关键词；钢管混凝土 高强混凝土 高屋建筑 大跨度桥梁 组合结构
 

钢管混凝土就是由混凝土填入薄壁圆形钢管而形成的组合结构材料.其基本原理是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。钢管混凝土除具有强度高、重量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能外，还具有省工省料、架设轻便、施工快速等优越的施工性能^[1-4]。

从1897年美国人John Lally 在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱（称为Lally柱）并获得专利算起，钢管混凝土结构在土木工程中的应用已有百年历史。钢管混凝土优越的力学性能和施工性能，一开始就受到美欧各国土木工程界的重视，竞相开发利用。其间，开展了大量的试验研究工作，曾在一些厂房建筑、个别的多层建筑和立交桥以及特种结构工程中加以应用。但终因管内混凝土的浇灌工艺未得到很好解决，现场的施工操作显得繁琐，而使用权钢管混凝土在施工性能方面的潜在优势未能得到应有的发挥。相比之下，人们仍宁愿采用操作简单、质检直观的普通钢筋混凝土结构或工厂化程度高、现场劳动量少、吊装轻便、施工快速的钢结构。

80年代后期，由于现代高强、高性能混凝土技术和泵灌混凝土技术的迅速发展，给钢管混凝土结构技术的发展增添了新的活力，在欧、美、澳的一些桥梁工程和高屋建筑工程中，钢管高强混凝土技术悄然兴起。这是因为：（1）圆形钢管的套箍约束作用能最有效地克服核心高强混凝土的脆性；（2）泵灌混凝土工怕发展，解决了现场钢管混凝土的浇灌工艺问题，而圆形钢管本身就是耐侧压的模板，能最有效地适应先进的泵灌混凝土工艺；（3）钢管兼有纵筋和箍筋的功能，其用钢量较变通钢筋骨架为省，而且因有钢管分隔，管内高强混凝土浇灌与管外梁板结构的普通混凝土浇灌互不干扰，无交错浇灌的麻烦；（4）钢管外无混凝土保护层，能充分发挥高强混凝土的承载能力。采有钢管高强混凝土技术是解决钢筋混凝土高层建筑“胖柱”问题和增大桥梁结构跨越能力的经济而有效的措施，是高层建筑和桥梁建筑技术进步的重大突破。

钢管混凝土结构技术在我国开发利用已有近40年的历史。1966年成功地将钢管混凝土柱用于北京地铁车站工程。70年代又在冶金、造船、电力、等待业的单层厂房和重型构架中得到成功的应用。80年代，根据建设部科技发展计划，在我国开展了较系统的科学试验研究，使钢管混凝土结构的计算理论和设计方法取得了长足的进展，已形成一套能满足设计需要的计算理论和设计方法^[1]。影响钢管混凝土极限承载力的主要因素，诸如（a）钢管对核心混凝土的套箍强化作用，（b）柱的长细比，（c）作用力的偏心率，（d）柱端约束条件（转动和侧移），（e）沿柱身的弯矩分布梯度等，在计算公式中都得到恰当的考虑。在格构柱的承载力计算公式中，考虑了钢管混凝土柱肢的抗压强度和抗拉强度不相等这一重要特性。

我国在钢管高强混凝土的研究和应用上起步并不算晚。早在1984年另建筑科学研究院结构海军工程设计研究局协作，即开始了对C75-C85级钢管高强混凝土柱基本性能的试验研究。接着在国家自然科学基金会和建设部、铁道部、国家建材局等联合资助的“七五”重点科技项目《高强混凝土结构性能、设计方法及施工工艺的研究》和“八五”重点科技项目《高强与高性能混凝土材料的结构与力学性态研究》中，都有关于钢管高强混凝土的研究子项，先后由中国建筑科学研究院、清华大学和重庆建筑大学等承担，混凝土强度等级已达到C116。这些研究成果^[5～10]以条文的形式被列入1990年由中国工程建设标准化协会批准颁布的《钢管混凝土结构设计施工规程》（CECS28：90）^[11]（涵盖至C60），1994年10月由中国建筑工业出版社出版的《高强混凝土结构设计与施工掼》^[12]第一版和2001年第二版^[13]以及1999年由中国工程建设标准化协会批准颁布的《高强混凝土结构技术规程》（CECS104：99）^[14]，更将其涵盖的混凝土强度等级从C60扩展到C80，为钢管高强混凝土的推广应用提供了技术上的后盾。建设部于1995年将钢管混凝土结构技术列入科技成果重点推广项目。

最近10年，时逢盛世，国家经济迅猛发展，钢管高强混凝土结构技术在我国的高层建筑工程和大跨度桥梁工程中得到卓有成效的应用，有国行推动了上述领域营造技术的发展，取得了令人瞩目 扰就，而钢管高强混凝土结构技术自身也在上述工程实践中得到了新的发展。

2．高层建筑工程

    在高层次建筑结构中，钢管混凝土柱具有很强的相容性，它既可在混凝土结构体系中因时因地制宜地取代部分钢筋混凝土柱，以解决高层建筑底部的“胖柱”问题和钢筋高强混凝土柱的脆性破坏问题；也可在钢结构体系中取代钢柱，以减少钢材用量和减轻风致振动等。

    我国是采用钢筋混凝土结构的大国，绝大部分高层建筑都是钢筋混凝土结构体系。随着高度超过100m的超高层建筑大量兴建，在高强混凝土还不普及的80年代后期，人们开始应用钢管混凝土柱以解决“胖柱”问题的探索，在北京建造了四川大厦的地下车库^[15]，在福建建造了泉州邮电大厦（15层）、厦门金源大厦（28层）和阜康大厦（25层）^[16]。进入90年代以后，C60级高强混凝土柱大量应用，“胖柱”问题有所缓解，但高强混凝土柱的脆性破坏问题复又突出。在此情况下，钢管高强混凝土柱应运而生，它既解决了高强混凝土柱的脆性破坏问题，又进一步减小了柱的横截面尺寸。广州好世界广场大厦（33层?┞氏扔?/FONT>1993年采用了C60级的钢管高强混凝土柱并获得成功。钢管高强混凝土柱在“减肥”方面的有效性，逐渐得到 结构工程界的认同。据不完全统计，短短数年间，在广州、天津、深圳、重庆、北京、昆明、福州和南京等城市采用钢管高强混凝土柱的超高层建筑已有20多座（表1）。

表1 采用钢管高强混凝土柱的高层建筑汇总

其中深圳赛格广场大厦（25层）还是我国自行设计和施工的属于钢结构体系的超高层建筑，它为我国刚刚起步的高层建筑钢结构的发展，提出了一条可供参考和选择的技术路线。

实践表明，在高层建中采用钢管混凝土柱以后，除梁/柱节点构造变动较大外，在施工程序上，与原不的结构体系几乎无甚差异例如混凝土结构体系仍然是按楼层分段施工，柱子为每1～3层楼安装一次钢管和从管的上口浇灌混凝土。只是钢管兼具钢筋和模板的功能，在工厂预制后于现场一次吊装就位，现场工序更为简化。至于钢结构体系，仍然保持着工厂化程度高、施工速度快等特点。尽管增加了在钢管柱内灌注混凝土的工序，但因钢管柱具有足够的刚度和强度，管内混凝土可选择在任何时候进行浇灌，甚至可3～4层楼浇灌一次（泵灌顶升），并不占用整个建筑的主导工期。在采用钢管混凝土柱以后，建筑的地下部分和基础开挖可实行逆作法施工。这样，高层建筑地下和地上结构歌曲时并行施工，从而节省大约半年的基础开挖和地下室施工时间，并可相应解决在大城市繁华地段因施工场地狭窄所带来的交通、安全、噪声、环境污染等一系列困扰问题。

实践还表明，钢管高强混凝土柱的造价并不比钢筋混凝土高，而与钢筋混凝土柱的造价持平。

与普通钢混凝土术玎比较，钢管混凝土柱具有更为优越的抗震性能。因钢管既是纵向钢筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在30以下，这相当于配筋率至少都有在4.6%以上,远超过抗震设计规范对钢筋混凝土所要求的最小配筋率限值.至于轴压比问题,由于钢管混凝土的抗压强度和变形能力特佳,即使在高轴压条件下,仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”,不存在受压区先破坏的问题,也不存在像钢柱那样的受压翼缘屈曲推移 的问题.因此,从保证控制截面的转动能力而言,无需限定轴压比值.就这个意义讲,钢管混凝土的抗震性能比钢柱和钢筋混凝土柱都有强.

据陈肇元教授报导^[17],清华大学曾对钢管混凝土柱钢骨混凝土柱和钢筋混凝土柱抗震延性作过一些比较^[18],在相同的试验条件(试件尺寸、加载装置、加载制度、轴压比)下,得出的三者的极限位移角R_u为(1)当轴压比n=0.4,并且在每级荷载或水平位移下的,则含钢量5.9%～11.8%、混凝土强度80～97Mpa的钢管混凝土试件R_u=1/26～1/35,而含钢量较低或大体相当(7.4%～10.3%)、混凝土强度也较低(62～71Mpa)的钢骨混凝土术琪 延性(R_u=1/47～1/50)反而不如钢管柱;至于钢筋混凝土柱(混凝土强度为60Mpa),在进入屈服阶段后,很难在每级水平位移下只反复循环1次,其极限位移角仍然较小,其延长性根本不能与前二种组合术玎比.(2)当轴压比n=0.6,含钢量11.8%的钢管混凝土柱的R_u=1/43,而含钢量约10%的钢骨混凝土柱则为1/66,作为极限位移角的延性性能要比钢管混凝土低50%,至于钢筋混凝土柱在0.6高轴压比下的脆性就更加突出.

钢管混凝土柱的连接构造,关系结构安全,至为重要.它包括钢管混凝土柱与楼盖结构的连接、钢管混凝土柱与钢筋混凝土术珠连接、钢管混凝土柱与钢筋混凝土基础的连接、钢管混凝土柱自身的接长、钢管与核心混凝土界面的抗剪连接等.我国在连接构造的设计方面积累了相当丰富的经验.例如钢管混凝土柱与钢筋混凝土楼盖体系连接,其剪力传递的构造,就有穿心的钢牛腿和不穿心的环形钢牛腿及钢筋环两大类;弯矩传递的构造,也有钢筋穿心和钢筋不穿心两大类,后者则有平行双梁、变宽度梁和环梁等形式.为验证这些连接构造成的可靠性,有关单位还进行了专门的试验研究^[19～23].

以下是几个典型工程实例.

2.1广州好世界广场大厦(图1)^[18、19]

该大厦位于广州市花园酒店西侧,环市东路与建设六马路交汇处的繁华地段,地上33层,地下3层,地上总高度为116.3m地下层为设备房及人防面积,-1、-2层及地下1、2为商场,3～8层为停车场,9层以上为写字楼,占地面积3522?,建筑面积57000?,是国内第一座采用C60级钢管高强混凝土柱的超高层建筑.按7度地震设计.

结构体系为现浇钢筋混凝土框架剪力墙,柱网为8.2×7.9m～6m(图2).裙楼柱最大轴国秋13000Kn,主楼柱最大轴力为39000kN.如采用C40级钢筋混凝土柱,截面尺寸将为1.8m×1.8m,这样大的柱截面,严惩影响建筑使用.经反复研究,决定在地上2层以下,采用C60级的钢管高强混凝土柱,以缩小柱的截面积.最后,裙楼柱缩小为直径700?,主楼柱缩小为直径1100～1200?的钢管高强混凝土柱,钢管壁厚分别为10?和20?,管材为Q235钢,直缝焊接管,从而经济有效地解决了“胖柱”问题.

 

钢管内的混凝土浇灌采用自钢管上口泵送抛落方式,除在柱的顶部稍作振插处,其余部位不作振捣.经模拟试验,证明浇灌质量良好.

钢管高强混凝土柱为本工程地下部分的逆作法施工和并行开展地下部分的施工创造了安全可靠的条件,使工期缩短了6个月.

该工程于1994年1月动工,主体于1995年8月封顶.

钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接,其剪力传递采有箜乞讨工字形钢牛腿(承重销),梁端弯矩传递则视建筑布置的具体情况,或采用双梁接头,钢筋从钢管两侧通过,或采用单梁接头,钢筋直接与穿心牛腿的上下翼缘板焊牢.

                                 2.2天津今晚报大厦(图3)^[24]

该大厦位于天津市南京路与南开三马路交汇处东北侧,占地面积1.6万?,总建筑面积8.2万?.地下两层,地下38层,总高度为137m.集办公、写字楼和公寓于一体,其中地下室为停车场和设备用房,裙房为娱乐中心和市场,标准层共30层,12层以下为办公用房,13层至25层为出租写字间,25层以上为公寓,在顶部设有升机停机坪.继广州好世界广场大厦之后,今晚报大厦是采用C60级钢管高强混凝土柱的第二座超高层建设.按7度地震设计.

     主楼结构体系为内筒稀柱现浇钢筋混凝土结构(图4).楼盖为井式双向密肋板,其结构厚度为430?.柱网为8.4m×8.4m.柱最大轴力为35000kN,若采有C60级钢筋高强混凝土柱,截面尺寸需要1.4m×1.4m,这样一来,8.4m术现金帐的术璋净距只有7m,每术璋停三辆车已不可能.而采用C60级钢管高强混凝土柱,柱径仅1020?,柱净空为7.38m,可停三辆车,显著提高了地下停车场的使用效能.根据结构体系的特点,柱子从底至顶,全部采用钢管混凝土柱..钢管为3号钢螺旋缝焊接管.柱子从底到顶分5段逐渐减小，管径从1020?减至630?，每段缩小100?，管壁厚度从14?逐段减至8?，混凝土从C60逐段降至C35。

柱与板连接，采用不穿心的环形钢牛腿传递剪力。环形牛腿由16条竖向腹板与上下加强环焊接而成。腹板与钢管柱、上下加强环板之间的连接为双面满焊，上下加强环与钢管柱的连接采用间断焊，间断率为50%。弯矩传递，与双梁类似，钢筋从钢管两侧通过，不穿过钢管。

该工程于1994年动工，1995年封顶。

2.3深圳赛格广场大厦（图5）^{[25 26]}

该大厦位于深圳市南中路与华强北路交汇处东北角的商业繁华地段,占地9655?,总建筑面积超过16万?,地上72层(含裙房10层),地下4层,总高度291.6m,是一座以电子高科技为主,兼汇展、办公、商贸、信息、证券、娱乐为一体的多功能综合型楼宇.按7度地震设计.这是我国第一座采用钢管高强混凝土柱的钢结构体系超高层建筑,也是目前世界最市制一座钢管混凝土高层建筑