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關(guān)鍵詞；鋼管混凝土 高強混凝土 高屋建筑 大跨度橋梁 組合結(jié)構(gòu)
 

鋼管混凝土就是由混凝土填入薄壁圓形鋼管而形成的組合結(jié)構(gòu)材料.其基本原理是借助圓形鋼管對核心混凝土的套箍約束作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和壓縮變形能力。鋼管混凝土除具有強度高、重量輕、延性好、耐疲勞、耐沖擊等優(yōu)越的力學(xué)性能外，還具有省工省料、架設(shè)輕便、施工快速等優(yōu)越的施工性能^[1-4]。

從1897年美國人John Lally 在圓鋼管中填充混凝土作為房屋建筑的承重柱（稱為Lally柱）并獲得專利算起，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用已有百年歷史。鋼管混凝土優(yōu)越的力學(xué)性能和施工性能，一開始就受到美歐各國土木工程界的重視，競相開發(fā)利用。其間，開展了大量的試驗研究工作，曾在一些廠房建筑、個別的多層建筑和立交橋以及特種結(jié)構(gòu)工程中加以應(yīng)用。但終因管內(nèi)混凝土的澆灌工藝未得到很好解決，現(xiàn)場的施工操作顯得繁瑣，而使用權(quán)鋼管混凝土在施工性能方面的潛在優(yōu)勢未能得到應(yīng)有的發(fā)揮。相比之下，人們?nèi)詫幵覆捎貌僮骱唵?、質(zhì)檢直觀的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或工廠化程度高、現(xiàn)場勞動量少、吊裝輕便、施工快速的鋼結(jié)構(gòu)。

80年代后期，由于現(xiàn)代高強、高性能混凝土技術(shù)和泵灌混凝土技術(shù)的迅速發(fā)展，給鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展增添了新的活力，在歐、美、澳的一些橋梁工程和高屋建筑工程中，鋼管高強混凝土技術(shù)悄然興起。這是因為：（1）圓形鋼管的套箍約束作用能最有效地克服核心高強混凝土的脆性；（2）泵灌混凝土工怕發(fā)展，解決了現(xiàn)場鋼管混凝土的澆灌工藝問題，而圓形鋼管本身就是耐側(cè)壓的模板，能最有效地適應(yīng)先進的泵灌混凝土工藝；（3）鋼管兼有縱筋和箍筋的功能，其用鋼量較變通鋼筋骨架為省，而且因有鋼管分隔，管內(nèi)高強混凝土澆灌與管外梁板結(jié)構(gòu)的普通混凝土澆灌互不干擾，無交錯澆灌的麻煩；（4）鋼管外無混凝土保護層，能充分發(fā)揮高強混凝土的承載能力。采有鋼管高強混凝土技術(shù)是解決鋼筋混凝土高層建筑“胖柱”問題和增大橋梁結(jié)構(gòu)跨越能力的經(jīng)濟而有效的措施，是高層建筑和橋梁建筑技術(shù)進步的重大突破。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國開發(fā)利用已有近40年的歷史。1966年成功地將鋼管混凝土柱用于北京地鐵車站工程。70年代又在冶金、造船、電力、等待業(yè)的單層廠房和重型構(gòu)架中得到成功的應(yīng)用。80年代，根據(jù)建設(shè)部科技發(fā)展計劃，在我國開展了較系統(tǒng)的科學(xué)試驗研究，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的計算理論和設(shè)計方法取得了長足的進展，已形成一套能滿足設(shè)計需要的計算理論和設(shè)計方法^[1]。影響鋼管混凝土極限承載力的主要因素，諸如（a）鋼管對核心混凝土的套箍強化作用，（b）柱的長細比，（c）作用力的偏心率，（d）柱端約束條件（轉(zhuǎn)動和側(cè)移），（e）沿柱身的彎矩分布梯度等，在計算公式中都得到恰當(dāng)?shù)目紤]。在格構(gòu)柱的承載力計算公式中，考慮了鋼管混凝土柱肢的抗壓強度和抗拉強度不相等這一重要特性。

我國在鋼管高強混凝土的研究和應(yīng)用上起步并不算晚。早在1984年另建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)海軍工程設(shè)計研究局協(xié)作，即開始了對C75-C85級鋼管高強混凝土柱基本性能的試驗研究。接著在國家自然科學(xué)基金會和建設(shè)部、鐵道部、國家建材局等聯(lián)合資助的“七五”重點科技項目《高強混凝土結(jié)構(gòu)性能、設(shè)計方法及施工工藝的研究》和“八五”重點科技項目《高強與高性能混凝土材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性態(tài)研究》中，都有關(guān)于鋼管高強混凝土的研究子項，先后由中國建筑科學(xué)研究院、清華大學(xué)和重慶建筑大學(xué)等承擔(dān)，混凝土強度等級已達到C116。這些研究成果^[5～10]以條文的形式被列入1990年由中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會批準(zhǔn)頒布的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計施工規(guī)程》（CECS28：90）^[11]（涵蓋至C60），1994年10月由中國建筑工業(yè)出版社出版的《高強混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工摜》^[12]第一版和2001年第二版^[13]以及1999年由中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會批準(zhǔn)頒布的《高強混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS104：99）^[14]，更將其涵蓋的混凝土強度等級從C60擴展到C80，為鋼管高強混凝土的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)上的后盾。建設(shè)部于1995年將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)列入科技成果重點推廣項目。

最近10年，時逢盛世，國家經(jīng)濟迅猛發(fā)展，鋼管高強混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國的高層建筑工程和大跨度橋梁工程中得到卓有成效的應(yīng)用，有國行推動了上述領(lǐng)域營造技術(shù)的發(fā)展，取得了令人矚目 擾就，而鋼管高強混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)自身也在上述工程實踐中得到了新的發(fā)展。

2．高層建筑工程

    在高層次建筑結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土柱具有很強的相容性，它既可在混凝土結(jié)構(gòu)體系中因時因地制宜地取代部分鋼筋混凝土柱，以解決高層建筑底部的“胖柱”問題和鋼筋高強混凝土柱的脆性破壞問題；也可在鋼結(jié)構(gòu)體系中取代鋼柱，以減少鋼材用量和減輕風(fēng)致振動等。

    我國是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的大國，絕大部分高層建筑都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。隨著高度超過100m的超高層建筑大量興建，在高強混凝土還不普及的80年代后期，人們開始應(yīng)用鋼管混凝土柱以解決“胖柱”問題的探索，在北京建造了四川大廈的地下車庫^[15]，在福建建造了泉州郵電大廈（15層）、廈門金源大廈（28層）和阜康大廈（25層）^[16]。進入90年代以后，C60級高強混凝土柱大量應(yīng)用，“胖柱”問題有所緩解，但高強混凝土柱的脆性破壞問題復(fù)又突出。在此情況下，鋼管高強混凝土柱應(yīng)運而生，它既解決了高強混凝土柱的脆性破壞問題，又進一步減小了柱的橫截面尺寸。廣州好世界廣場大廈（33層?┞氏扔?/FONT>1993年采用了C60級的鋼管高強混凝土柱并獲得成功。鋼管高強混凝土柱在“減肥”方面的有效性，逐漸得到 結(jié)構(gòu)工程界的認(rèn)同。據(jù)不完全統(tǒng)計，短短數(shù)年間，在廣州、天津、深圳、重慶、北京、昆明、福州和南京等城市采用鋼管高強混凝土柱的超高層建筑已有20多座（表1）。

表1 采用鋼管高強混凝土柱的高層建筑匯總

其中深圳賽格廣場大廈（25層）還是我國自行設(shè)計和施工的屬于鋼結(jié)構(gòu)體系的超高層建筑，它為我國剛剛起步的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，提出了一條可供參考和選擇的技術(shù)路線。

實踐表明，在高層建中采用鋼管混凝土柱以后，除梁/柱節(jié)點構(gòu)造變動較大外，在施工程序上，與原不的結(jié)構(gòu)體系幾乎無甚差異例如混凝土結(jié)構(gòu)體系仍然是按樓層分段施工，柱子為每1～3層樓安裝一次鋼管和從管的上口澆灌混凝土。只是鋼管兼具鋼筋和模板的功能，在工廠預(yù)制后于現(xiàn)場一次吊裝就位，現(xiàn)場工序更為簡化。至于鋼結(jié)構(gòu)體系，仍然保持著工廠化程度高、施工速度快等特點。盡管增加了在鋼管柱內(nèi)灌注混凝土的工序，但因鋼管柱具有足夠的剛度和強度，管內(nèi)混凝土可選擇在任何時候進行澆灌，甚至可3～4層樓澆灌一次（泵灌頂升），并不占用整個建筑的主導(dǎo)工期。在采用鋼管混凝土柱以后，建筑的地下部分和基礎(chǔ)開挖可實行逆作法施工。這樣，高層建筑地下和地上結(jié)構(gòu)歌曲時并行施工，從而節(jié)省大約半年的基礎(chǔ)開挖和地下室施工時間，并可相應(yīng)解決在大城市繁華地段因施工場地狹窄所帶來的交通、安全、噪聲、環(huán)境污染等一系列困擾問題。

實踐還表明，鋼管高強混凝土柱的造價并不比鋼筋混凝土高，而與鋼筋混凝土柱的造價持平。

與普通鋼混凝土術(shù)玎比較，鋼管混凝土柱具有更為優(yōu)越的抗震性能。因鋼管既是縱向鋼筋，又是橫向箍筋，其管徑與管壁厚度的比值至少都在30以下，這相當(dāng)于配筋率至少都有在4.6%以上,遠超過抗震設(shè)計規(guī)范對鋼筋混凝土所要求的最小配筋率限值.至于軸壓比問題,由于鋼管混凝土的抗壓強度和變形能力特佳,即使在高軸壓條件下,仍可形成在受壓區(qū)發(fā)展塑性變形的“壓鉸”,不存在受壓區(qū)先破壞的問題,也不存在像鋼柱那樣的受壓翼緣屈曲推移 的問題.因此,從保證控制截面的轉(zhuǎn)動能力而言,無需限定軸壓比值.就這個意義講,鋼管混凝土的抗震性能比鋼柱和鋼筋混凝土柱都有強.

據(jù)陳肇元教授報導(dǎo)^[17],清華大學(xué)曾對鋼管混凝土柱鋼骨混凝土柱和鋼筋混凝土柱抗震延性作過一些比較^[18],在相同的試驗條件(試件尺寸、加載裝置、加載制度、軸壓比)下,得出的三者的極限位移角R_u為(1)當(dāng)軸壓比n=0.4,并且在每級荷載或水平位移下的,則含鋼量5.9%～11.8%、混凝土強度80～97Mpa的鋼管混凝土試件R_u=1/26～1/35,而含鋼量較低或大體相當(dāng)(7.4%～10.3%)、混凝土強度也較低(62～71Mpa)的鋼骨混凝土術(shù)琪 延性(R_u=1/47～1/50)反而不如鋼管柱;至于鋼筋混凝土柱(混凝土強度為60Mpa),在進入屈服階段后,很難在每級水平位移下只反復(fù)循環(huán)1次,其極限位移角仍然較小,其延長性根本不能與前二種組合術(shù)玎比.(2)當(dāng)軸壓比n=0.6,含鋼量11.8%的鋼管混凝土柱的R_u=1/43,而含鋼量約10%的鋼骨混凝土柱則為1/66,作為極限位移角的延性性能要比鋼管混凝土低50%,至于鋼筋混凝土柱在0.6高軸壓比下的脆性就更加突出.

鋼管混凝土柱的連接構(gòu)造,關(guān)系結(jié)構(gòu)安全,至為重要.它包括鋼管混凝土柱與樓蓋結(jié)構(gòu)的連接、鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土術(shù)珠連接、鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土基礎(chǔ)的連接、鋼管混凝土柱自身的接長、鋼管與核心混凝土界面的抗剪連接等.我國在連接構(gòu)造的設(shè)計方面積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗.例如鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土樓蓋體系連接,其剪力傳遞的構(gòu)造,就有穿心的鋼牛腿和不穿心的環(huán)形鋼牛腿及鋼筋環(huán)兩大類;彎矩傳遞的構(gòu)造,也有鋼筋穿心和鋼筋不穿心兩大類,后者則有平行雙梁、變寬度梁和環(huán)梁等形式.為驗證這些連接構(gòu)造成的可靠性,有關(guān)單位還進行了專門的試驗研究^[19～23].

以下是幾個典型工程實例.

2.1廣州好世界廣場大廈(圖1)^[18、19]

該大廈位于廣州市花園酒店西側(cè),環(huán)市東路與建設(shè)六馬路交匯處的繁華地段,地上33層,地下3層,地上總高度為116.3m地下層為設(shè)備房及人防面積,-1、-2層及地下1、2為商場,3～8層為停車場,9層以上為寫字樓,占地面積3522?,建筑面積57000?,是國內(nèi)第一座采用C60級鋼管高強混凝土柱的超高層建筑.按7度地震設(shè)計.

結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻,柱網(wǎng)為8.2×7.9m～6m(圖2).裙樓柱最大軸國秋13000Kn,主樓柱最大軸力為39000kN.如采用C40級鋼筋混凝土柱,截面尺寸將為1.8m×1.8m,這樣大的柱截面,嚴(yán)懲影響建筑使用.經(jīng)反復(fù)研究,決定在地上2層以下,采用C60級的鋼管高強混凝土柱,以縮小柱的截面積.最后,裙樓柱縮小為直徑700?,主樓柱縮小為直徑1100～1200?的鋼管高強混凝土柱,鋼管壁厚分別為10?和20?,管材為Q235鋼,直縫焊接管,從而經(jīng)濟有效地解決了“胖柱”問題.

 

鋼管內(nèi)的混凝土澆灌采用自鋼管上口泵送拋落方式,除在柱的頂部稍作振插處,其余部位不作振搗.經(jīng)模擬試驗,證明澆灌質(zhì)量良好.

鋼管高強混凝土柱為本工程地下部分的逆作法施工和并行開展地下部分的施工創(chuàng)造了安全可靠的條件,使工期縮短了6個月.

該工程于1994年1月動工,主體于1995年8月封頂.

鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接,其剪力傳遞采有箜乞討工字形鋼牛腿(承重銷),梁端彎矩傳遞則視建筑布置的具體情況,或采用雙梁接頭,鋼筋從鋼管兩側(cè)通過,或采用單梁接頭,鋼筋直接與穿心牛腿的上下翼緣板焊牢.

                                 2.2天津今晚報大廈(圖3)^[24]

該大廈位于天津市南京路與南開三馬路交匯處東北側(cè),占地面積1.6萬?,總建筑面積8.2萬?.地下兩層,地下38層,總高度為137m.集辦公、寫字樓和公寓于一體,其中地下室為停車場和設(shè)備用房,裙房為娛樂中心和市場,標(biāo)準(zhǔn)層共30層,12層以下為辦公用房,13層至25層為出租寫字間,25層以上為公寓,在頂部設(shè)有升機停機坪.繼廣州好世界廣場大廈之后,今晚報大廈是采用C60級鋼管高強混凝土柱的第二座超高層建設(shè).按7度地震設(shè)計.

     主樓結(jié)構(gòu)體系為內(nèi)筒稀柱現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(圖4).樓蓋為井式雙向密肋板,其結(jié)構(gòu)厚度為430?.柱網(wǎng)為8.4m×8.4m.柱最大軸力為35000kN,若采有C60級鋼筋高強混凝土柱,截面尺寸需要1.4m×1.4m,這樣一來,8.4m術(shù)現(xiàn)金帳的術(shù)璋凈距只有7m,每術(shù)璋停三輛車已不可能.而采用C60級鋼管高強混凝土柱,柱徑僅1020?,柱凈空為7.38m,可停三輛車,顯著提高了地下停車場的使用效能.根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的特點,柱子從底至頂,全部采用鋼管混凝土柱..鋼管為3號鋼螺旋縫焊接管.柱子從底到頂分5段逐漸減小，管徑從1020?減至630?，每段縮小100?，管壁厚度從14?逐段減至8?，混凝土從C60逐段降至C35。

柱與板連接，采用不穿心的環(huán)形鋼牛腿傳遞剪力。環(huán)形牛腿由16條豎向腹板與上下加強環(huán)焊接而成。腹板與鋼管柱、上下加強環(huán)板之間的連接為雙面滿焊，上下加強環(huán)與鋼管柱的連接采用間斷焊，間斷率為50%。彎矩傳遞，與雙梁類似，鋼筋從鋼管兩側(cè)通過，不穿過鋼管。

該工程于1994年動工，1995年封頂。

2.3深圳賽格廣場大廈（圖5）^{[25 26]}

該大廈位于深圳市南中路與華強北路交匯處東北角的商業(yè)繁華地段,占地9655?,總建筑面積超過16萬?,地上72層(含裙房10層),地下4層,總高度291.6m,是一座以電子高科技為主,兼匯展、辦公、商貿(mào)、信息、證券、娛樂為一體的多功能綜合型樓宇.按7度地震設(shè)計.這是我國第一座采用鋼管高強混凝土柱的鋼結(jié)構(gòu)體系超高層建筑,也是目前世界最市制一座鋼管混凝土高層建筑