鋼管混凝土在住宅建筑中的應(yīng)用

　　摘要：簡(jiǎn)要介紹了鋼管混凝土的發(fā)展史和研究進(jìn)展及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用,闡述了鋼管混凝土在鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中應(yīng)用的特點(diǎn)及工程應(yīng)用,并對(duì)今后需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題進(jìn)行了展望。 

　　關(guān)鍵詞：鋼管混凝土 住宅建筑 多高層建筑 工程應(yīng)用

　　鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土后形成的構(gòu)件，它是在型鋼混凝土及螺旋配筋混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土在受力過(guò)程中的相互作用使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，從而使混凝土的強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性性能大為改善; 同時(shí)由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，從而保證材料性能的充分發(fā)揮?？梢?jiàn)，二者相互貢獻(xiàn)，協(xié)同互補(bǔ)，共同工作，提高了鋼管混凝土構(gòu)件的整體性，使其具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能好、施工方便、較好的耐火性能和良好的災(zāi)后可修復(fù)性以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

　　1 鋼管混凝土的研究進(jìn)展

　　按照截面的形式，鋼管混凝土可分為圓鋼管混凝土（習(xí)慣稱為鋼管混凝土）、方鋼管混凝土、矩形鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等。最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程之一是1879年英國(guó)的Severn鐵路橋的橋墩，當(dāng)時(shí)在鋼管內(nèi)填充混凝土在承受壓力的同時(shí)也用來(lái)防止鋼管銹蝕。早期的研究不考慮鋼管及其核心混凝土之間的相互作用對(duì)構(gòu)件承載力的提高，只是對(duì)兩者進(jìn)行簡(jiǎn)單地迭加。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)在受力過(guò)程中，由于鋼管對(duì)混凝土的約束作用使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，從而使混凝土的強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性性能大為改善; 同時(shí)由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，二者相互作用協(xié)同互補(bǔ)，提高了鋼管混凝土的整體性，使其具有一系列優(yōu)越的力學(xué)性能和先進(jìn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

　　對(duì)鋼管混凝土力學(xué)性能的研究存在各種不同的研究方法，如實(shí)驗(yàn)研究、實(shí)驗(yàn)系數(shù)回歸、極限狀態(tài)分析法、以及纖維模型法和有限元法等的數(shù)值解法[3-4]，它們的區(qū)別在于如何估算鋼管與核心混凝土之間的相互約束作用，這種約束作用的存在導(dǎo)致了其力學(xué)性能的復(fù)雜性。由于研究者們從不同角度對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)鋼管和混凝土之間的緊箍效應(yīng)理解不同，因此所獲計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果就會(huì)有所出入。各國(guó)研究者分別對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件在靜力、動(dòng)力、火災(zāi)作用下以及鋼管混凝土與鋼梁或鋼筋混凝土梁組成的框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究[1-4]。世界各國(guó)在有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上分別制訂了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程，如歐洲的EC4（1996）、DIN18800（1997），美國(guó)的ACI-319-89、SSLC（1979）、LRFD（1994），日本的AIJ（1980，1997）。我國(guó)是在上世紀(jì)60年代開(kāi)始研究鋼管混凝土的，主要集中在鋼管中灌素混凝土，雖然起步較晚，特別是近十幾年取得了令人矚目的成就，已頒布了幾個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)程，如JCJ01-89、CECS28:90、DL/T5085-1999和GJB1029-2001。這些規(guī)程的制定，拉開(kāi)了鋼管混凝土在我國(guó)建筑業(yè)中廣泛應(yīng)用的序幕。

　　2 鋼管混凝土在住宅中的應(yīng)用 

　　20世紀(jì)60-80年代鋼管混凝土開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑。隨著理論研究的深入、設(shè)計(jì)規(guī)程的頒布和其自身具有的優(yōu)點(diǎn)，鋼管混凝土被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于單層和多層工業(yè)廠房柱、設(shè)備構(gòu)架柱、各種構(gòu)架、支架、棧橋柱、地鐵站臺(tái)柱、送變電桿塔、桁架壓桿、樁、空間結(jié)構(gòu)，近10年又被應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)、高層和超高層建筑中，特別是近2-3年，它被越來(lái)越多地應(yīng)用于住宅建筑中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和建筑效果。

　　2.1 鋼管混凝土在非住宅建筑中的應(yīng)用及特點(diǎn)

　　20世紀(jì)60年代，鋼管混凝土開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)廠房。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1994年我國(guó)就有上百個(gè)單層、多層廠房或構(gòu)架柱工程采用鋼管混凝土柱，每根構(gòu)件的造價(jià)與鋼筋混凝土柱的相當(dāng)或有所降低，但截面明顯減少，施工周期縮短。鋼管混凝土廠房遍布全國(guó)各地，如上海三十一棉紡廠，大連造船廠船體裝配車間，武昌造船廠和中華造船廠船體結(jié)構(gòu)車間，太原鋼鐵公司三煉鋼連鑄車間等[2] 。鋼管混凝土在廠房中的應(yīng)用邁出了其在實(shí)際工程中應(yīng)用的第一步。

　　近十幾年，鋼管混凝土被廣泛地應(yīng)用于拱橋和空間桁架梁式橋梁結(jié)構(gòu)中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截止1999年，我國(guó)共建造鋼管混凝土拱橋一百多座，鋼管混凝土勁性骨架拱橋10余座。與此同時(shí)，鋼管混凝土在我國(guó)高層和超高層建筑中的應(yīng)用發(fā)展很快，經(jīng)歷了由局部柱子采用，到大部分柱子采用，最后發(fā)展到全部柱子采用的過(guò)程。其中局部采用鋼管混凝土柱子的高層建筑有：福建泉州市郵電局大樓（高87.5m）、福建南安郵局大廈、福州環(huán)球廣場(chǎng)、廣州好世界廣場(chǎng)(116.3m)、北京四川大廈、福建省政府屏山綜合樓二區(qū)；大部分柱子采用的有：廈門阜康大廈(86.5m)、北京世界金融中心大廈(120m)、廣州新中國(guó)大廈(201.8m)、深圳市郵電信息中心大廈、天津工商銀行辦公大樓；全部柱子采用的有：廈門金源大廈（96.1m）、天津今晚報(bào)大廈（137m）、深圳賽格廣場(chǎng)大廈（291.6m）、上海陸海工程（84.7m）等。其中深圳賽格廣場(chǎng)大廈獲得2000年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，這是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自己加工制造自己施工并全部采用國(guó)產(chǎn)鋼材、自行投資的第一個(gè)組合結(jié)構(gòu)高層建筑。鋼管混凝土在橋梁及高層建筑中的應(yīng)用邁出了其在實(shí)際工程中應(yīng)用的第二步。

　　近十年，鋼管混凝土被應(yīng)用于疊合柱。隨著對(duì)鋼管混凝土理論研究的深入和工程應(yīng)用的日益廣泛，提高鋼管混凝土的抗火性能和核心高強(qiáng)混凝土的脆性等問(wèn)題成為迫切需要解決的問(wèn)題。目前，解決這一問(wèn)題主要有兩種方法：其一是通過(guò)在鋼管內(nèi)填充配筋混凝土或鋼纖維混凝土來(lái)解決鋼管混凝土的脆性問(wèn)題，通過(guò)在鋼管外表面噴吐防火涂料來(lái)解決鋼管混凝土的抗火問(wèn)題；其二是采用疊合柱。疊合柱是將鋼管混凝土布置在柱的核心，外面再包圍灌澆一圈鋼筋混凝土所形成的鋼管、管內(nèi)素混凝土和管外鋼筋混凝土三種材料組合的組合柱[5]。疊合柱由于外包混凝土，所以其防火、耐腐性較好，同時(shí)，因總軸力的相當(dāng)大部分由核心內(nèi)鋼管混凝土承擔(dān)，外圍混凝土分擔(dān)（按豎向剛度比分配）的軸壓力小，因此軸壓比也較小，具有良好的延性。目前，遼寧地區(qū)采用疊合柱結(jié)構(gòu)的工程有：沈陽(yáng)日?qǐng)?bào)大廈（105m）、遼寧省郵政樞紐（96.6m）、遼寧物產(chǎn)大廈(100m)、沈陽(yáng)和泰大廈(75.6m)、沈陽(yáng)和平區(qū)地稅局(76.8m)、沈陽(yáng)電力花園雙塔(110m)、沈陽(yáng)方圓大廈(99.8m)、沈陽(yáng)富林廣場(chǎng)(125m)、大連邊業(yè)銀行大廈(200m)[5]。鋼管混凝土在疊合柱中的應(yīng)用邁出了其在實(shí)際工程中應(yīng)用的第三步。

　　2.2 鋼管混凝土在住宅中的應(yīng)用特點(diǎn)及其應(yīng)用

　　一方面是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)自身具有科技含量較高,利于環(huán)境保護(hù),且可再生利用等優(yōu)點(diǎn)，另一方面是由于我國(guó)鋼產(chǎn)量大幅度增加，世界鋼產(chǎn)量日趨飽和，鋼材價(jià)格隨之下降，所以近年來(lái)我國(guó)開(kāi)始大力推廣鋼結(jié)構(gòu)，鼓勵(lì)采用鋼結(jié)構(gòu)。建設(shè)部等部門也為此制定了加速推廣建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展和應(yīng)用的目標(biāo), 確定"十五"期間以推廣住宅鋼結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)，力爭(zhēng)在"十五"期間使我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)到全國(guó)鋼材總產(chǎn)量的3%,到2015年達(dá)到6%[6]。住宅建筑歷來(lái)居建筑業(yè)首位，所以在住宅建筑中推廣鋼結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行。

　　住宅鋼結(jié)構(gòu)，有低層、多層和高層之分。3層以下為低層，9層以下為多層， 9層以上為高層，10～12層又稱小高層。住宅鋼結(jié)構(gòu),考慮抗震要求，一般不宜超過(guò)12層，同時(shí)又由于我國(guó)人口眾多,土地資源相對(duì)不足，城市住宅需求量迅速增長(zhǎng),所以宜發(fā)展多層和小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，但在人口密度大的城市，仍然是以高層為主。住宅鋼結(jié)構(gòu),具有柱子用量少, 室內(nèi)有效使用空間大，房屋空間布置靈活，結(jié)構(gòu)性能好等優(yōu)點(diǎn)。它所選擇的結(jié)構(gòu)體系一般是：5～6層以下，框架體系或框架-支撐體系；6層以上，框架-支撐體系或框架-混凝土剪力墻（核心筒）體系；多層，大多采用雙重體系。鋼結(jié)構(gòu)住宅采用的框架柱有H型鋼柱，鋼管砼柱和鋼骨砼柱，后兩種為組合柱。在小高層建筑中，組合柱比H型鋼柱省鋼，進(jìn)而也就可以降低工程造價(jià)，但是，鋼骨砼柱的施工較鋼管混凝土柱施工復(fù)雜，因此，在住宅鋼結(jié)構(gòu)中推廣鋼管混凝土勢(shì)在必行。

　　我國(guó)在上海、天津、遼寧、新疆等地分別興建了一些以鋼管混凝土作為框架柱的鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)工程，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)的發(fā)展歷程。眾所周知，上海人口密度大，土地資源寶貴，因此，上海的試點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)住宅多選用高層。而天津、遼寧、新疆等地人口密度相對(duì)較小，所以多選用了小高層和多層。表1列出了這些地區(qū)在高層住宅中采用鋼管混凝土作為框架柱的鋼結(jié)構(gòu)部分工程情況[7-10]。鋼管混凝土在住宅建筑中的應(yīng)用邁出了其在實(shí)際工程應(yīng)用的第四步，這一步的邁進(jìn)意義重大，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了由高層到小高層、多層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展，為其大量的應(yīng)用開(kāi)辟了新局面。 

表1 高層住宅中采用鋼管混凝土的部分工程

　　3 結(jié)論與展望

　　鋼管混凝土在我國(guó)的發(fā)展只有幾十年的歷史，但發(fā)展速度非常快，如今，已廣泛地應(yīng)用到各個(gè)工程領(lǐng)域。尤其是它在住宅中的應(yīng)用，使其由高層建筑中的應(yīng)用過(guò)渡到小高層、多層建筑中的應(yīng)用，為其發(fā)展創(chuàng)造了廣闊空間。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)前20年，我國(guó)每年需新建住房4.86-5.49億平方米，后30年每年需新建住房5.76億平方米。今后50年住宅建設(shè)將成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)和消費(fèi)熱點(diǎn)。因此，鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展有著廣闊的空間，鋼管混凝土在住宅中的應(yīng)用有著廣闊的前景。所以，有必要對(duì)鋼管混凝土做進(jìn)一步的研究。今后應(yīng)該做好以下幾個(gè)方面的工作:

　　(1) 在防火設(shè)計(jì)方面，要簡(jiǎn)化鋼管混凝土防火極限的設(shè)計(jì)方法，制定鋼結(jié)構(gòu)(鋼管混凝土結(jié)構(gòu))住宅建筑的防火設(shè)計(jì)規(guī)范。只有這樣，才能有助于推廣鋼管混凝土在住宅建筑中的應(yīng)用。

　　(2) 加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)（鋼管混凝土）住宅建筑在火災(zāi)后的殘余力學(xué)性能評(píng)估與災(zāi)后的維修、加固措施的研究。

　　(3) 鋼結(jié)構(gòu)住宅的關(guān)鍵在于外墻板的價(jià)格、質(zhì)量、防水、耐久性及接縫的處理等。目前雖然有的墻板各個(gè)方面性能比較好，但價(jià)格較高，開(kāi)發(fā)商和住戶無(wú)法接受，所以暫時(shí)還無(wú)法大力推廣。因此，我們應(yīng)該大力開(kāi)發(fā)價(jià)廉物美、輕質(zhì)高強(qiáng)且具有耐久性的外墻板與相應(yīng)的配套構(gòu)件。

　　(4) 結(jié)合實(shí)際工程，進(jìn)一步完善鋼結(jié)構(gòu)（鋼管混凝土）住宅建筑的設(shè)計(jì)理論、不同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)程，盡快編制各類構(gòu)件的配套圖集。

　　此外，鋼結(jié)構(gòu)住宅對(duì)施工隊(duì)伍的施工技術(shù)要求比較高，而國(guó)內(nèi)大部地區(qū)主要進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的施工建設(shè)，因此應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)施工隊(duì)伍的培訓(xùn)，進(jìn)一步促進(jìn)鋼管混凝土在住宅中的發(fā)展與應(yīng)用。