名師講壇：鋼管混凝土在住宅建筑中的應用

　　摘要：簡要介紹了鋼管混凝土的發(fā)展史和研究進展及其在實際工程中的應用,闡述了鋼管混凝土在鋼結構住宅建筑中應用的特點及工程應用,并對今后需要進一步研究的問題進行了展望。 

　　關鍵詞：鋼管混凝土 住宅建筑 多高層建筑 工程應用

　　鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土后形成的構件，它是在型鋼混凝土及螺旋配筋混凝土的基礎上發(fā)展起來的。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土在受力過程中的相互作用使混凝土處于復雜應力狀態(tài)下，從而使混凝土的強度得以提高，塑性和韌性性能大為改善; 同時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?，二者相互貢獻，協同互補，共同工作，提高了鋼管混凝土構件的整體性，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后可修復性以及經濟指標先進等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用[1-2]。

　　1 鋼管混凝土的研究進展

　　按照截面的形式，鋼管混凝土可分為圓鋼管混凝土（習慣稱為鋼管混凝土）、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構的工程之一是1879年英國的Severn鐵路橋的橋墩，當時在鋼管內填充混凝土在承受壓力的同時也用來防止鋼管銹蝕。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構件承載力的提高，只是對兩者進行簡單地迭加。隨著研究的深入，人們發(fā)現在受力過程中，由于鋼管對混凝土的約束作用使混凝土處于復雜應力狀態(tài)下，從而使混凝土的強度得以提高，塑性和韌性性能大為改善; 同時由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，二者相互作用協同互補，提高了鋼管混凝土的整體性，使其具有一系列優(yōu)越的力學性能和先進的經濟指標。

　　對鋼管混凝土力學性能的研究存在各種不同的研究方法，如實驗研究、實驗系數回歸、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致了其力學性能的復雜性。由于研究者們從不同角度對上述問題進行研究，對鋼管和混凝土之間的緊箍效應理解不同，因此所獲計算方法和計算結果就會有所出入。各國研究者分別對鋼管混凝土構件在靜力、動力、火災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構的力學性能進行了系統研究[1-4]。世界各國在有關研究成果的基礎上分別制訂了鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程，如歐洲的EC4（1996）、DIN18800（1997），美國的ACI-319-89、SSLC（1979）、LRFD（1994），日本的AIJ（1980，1997）。我國是在上世紀60年代開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，已頒布了幾個設計規(guī)程，如JCJ01-89、CECS28:90、DL/T5085-1999和GJB1029-2001。這些規(guī)程的制定，拉開了鋼管混凝土在我國建筑業(yè)中廣泛應用的序幕。

　　2 鋼管混凝土在住宅中的應用 

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

　　2.1 鋼管混凝土在非住宅建筑中的應用及特點

　　20世紀60年代，鋼管混凝土開始應用于工業(yè)廠房。據統計，到1994年我國就有上百個單層、多層廠房或構架柱工程采用鋼管混凝土柱，每根構件的造價與鋼筋混凝土柱的相當或有所降低，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構車間，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用邁出了其在實際工程中應用的第一步。

　　近十幾年，鋼管混凝土被廣泛地應用于拱橋和空間桁架梁式橋梁結構中。據不完全統計,截止1999年，我國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，鋼管混凝土在我國高層和超高層建筑中的應用發(fā)展很快，經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、廣州好世界廣場(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）、天津今晚報大廈（137m）、深圳賽格廣場大廈（291.6m）、上海陸海工程（84.7m）等。其中深圳賽格廣場大廈獲得2000年國家科技進步二等獎，這是我國自行設計、自己加工制造自己施工并全部采用國產鋼材、自行投資的第一個組合結構高層建筑。鋼管混凝土在橋梁及高層建筑中的應用邁出了其在實際工程中應用的第二步。

　　近十年，鋼管混凝土被應用于疊合柱。隨著對鋼管混凝土理論研究的深入和工程應用的日益廣泛，提高鋼管混凝土的抗火性能和核心高強混凝土的脆性等問題成為迫切需要解決的問題。目前，解決這一問題主要有兩種方法：其一是通過在鋼管內填充配筋混凝土或鋼纖維混凝土來解決鋼管混凝土的脆性問題，通過在鋼管外表面噴吐防火涂料來解決鋼管混凝土的抗火問題；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，因總軸力的相當大部分由核心內鋼管混凝土承擔，外圍混凝土分擔（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)采用疊合柱結構的工程有：沈陽日報大廈（105m）、遼寧省郵政樞紐（96.6m）、遼寧物產大廈(100m)、沈陽和泰大廈(75.6m)、沈陽和平區(qū)地稅局(76.8m)、沈陽電力花園雙塔(110m)、沈陽方圓大廈(99.8m)、沈陽富林廣場(125m)、大連邊業(yè)銀行大廈(200m)[5]。鋼管混凝土在疊合柱中的應用邁出了其在實際工程中應用的第三步。

　　2.2 鋼管混凝土在住宅中的應用特點及其應用

　　一方面是因為鋼結構自身具有科技含量較高,利于環(huán)境保護,且可再生利用等優(yōu)點，另一方面是由于我國鋼產量大幅度增加，世界鋼產量日趨飽和，鋼材價格隨之下降，所以近年來我國開始大力推廣鋼結構，鼓勵采用鋼結構。建設部等部門也為此制定了加速推廣建筑鋼結構發(fā)展和應用的目標, 確定"十五"期間以推廣住宅鋼結構為重點，力爭在"十五"期間使我國建筑鋼結構用鋼量達到全國鋼材總產量的3%,到2015年達到6%[6]。住宅建筑歷來居建筑業(yè)首位，所以在住宅建筑中推廣鋼結構勢在必行。

　　住宅鋼結構，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。住宅鋼結構,考慮抗震要求，一般不宜超過12層，同時又由于我國人口眾多,土地資源相對不足，城市住宅需求量迅速增長,所以宜發(fā)展多層和小高層鋼結構住宅，但在人口密度大的城市，仍然是以高層為主。住宅鋼結構,具有柱子用量少, 室內有效使用空間大，房屋空間布置靈活，結構性能好等優(yōu)點。它所選擇的結構體系一般是：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。鋼結構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，進而也就可以降低工程造價，但是，鋼骨砼柱的施工較鋼管混凝土柱施工復雜，因此，在住宅鋼結構中推廣鋼管混凝土勢在必行。

　　我國在上海、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構住宅試點工程，促進鋼結構住宅在我國的發(fā)展歷程。眾所周知，上海人口密度大，土地資源寶貴，因此，上海的試點鋼結構住宅多選用高層。而天津、遼寧、新疆等地人口密度相對較小，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構部分工程情況[7-10]。鋼管混凝土在住宅建筑中的應用邁出了其在實際工程應用的第四步，這一步的邁進意義重大，因為它實現了由高層到小高層、多層鋼管混凝土結構的發(fā)展，為其大量的應用開辟了新局面。 

表1 高層住宅中采用鋼管混凝土的部分工程

　　3 結論與展望

　　鋼管混凝土在我國的發(fā)展只有幾十年的歷史，但發(fā)展速度非?？欤缃?，已廣泛地應用到各個工程領域。尤其是它在住宅中的應用，使其由高層建筑中的應用過渡到小高層、多層建筑中的應用，為其發(fā)展創(chuàng)造了廣闊空間。預計在21世紀前20年，我國每年需新建住房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年住宅建設將成為國民經濟建設新的增長點和消費熱點。因此，鋼結構住宅的發(fā)展有著廣闊的空間，鋼管混凝土在住宅中的應用有著廣闊的前景。所以，有必要對鋼管混凝土做進一步的研究。今后應該做好以下幾個方面的工作:

　　(1) 在防火設計方面，要簡化鋼管混凝土防火極限的設計方法，制定鋼結構(鋼管混凝土結構)住宅建筑的防火設計規(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用。

　　(2) 加強鋼結構（鋼管混凝土）住宅建筑在火災后的殘余力學性能評估與災后的維修、加固措施的研究。

　　(3) 鋼結構住宅的關鍵在于外墻板的價格、質量、防水、耐久性及接縫的處理等。目前雖然有的墻板各個方面性能比較好，但價格較高，開發(fā)商和住戶無法接受，所以暫時還無法大力推廣。因此，我們應該大力開發(fā)價廉物美、輕質高強且具有耐久性的外墻板與相應的配套構件。

　　(4) 結合實際工程，進一步完善鋼結構（鋼管混凝土）住宅建筑的設計理論、不同類型結構設計規(guī)范和施工規(guī)程，盡快編制各類構件的配套圖集。

　　此外，鋼結構住宅對施工隊伍的施工技術要求比較高，而國內大部地區(qū)主要進行混凝土結構的施工建設，因此應該加強對鋼結構專業(yè)施工隊伍的培訓，進一步促進鋼管混凝土在住宅中的發(fā)展與應用。