钢管混凝土结构的应用与发展研究

李天琦，王 刚，史佳遥

（南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211816）

钢管混凝土结构使得钢材和混凝土的材料特性得到充分利用，相比钢筋混凝土具有承载力高、自重小、施工速度快等优点。在大跨结构、高层建筑等结构中得到了广泛的应用。近十几年钢管混凝土凭借自身的优势进入到人们的视野，研究者也对钢管混凝土做了大量的试验并得到了许多有价值的研究成果。

1 钢管混凝土组合结构特性

现阶段我国建筑工程大部分还是采用钢筋混凝土与钢结构两种材料。但钢筋混凝土抗裂性较差，受拉和受弯等构件在正常使用时往往带裂缝工作。当不允许出现裂纹或对裂缝宽度有严格限制时，就要采用预应力混凝土结构。此外，钢筋混凝土结构的施工复杂、工序多[1]。而钢结构容易在没达到材料强度之前就出现失稳问题，同时耐腐蚀性差、耐火性能差。钢管混凝土将两种材料组合在一起，在受力时两种材料优势互补，具体体现在以下方面：（1）改善延性。钢管能改变混凝土的破坏性质，对其的约束作用和套箍很像，增加其延性，能耗水平也得以提高。圆钢管混凝土能使内部的混凝土三向受力，增加其抗压强度。（2）施工简单。与钢筋混凝土相比，钢管一次成型，不仅能在受力时能发挥作用，同时在施工时起到了模板定型作用，省去了绑扎钢筋的时间，降低了施工难度，同时也省去了一定的钢筋用量，从而更加经济。（3）稳定性较强。一般钢结构的截面较小，厚度也不大，但在钢管内浇筑混凝土，能够有效防止钢管发生局部屈曲，很大程度提高了钢管的局部稳定性和整体稳定性。（4）耐腐蚀较好。通过将混凝土注入钢管当中，可以有效减小钢管与外界之间的接触面积，由此可以减少腐蚀面积，提高钢结构的使用寿命，这样就可以有效地降低使用后期对于钢结构的维护费用。（5）耐火性能较好。在建筑物的使用过程中，稍有不注意就容易发生火灾，所以一般建筑物都需要有一定的抗火性，而钢结构在高温中很容易因为强度的降低而发生弯曲。但是如果钢管内灌有混凝土，钢结构就能够将一定的温度传递给约束住的混凝土，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间。

2 钢管混凝土在实际工程中的应用

目前，钢管混凝土结构在工程建筑中的应用越来越广泛，尤其是近几年来，钢管混凝土结构作为一种新型的钢混结构已经被广泛应用到桥梁工程、单层工业厂房、高层建筑等领域中。下面简单介绍三种应用钢管混凝土结构的工程实例。

2.1 桥梁工程结构

为了满足人们对便利交通的需求，一座座大桥出现在河面与海面之上。现在的桥梁逐渐向承重更大、跨度更大、高度更高的方向发展。但是传统的混凝土很难满足大跨度桥梁承重的严格要求，于是钢筋混凝土这种组合结构被人们所认知并被利用在桥梁建设当中。由于钢管混凝土结构能够充分发挥混凝土的抗压性能及钢材的抗拉性能，因此其可以当作建筑的承重结构柱进行受力。早期钢管混凝土结构多用于桥梁工程的基础工程之中，但随着对钢管混凝土构件工作性能的深入研究以及科技的不断发展，钢管混凝土逐渐地开始应用于拱桥结构。拱桥以拱作为主要受力构件，主梁通过立柱支撑在拱上，或通过吊杆将主梁悬挂在拱上。拱结构主要承受压力，是压弯构件，拱截面受到的压力较为均匀，材料的利用率得到极大的提高[2]。为了解决拱桥高强度材料的使用和施工问题，因此开始逐渐把钢管混凝土结构用于拱桥上。拱桥的拱圈是由以承受轴向压力为主的构件构成的，这恰好充分利用了钢管混凝土结构的优点。正是由于这个因素，现在桥的跨度一般比较大。如今，随着桥梁跨度、承载力的不断增加，对桥的延性和恢复能力也提出了更高的要求。在这样的应用背景下，钢管混凝土组合结构能够很好地满足桥梁的以上要求。

2.2 超高层建筑工程结构

随着中国人口日益增加，住房问题成为当今时代比较突出的问题。不断增加的人口与稀缺的住房资源成为高层建筑与超高层建筑出现的重要因素。在同样的住房面积上建设更高的住房则会提高建筑面积的利用率。于是在寸土寸金的大城市把工程建筑向更高的方向建设就成了当今建筑发展的潮流之一，更高的建筑要求结构柱有更高的承载力，于是具有高承载能力的钢管混凝土出现到人们的视野当中。如近几年刚建成的天津津塔建筑。津塔是天津市新的地标式建筑，津塔高336.9m，并于2010年1月14日封顶成为中国长江以北地区的第一高楼。津塔项目位于兴安路北侧，东西长约233m，南北宽最大约为160m，最小为65m。地块设计包括二栋高层建筑。其中最高的建筑就是津塔，津塔位于大沽路，功能以写字楼为主。天津津塔采用“钢管混凝土柱框梁+核心钢板剪力墙体系+外伸钢臂抗侧力体系”，塔楼的外框部分由钢管混凝土柱和宽翼缘钢梁组成，外框梁柱刚接，核心筒结构由钢管混凝土柱和钢板剪力墙体系组成。钢管混凝土结构在15、30、45、60层设置伸臂桁架加强层，在钢板剪力墙核心筒与外框之间布置大型钢桁架，在外框内布置腰桁架[3]。应用于超高层建筑中的钢管混凝土相比于普通混凝土来说有以下优势：钢管混凝土柱比传统混凝土具有更高的承重能力，所以钢管混凝土柱能够有效地减少构件的横截面积及材料的使用量，从而大大减少了建设材料费用。同时由于约束钢管有较好的延性，钢管混凝土结构也表现了较好的延性，这使得钢管混凝土能够表现出更好的抗震性能。

2.3 高铁车站工程结构

随着时代的进步，汽车逐渐成为每家每户必不可少的出行交通工具，但是汽车数量增加也带来了许多亟待解决的重大问题。比如汽车数量增多带给一些城市尤其是大城市巨大的交通压力，环境污染、交通拥堵等一系列问题逐渐出现在城市中。近十几年地铁和高铁产业发展迅速，钢管混凝土也被运用到此类交通建设当中。如南通高铁站，其站房总建筑面积11740.6m2，采用对称式布置，总平面呈“一”字形，中轴对称，庭院式布局，以广厅和候车厅为中心，候车室两侧布置了室内庭院，庭院顶部设采光天窗，同时候车空间两侧均为玻璃幕墙，并引入室内绿化。庞大而复杂的南通站站房采用了钢管混凝土柱、型钢混凝土梁、大面积玻璃幕墙结构和大跨度弧线形钢桁架结构作为车站的承重结构。在建设过程中，车站对承重结构提出了更高的要求，传统混凝土也许会达到承重的要求，但是需要加粗传统混凝土柱的截面积来保证其具有足够的承载力，这无疑会额外占用车站的使用面积。相比之下钢管混凝土柱的长处便显露出来。相同截面面积的钢管混凝土柱比传统混凝土柱具有更高的承载力。所以使用钢管混凝土柱能够在保证承载力的情况下尽可能减少柱子所占的车站使用面积，从而为其他功能性用房腾出了空间。同时，钢管混凝土柱也具有良好的延性，使车站具有更高的抗震能力从而保证了建筑的安全。

3 钢管混凝土结构的发展前景

钢管混凝土结构在上述应用中已逐步突显出它所具有的独特优势，虽然钢管混凝土相比于钢结构有较好的耐火性能及耐久性能，但其相对于混凝土结构却表现出耐火性、耐久性不足等特征，加之其相关规范尚未成熟，钢管混凝土结构在桥梁工程、地下工程、海洋工程等大型工程项目中还未得到广泛应用。

随着相关工程技术研究的不断深入，钢管混凝土组合结构的发展趋势将主要在以下几点：（1）为了更好地提高钢管混凝土的承载力，未来的研究将会体现在高强度膨胀混凝土、高强钢管及其替代材料的研发方面[4]。伴随着FRP复合材料的不断应用，目前也有学者提出FRP约束再生混凝土内钢管空心组合圆柱（FRSTC）的结构形式，FRSTC有望继续发挥各组分材料的性能优势，使其具有承载力高、延性好的特点[5]。（2）为了能使钢管混凝土结构具有更好的耐火性能。对于钢管混凝土结构的耐火性能及其耐火极限、防火设计办法的研究也将会是未来研究的重点。研究方面除了表现在对钢管混凝土结构火灾后剩余承载力模型的研究以外，也会涉及相关防火涂料的性能研究。（3）现今，关于钢管混凝土结构抗震性能的研究还较少，尚缺乏对于重要结构诸如钢管混凝土墩柱抗震性能的深入研究来指导实践，也缺乏相关的抗震设计规范，因此，今后对于钢管混凝土结构的研究也会更多地涉及对其滞回模型的研究[6]。（4）钢管混凝土结构的截面形式多变，通过改变钢管混凝土的截面形式，一方面可以增加建筑美观程度，另一方面也可以改变钢管混凝土结构的抗弯、抗扭性能及其稳定性，从而可以更加充分地发挥不同截面形式的性能优势，增加材料利用效率。除此之外，不同截面形式的钢管混凝土结构的施工性能、装配性能也有所差异，因此，对于钢管混凝土结构节点形式、组合形式的设计也将是未来钢管混凝土结构发展过程中所必需突破的技术难关。

4 结束语

在我国范围内大部分工程项目使用钢筋混凝土和钢材作为建筑材料，而钢管混凝土具有比钢筋混凝土和钢材更为优秀的性能和更广泛的使用空间。但是由于人们对钢管混凝土的研究还不够深入，在使用钢筋混凝土时会出现一些问题，较为突出的问题是钢管混凝土柱与梁节点的连接方式。但是这些问题不会掩盖掉钢管混凝土出众的优点。随着科学技术地不断发展进步和钢管混凝土的研究不断深入，在未来的几年里钢管混凝土有很大可能会取代钢筋混凝土在建筑材料上的主导地位。