钢管混凝土格构柱发展研究

彭 伟

（上海宝冶集团有限公司，上海 200941）

0 引言

作为一种新型组合结构，钢管混凝土结构是在圆钢管中填充素混凝土而形成的结构，这种结构出现在十九世纪七八十年代，最初是用作桥墩，后逐渐扩展应用于各种建筑中的柱。我国从20世纪60年代开始引入这一结构形式，并在20世纪70年代得到推广使用。

1 钢管混凝土格构柱的优势

钟善桐教授在国内较早开展钢管混凝土结构研究工作，从1985年至今已发表了十余篇有关钢管混凝土结构的研究成果，并总结了钢管混凝土格构柱的优点[1-3]。

1）承载力较高 钢管混凝土结构比单纯的钢结构或混凝土结构的承载力之和要提高1.7～2.0倍。

2）塑性和抗震性能良好 当钢管混凝土压缩到原长的2/3时仍具有一定承载力，且在压弯剪复合应力的作用下，力与位移的曲线仍然饱满，表明结构依然具有很强的弹性。

3）经济性较好 钢管混凝土格构柱与钢柱相比，可节省钢材45%，降低成本40%；与钢筋混凝土柱相比，可节约75%的混凝土用量，减少自重近65%，并且不需要模板，节省模板费用。

4）施工便捷 与单纯的钢柱相比，钢管混凝土格构柱焊缝及零部件相对较少；与钢筋混凝土柱相比，省去支模等步骤，可大大缩短工期。

目前钢管混凝土格构柱已广泛应用于建筑和桥梁等领域，不仅能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和适应恶劣条件的需要，而且符合现代施工技术的工业化要求，因而被广泛地应用于单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桩、空间结构、高层和超高层建筑及桥梁结构中，并取得良好的经济效益和建筑效果。

2 钢管混凝土格构柱理论与发展研究

2.1 结构构成

钢管混凝土格构柱作为一种新型组合结构，是在薄壁圆钢管中浇筑普通素混凝土（混凝土内不配置钢筋或受力钢筋），并通过缀材以不同的布置方式组合而成的格构式构件。由此可见，钢管混凝土格构柱主要由柱肢和缀材组成，柱肢主要承受由上部荷载传来的轴向压力，根据肢数的多少分为双肢、三肢、四肢格构柱，其中双肢、四肢格构柱是一种对称式格构柱，而三肢格构柱则是不对称结构，2个轴均为虚轴；钢管混凝土格构柱中的缀材作为一种辅助构件，除具有将柱肢连成整体的作用外，主要承受剪力和侧向压力或拉力，缀材可分为缀条和缀板，通常采用空钢管（缀管）形式，布置形式主要有5种类型，如图1所示。

图1 缀管布置方式

2.2 工作原理

1）钢管混凝土格构柱结构可有效避免圆形钢管受压时产生过早的剪切屈曲现象，可充分发挥圆钢管的力学性能，从而提高薄壁圆钢管稳定性。

2）素混凝土外层套上圆钢管后，增强了混凝土整体性，钢管给混凝土以一定的约束力，钢管混凝土柱中的核心混凝土在钢管作用下处于三向受压状态，从而提高了混凝土的抗压强度和抗变形能力，可有效防止混凝土因受压力过大或受压偏心距过大被压碎。

3）钢管混凝土格构柱在施工过程中，通常是以圆钢管为模板进行混凝土浇筑，一方面可节省模板用量；另一方面节约时间和工序，有效提高施工速度。

2.3 发展回顾

20世纪80年代后期，随着泵送混凝土工艺的发展，混凝土浇筑技术进一步提高，加上高强度混凝土的应用，钢管套箍混凝土工艺得到很好的发展，这些因素给钢管混凝土结构的发展带来新的契机，在发达国家，传统钢结构工业厂房钢柱逐渐由钢管混凝土柱代替，甚至高层建筑也逐渐开始采用这种钢管混凝土柱，并且应用范围也愈加广泛。因此，钢管混凝土结构的发展被认为是高层建筑建造技术的一次重大突破。

另外，钢管混凝土结构在我国也得到应用。1966年，北京地铁车站工程采用钢管混凝土柱取得非常好的效果。20世纪70年代，钢管混凝土结构突破了应用于土木工程上的局限，并成功地应用于冶金、造船、电力等行业的重型构架中。20世纪80年代，为紧跟科学技术发展步伐，响应国家大力发展土木工程的号召，更加系统地研究钢管混凝土结构。根据原建设部科技发展计划，一系列钢管混凝土结构的试验研究项目逐渐增多，国家鼓励该项目并给予一定的资金和设备支持，使我国在钢管混凝土结构理论计算方法和设计方法上取得很大进展，并逐渐形成一套符合我国国情和满足我国建筑需要的规范性计算方法和设计方法。在1989—2012年，原建设部先后颁布各部门相关设计与计算标准。例如，原国家建筑材料工业局标准JCJ 01—89《钢管混凝土结构设计与施工规程》、电力行业标准DL/T 5085—1999《钢-混凝土组合结构设计规范》、中国工程建设标准化协会标准CECS 28∶90《钢管混凝土结构设计与施工规程》、中国工程建设协会标准CECS 254∶2009《空心钢管混凝土结构技术规程》等。

1995年，我国将钢管混凝土结构技术列入国家科技成果，钢管混凝土结构技术成为国家重点项目推广技术，并逐步在高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中获得行之有效的利用，同时对该技术的要求也有所提高，体现在2012年中国工程建设标准化协会标准CECS 28∶2012《钢管混凝土结构设计与施工规程》，CECS 254∶2012《实心与空心钢管混凝土结构技术规程》规定中。经过这些年的发展和修订，这些规范和规程越来越能准确地考虑单个因素及众多因素的组合作用对钢管混凝土结构极限承载力的影响，例如钢管对核心混凝土的套箍作用、长细比与换算长细比的计算、稳定系数的确定方法及偏心率的变化对极限受压承载力的影响等[4]。

3 结语

钢管与混凝土组合在一起不仅同时集合了两者的优点，弥补不足，而且与普通钢筋混凝土结构相比，对柔性支承格构柱的布置，钢管混凝土结构有如下特点。

1）承载能力更强，塑性更好，耐火性、耐久性好，结构更稳定，从而抗震性能好，更加实用。

2）使用材料较少，一定程度上节省了模板、水泥、钢材等材料，自重较轻。

3）格构柱的空间布置更灵活，并节省一定的空间。

4）施工过程中，由于节省了施工材料，而且施工过程中可以钢管为模板浇筑混凝土，具有良好的经济效益[5]。