辽宁物产大厦(100m)、沈阳和泰大厦(75.6m)、沈阳和平区地税局(76.8m)、沈阳电力花园双塔(110m)、沈阳方圆大厦(99.8m)、沈阳富林广场(125m)、大连边业银行大厦(200m)[5]。钢管混凝土在叠合柱中的应用迈出了其在实际工程中应用的第三步。2.2钢管混凝土在住宅中的应用特点及其应用一方面是因为钢结构自身具有科技含量较高,利于环境保护,且可再生利用等优点，另一方面是由于我国钢产量大幅度增加，世界钢产量日趋饱和，钢材价格随之下降，所以近年来我国开始大力推广钢结构，鼓励采用钢结构。建设部等部门也为此制定了加速推广建筑钢结构发展和应用的目标,确定"十五"期间以推广住宅钢结构为重点，力争在"十五"期间使我国建筑钢结构用钢量达到全国钢材总产量的3%,到2015年达到6%[6]。住宅建筑历来居建筑业首位，所以在住宅建筑中推广钢结构势在必行。   住宅钢结构，有低层、多层和高层之分。3层以下为低层，9层以下为多层，9层以上为高层，10～12层又称小高层。住宅钢结构,考虑抗震要求，一般不宜超过12层，同时又由于我国人口众多,土地资源相对不足，城市住宅需求量迅速增长,所以宜发展多层和小高层钢结构住宅，但在人口密度大的城市，仍然是以高层为主。住宅钢结构,具有柱子用量少,室内有效使用空间大，房屋空间布置灵活，结构性能好等优点。它所选择的结构体系一般是：5～6层以下，框架体系或框架-支撑体系；6层以上，框架-支撑体系或框架-混凝土剪力墙（核心筒）体系；多层，大多采用双重体系。钢结构住宅采用的框架柱有H型钢柱，钢管砼柱和钢骨砼柱，后两种为组合柱。在小高层建筑中，组合柱比H型钢柱省钢，进而也就可以降低工程造价，但是，钢骨砼柱的施工较钢管混凝土柱施工复杂，因此，在住宅钢结构中推广钢管混凝土势在必行。   我国在上海、天津、辽宁、新疆等地分别兴建了一些以钢管混凝土作为框架柱的钢结构住宅试点工程，促进钢结构住宅在我国的发展历程。众所周知，上海人口密度大，土地资源宝贵，因此，上海的试点钢结构住宅多选用高层。而天津、辽宁、新疆等地人口密度相对较小，所以多选用了小高层和多层。表1列出了这些地区在高层住宅中采用钢管混凝土作为框架柱的钢结构部分工程情况[7-10]。钢管混凝土在住宅建筑中的应用迈出了其在实际工程应用的第四步，这一步的迈进意义重大，因为它实现了由高层到小高层、多层钢管混凝土结构的发展，为其大量的应用开辟了新局面。表1高层住宅中采用钢管混凝土的部分工程   Table1PartofengineeringapplicationsofadoptedCFSTinsteelhousebuildings工程层数高度/m建筑面积/104m2构体体系设计（开发）单位上海中福城一期18+1约66约3.3钢框架-混凝土剪力墙上海冶金设计研究院上海中福城二期17+1606.0钢结构框架+混凝土核心筒上海中福地产职业有限公司上海中福城三期30+1约1005.2钢结构框架+混凝土核心筒上海建筑设计研究院天津彩丽苑二号楼11约331.015钢-砼组合结构钢-撑天津建工集团二建公司天津监狱综合楼11-13约401.5钢-砼组合结构钢-撑天津建工集团二建公司天津重华西里8#楼9约300.92钢-砼组合结构钢-撑天津建工集团二建公司辽宁本溪华夏花园11+133.80.5577钢框架-剪力墙形式本溪华厦集团新疆库尔勒住宅楼8+1约250.5850钢框架-支撑体系上海冶金设计研究院3结论与展望钢管混凝土在我国的发展只有几十年的历史，但发展速度非常快，如今，已广泛地应用到各个工程领域。尤其是它在住宅中的应用，使其由高层建筑中的应用过渡到小高层、多层建筑中的应用，为其发展创造了广阔空间。预计在21世纪前20年，我国每年需新建住房4.86-5.49亿平方米，后30年每年需新建住房5.76亿平方米。今后50年住宅建设将成为国民经济建设新的增长点和消费热点。因此，钢结构住宅的发展有着广阔的空间，钢管混凝土在住宅中的应用有着广阔的前景。所以，有必要对钢管混凝土做进一步的研究。今后应该做好以下几个方面的工作:   (1)在防火设计方面，要简化钢管混凝土防火极限的设计方法，制定钢结构(钢管混凝土结构)住宅建筑的防火设计规范。只有这样，才能有助于推广钢管混凝土在住宅建筑中的应用。   (2)加强钢结构（钢管混凝土）住宅建筑在火灾后的残余力学性能评估与灾后的维修、加固措施的研究。   (3)钢结构住宅的关键在于外墙板的价格、质量、防水、耐久性及接缝的处理等。目前虽然有的墙板各个方面性能比较好，但价格较高，开发商和住户无法接受，所以暂时还无法大力推广。因此，我们应该大力开发价廉物美、轻质高强且具有耐久性的外墙板与相应的配套构件。   (4)结合实际工程，进一步完善钢结构（钢管混凝土）住宅建筑的设计理论、不同类型结构设计规范和施工规程,尽快编制各类构件的配套图集。   此外,钢结构住宅对施工队伍的施工技术要求比较高,而国内大部地区主要进行混凝土结构的施工建设,因此应该加强对钢结构专业施工队伍的培训，进一步促进钢管混凝土在住宅中的发展与应用。