超高层建筑中的钢管混凝土

随着建筑科学技术的发展，近20年来又推出了第五种结构类型，即全新的钢－混凝土组合结构。该种新型建筑结构，充分发挥了钢材和混凝土的材料特性及优点，按其组合方式又可分为：钢管混凝土结构、钢－混凝土组合梁、外包钢组合结构和劲性钢筋混凝土结构等四种。它们的共同特点是：施工简便、工期短、结构性能好且大大节约建筑材料。钢－混凝土组合结构之一的钢管混凝土（即钢管砼－CFST），就是在钢管中充填素混凝土制成的建筑构件。它具有承载力高、抗震性能好、节约钢材和施工简捷等突出优点，因而在高层和超高层建筑中得到了日益广泛的应用。其推广与发展的速度十分迅猛，并将成为二十一世纪高层和超高层建筑群最为实用和主要的结构形式。一、钢管砼的结构特点钢管砼在高层建筑工程中，主要是作为受压管柱的建筑构件使用，与钢梁和梁柱节点等共同构成建筑物的框架结构体系。钢管砼柱因其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质。即管柱外部包裹钢管材料，管柱内部充填混凝土材料，因钢管壁对管内混凝土形成的刚性拘束作用，防止了管内混凝土的脆性破坏。实验和理论分析证明，钢管混凝土在轴向压力作用下，钢管的轴向和径向受压而环向受拉，混凝土则三向皆受压，钢管和混凝土皆处于三向应力状态。三向受压的混凝土抗压强度大大提高，同时塑性增大，其物理性能上发生了质的变化，由原来的脆性材料转变为塑性材料。正是这种结构力学性质的根本变化，决定了钢管砼的基本性能和特点，并作为新型的第五种建筑组合结构显示出巨大的生命力和发展前景。在高层建筑中，钢管砼的特征与优势如下：1、钢管砼柱的抗压和抗剪承载力高，相当于钢管和混凝土二者之和的2倍以上；2、钢管砼柱截面比钢筋混凝土柱可减少60%以上，轮廓尺寸也比钢柱小，扩大了建筑物的使用空间和面积；3、柱子截面减小，自重减小，有利于结构抗震，相当于设防烈度下降一级；4、钢管砼柱自重减少，减轻了地基承受的荷载，相应降低了地基基础造价；5、钢管壁薄便于选材、制造与现场焊接，是施工最为快捷的建筑结构；6、钢管砼柱内的混凝土可大量吸收热能，其耐火性优于钢柱，从而比钢柱可节省耐火涂料50%以上；7、钢管砼具有的核心混凝土三向受压特性，利于刚刚问世的C60～80高强度混凝土安全可靠地推广应用。由于上述各项优点，采用钢管砼柱时可节省大量的建筑材料，且素混凝土无须振捣，施工方便，工期短。根据计算，与钢筋混凝土柱相比，可节约混凝土60~70%，同时降低造价。若与全钢结构的钢柱相比，则可节约钢材50%，其工程造价也可降低45%。在高层建筑设计中，钢管砼柱可以仅控制长细比而不必限制轴压比。此外因其整体性能好，还克服了普通钢结构钢柱存在的局部失稳的缺点。因此，与钢筋混凝土柱相比，截面设计可以减少60%以上。例如，北京国际贸易中心塔楼的原结构设计由美国提供，采用的是钢筋混凝土结构，钢筋混凝土柱的截面设计尺寸为2200×2200mm，十分庞重。后改用了国内的钢管混凝土设计方案后，钢管砼柱的截面仅为φ1400×30mm，截面面积减少了2／3。全国闻名的深圳赛格广场大厦，采用了钢管砼结构设计，其钢管砼柱最大截面仅为φ1600×28mm，若用钢筋混凝土柱，截面则应为2400×2200mm，柱截面面积减少了63%，粗略估算使整个大厦增加了使用面积八千多平方米。显然，采用钢管砼结构的高层建筑，其经济效益非常显著。二、钢管混凝土的发展前景与工程应用我国在钢－混凝土组合结构的学术研究与工程应用方面，一直处于国际领先地位。1988年创立的"国际钢－混凝土组合结构合作研究协?quot;，其首届与第二届主席，即由我国的中国钢结构协会常务理事、中国钢协钢－混凝土组合结构协会理事长、博士及博士后导师、著名的建筑钢结构专家和学者、哈尔滨建筑大学钟善桐教授担任。现已82岁高龄的钟善桐教授，至今仍担任着该国际学术组织的名誉主席。纷与此同时纯，死钟善桐必教授居世界领串先创立踏了岸"扰统一理疲论荣"碗，并将其应用叙于钢管混凝土参的理论研究与乡工程设计方面尾，使钢管混凝丧土结构演变成候一个完整和独饮立的建筑新学肆科。在此基础屈上，提出了一叔整套设计公式搬，并就钢管混晨凝土柱及节点刊的优化设计创败编鼠了置CFS市T竿软件，现已被绿广泛应用于工助程实践当中捆。劣卡钢管混凝灾土的实际工程尖应用，最早见诚于时1莲9摄世乏纪甚8兼0茅年代，曾用作货桥墩，以后渐麦渐用于建筑物凝支柱的建造，叠并且其用途日祝益拓宽组。奶剖刮妙2鹰0励世冠纪店5管0秀年代始，前苏病联、美国、日赚本和欧州部分粗先进国家对其间进行了大量的扩试验研究，并暂在一些房屋建晚筑和疾桥梁讨工程中得到应闭用数。贤奉我国钢管末混凝土的研究忙开发始催于恶6势0俩年代中期，首薪例应用为北京坑的地铁工程，奏并成功地用锻于愉"承北京大站冈"相和扣"讽前门亿站波"准站台柱的建造舞，之后环线地携铁工程的站台纠柱全部采用了窜钢管混凝土结晴构小。朴7性0棕年代以后，我比国的钢管混凝踩土逐渐应用于策单层和多层工撕业厂房、高炉燕和锅炉构架、办送哭变电御构架及各种支认架结构中，建椅成的建设工程控超过百项稳。压挺耗监8比0默年代初，日本姿率先采取了先颜进的泵送混凝艺土施工方法，吓成功地解决了爽进行钢管柱的酬混凝土浇灌复搅杂工艺问题，饭既保证了工程沉质量，又降低麦了工程造价，硬从而促使钢管吼混凝土结构进耍入了一个新的妇发展阶段。日杜本、澳大利亚宗和美国等国相懒继建成了一些贞钢管混凝土的把高层建筑和拱排桥司。晶垫赠某8柴0嚷年代末拥至狱9赢0既年代，我国的棵钢管混凝土工恼程应用也进入耻成熟阶段，并颂居世界前列将递其拓展为公路夺与城市拱桥和饮高层与超高层转建筑的两大工长程应用领域。仍近兴1做0眉年来，我国达坊百米和超