浅谈钢管混凝土构件的应用

莫磊

（山东绿城青和建筑设计有限公司，山东青岛 266000）

1 钢管混凝土构件

钢管混凝土主要指将钢管中以现浇混凝土进行填充而制作出来的结构构件。钢管混凝土构件的发展前景极为宽阔，它凭借着自己的优势，被大批量使用于工业厂房、高层及超高层建筑、桥梁工程和地下结构等高层、大跨及承受复杂环境要求的现代工程中，在经济性和建筑效果两个方面与其他结构形式相比有明显优势。最近几十年间，随着钢管混凝土构件的结构受力分析理论及其相关结构的设计方法的研究也趋于成熟理论不断成熟，这种结构形式有了日益增长的应用。

钢管混凝土构件作为主体支撑构件具有截面承载力高、塑性和材质柔韧度好、施工方便的特点，与其他钢筋混凝土构件相比，钢管混凝土柱的钢管可作为混凝土的封闭箍筋和浇筑模板，用来取代钢筋支模和其他拆模施工步骤、耐火腐蚀性能好、经济实用效果佳等诸多优点。常见该类型组合构件的横截面形状主要包括圆、方、矩、环等。

在实际的结构中，根据钢管混凝土构件中钢管所能够发挥的功能，钢管混凝土构件又大致可以划分为钢管混凝土柱和钢管约束混凝土柱。前者是指在加载初期，钢管与混凝土同时承担加载的荷载；后者是指在承受荷载时，只有一个核心的混凝土能起到承担荷载的功能，钢管仅仅起到了约束混凝土。在实践工程中，以及各种类型的圆、正方形截面和矩形截面为特征的钢管混凝土结构被普遍采用。本文主要对钢管混凝土柱进行介绍。

2 钢管混凝土柱的特点

钢管混凝土主体构件是利用加载工艺过程中钢管与混凝土之间的相互作用原理，同时充分发挥了传统钢管和混凝土两种主体结构材料的优势，实现了“1+1>2”的效果，即钢管在混凝土外围形成约束作用，使其在三向受压时产生较大的受力情况，从而增加了主体结构的核心混凝土正截面受压强度，提高了它们的塑性和韧性。与此同时，混凝土也可以有效地改善外部钢管局部的受力模式，尽可能避免受压产生屈曲，让其能够充分发挥材料的动力学特性。已有的实验研究结果可以有效说明，钢管混凝土组合构件的承载力明显大于对应尺寸的空心钢管构件和混凝土构件承载力之和。除此之外，钢管和混凝土的组合可以有效改善构件的延性，二者之间的相互影响使得内部混凝土的损伤和破坏形态已经从脆性皮损伤转变成了可塑性的破坏，同时，该组合构件的消耗能力也得到了很大提高，抗震能力明显提高[1]。

下文以轴压短柱为例，对钢管混凝土柱的工作原理进行说明。

（1）初始施加荷载阶段，即从施加的荷载开始直至混凝土发生裂缝时，荷载主要是由核心混凝土来承受，钢管则要承担一定的纵向压应力，但数值很小。这个阶段中，混凝土和钢管的粘合作用未曾被遭到过严重破坏，二者之间的相互应力能够正常地传递。

（2）随着钢管荷载的不断加大，混凝土中微小的裂缝逐步向外延伸膨胀，钢管内部仍然存在环向拉力及纵向应力。钢管和钢筋混凝土之间的粘结力已经遭受到了严重破坏，但是这表明二者之间依旧可以存在一定的横向摩擦力。

（3）当混凝土的荷载持续地增大时，混凝土会因受到钢管环向压力的作用而使之处于三向应力的状态，在钢管中主要是存在环向应力。

（4）当荷载增大至钢管屈服时，混凝土所受的压力继续增大，这时钢管的约束力减小，钢管中的压力不变，而其环向变形却迅速增大。钢管屈服后，钢管混凝土截面出现了应力重分布。

（5）当加载到钢管混凝土构件破坏时，混凝土仍然是三向受压的状态，且出现了极限压应变破坏。该结构钢管处于管体纵向受压，环向受拉的状态。从其对荷载的直接加载再到对主体构件的直接破坏，钢管和钢筋混凝土的相互作用一直都存在。

下面对于钢管混凝土结构特点进行了说明。在钢管和混凝土结构中，钢管的主要功能是约束混凝土，主要是环向拉力。这类构件主要适合于轴心受压和较小偏心受压的构件，不适用于受弯构件。且该类构件钢管外露，存在着防锈、防腐蚀、防火性差等弱点。特别对于圆形截面的柱，当其与矩形截面的梁连接时，节点施工较为复杂。

3 钢管混凝土的发展与研究

钢管混凝土是在原有的劲性混凝土和螺旋配筋混凝土的应用技术基础上不断进行创新演变并逐步发展而来形成的，最早被广泛应用于各种机械工业以及建筑工程中的桥梁柱子。20 世纪60—70 年代，Bode（1973）、Park （1969，1970）、Neogi 等（1969）、Virdi 和Dowling（1975）等来自国内外的学者对钢管混凝土构件的力学性能开展了较为深入的研究。

20 世纪80 年代，研究员们主要针对钢管和混凝土主体构件的抗震、防火性能、耐热等特点展开了研究，也取得了一些成果。如Hass（1991）、Lie 和Chabot（1922，1990，1992）、Tomii（1980a，1980b） 等、Virdi 和Dowling（1980）等。

近几十年来，国内外专家和学者们主要对不锈钢管混凝土结构构件在长时间的荷载和动力作用下的力学特性和结构特点进行了深入的研究，并取得了一定的研究成果，如Morino 等（1996），Uy（2001a）、Sakino 等（1998），Shiiba 和Harada（1994）等。

除此之外，部分学者还针对在使用钢管混凝土结构时钢管的一些局部屈曲问题做出了更为深入的研究，以减少其对于构件整体动力学性能的损害，例如Mursi 和Uy（2003）、Uy（1998b，2000）等。

目前为止，国内外专家和学者在对于钢管混凝土主体构件基本力学特性和其设计要求（主要包括静力性能、动力学特性以及耐火腐蚀性能等）、主体构造与其施工工艺技术等各个方面进行了深入系统的研究，并已相对成熟，并发表了大量的研究成果和相关规范条文，国外成果如ACI318（2005）、AISC（2005）、AIJ（1997）等相关设计规程，国内研究成果如韩林海和钟善桐（1996）、余勇等（2000）、韩林海（2000，2004）、《钢管混凝土结构技术规程》DBJ13-51-2003（2003）等。随着钢管混凝土构件研究的不断伸入，大量的工程实例出现并不断投入使用，在我国的发展也迈上了崭新的台阶。

4 钢管混凝土的应用

钢管混凝土主体结构建筑在20 世纪60 年代首次引入我国，到20 世纪80 年代中期被逐渐应用于我国的各种工程结构中。20 世纪80 年代以来，经过国内学者的努力，钢管混凝土结构也得到了很大的提高和发展，主要表现为以下两个方面：①扩大了其应用领域，应用于高层和超高层建筑，也逐渐应用于公路拱桥等领域，发展迅猛。②研究员采用理论和实验两种研究方法，不断深入探索钢管混凝土结构的力学性能和设计方法，理论体系逐渐形成并日趋成熟，实现了突破性的进展，形成了崭新独立的新学科[2]。

目前，对钢管混凝土主体结构的研究已经趋于成熟，配合现代建筑施工设备和技术的应用，适合进行工业化发展推广，根据其自身特点，其主要的应用领域为高层和超高层建筑、各类厂房柱、桥梁结构、空间结构等。下面会通过一些具体实例进行简单说明。

4.1 高层和超高层建筑

自从1897 年美国设计师lally 在其建筑结构中就开始采用了一个椭圆型的钢管混凝土支撑柱作为主要的承重构件，并申请了相关专利，该种组合结构已经拥有了百年历史。这种组合结构从一开始便受到了欧洲各国建筑领域的广泛关注，并且随着泵灌混凝土技术等的迅速发展，钢管混凝土结构也在欧洲各国的桥梁及高层建筑中起到了越来越重要的作用。

目前为止，钢管混凝土结构在我国的发展已有四十余年。从八十年代起，随着高层建筑和超高层建筑在我国的逐渐兴起，研究员们就钢筋混凝土柱因其占地面积过大的问题展开讨论，进而逐渐引入承载力较高、占地面积较小且很大程度上能避免脆性破坏的钢管混凝土柱。

图1 为深圳的赛格广场，该广场建于1997 年，共71 层，含塔尖总建筑高度约355.8m，主体结构高度约为292m，目前是现在深圳的第三高楼。大楼在当年施工建造期间，在中国深圳已经创下了史无前例的每2.7天一层的及建设速度，也在当年先后获得了“深十大明星楼盘”（1999 年）和“国家科技进步二等奖”（2000 年）的荣誉。赛格广场建筑形式为框筒结构，其中框架柱和作为核心内筒的28 根密排柱都被设计为钢管混凝土柱。到目前为止，这座公寓大楼也是世界上最高的一座完全采用钢管钢筋混凝土架构的高层建筑。

广州绿地金融中心（图2）的主塔楼主要包括办公、餐饮及避难所等功能区。其中，主体塔楼是采用框架-核心筒的混合结构，外部的塔楼框架则采用了钢梁和圆形的钢管混凝土结构支撑柱，框架柱柱距为9m。

图1 深圳赛格广场

图2 广州绿地金融中心

4.2 单层和多层厂房柱

国内率先使用钢管混凝土柱的大型重工业厂房工程项目为1975 年修建的单层工业厂房本溪钢铁公司铸造锭模车间。该厂房主体结构采用钢管混凝土四肢柱。该工厂的吊车间跨度设计为24m，柱高设计为15.8m，并且采用q=20/100t 和10/50t 的重级工作机构桥式吊车。

上海国棉31 厂的机修车间在建造过程中，因建筑内部空间过于狭窄，无法采用钢筋混凝土柱，为了减少柱的占地面积，采用了钢管混凝土柱，这也是我国第一个采用钢管混凝土构件的多层工业厂房。此外，采用钢管混凝土柱也大幅度节约了工期，使工程得以提前2个月竣工，这也充分证明了钢管混凝土构件的优点。

4.3 桥梁结构

根据其自身优势，钢管混凝土在桥梁结构中有着明显优势，这种新型钢管钢筋混凝土框架结构凭借着其结构材质坚硬强度高、施工方便、造型美观3 大特点，该结构目前已在我国得到了广泛应用。

1990 年9 月建成的中国四川旺苍东河长江大桥不仅是目前为止我国第一座完全采用大型钢管混凝土连续梁的大型拱桥（图3），也是目前为止我国最早使用弗氏大型预应力结构作为桥梁支撑的大型桥梁结构。它的净箱梁跨度为115m，桥梁结构形式为下承式钢管混凝土预应力系杆拱桥，其桥梁矢度为1/6，全长248m。这座桥被当地人民称为“彩虹桥”。其中，钢管的拱肋结构是一种新型的复合建筑材料，在破坏荷载的作用下，钢管不但可以起到纵筋的作用，而且可以对混凝土起到近似于螺旋箍筋的横向约束作用，进而增强和提高建筑构件的承载力。同时，在建筑物的施工过程中，钢管也具备劲性骨架的作用。

图3 旺苍东河大桥

5 钢管混凝土的研究展望

随着钢管混凝土结构的广泛应用和在现代建筑工程的实际应用需要，开始出现了一些新的钢管混凝土结构形式，如中空钢管夹层新型钢管混凝土结构、以不锈钢管代替传统钢管的混凝土构件、FRP 约束钢管混凝土柱、钢管混凝土异形柱等。新的组合式结构各具特色，适用于不同类型的结构，也扩展了钢管混凝土结构的应用范围，例如中空夹层钢管混凝土结构的回转半径较大可有效提高刚度、自重存在明显优势且防火性能好，可广泛应用于海洋平台上的支撑梁和桥墩以及其他高层建筑物的大直径梁[3]；FRP 约束钢管混凝土柱（又称CCFT）是通过外部约束对传统的钢管混凝土柱进行改善，具有更好的轴心抗压承载力和抵抗变形的能力，同时基本避免了钢管出现外部屈曲的可能[4]；不锈钢管混凝土结构综合了钢管混凝土结构和不锈钢的优点，在某些对耐久性要求较高的结构如海洋平台、跨海桥梁等工程中得到广泛应用。目前，国内外学者对这些新型组合结构的研究已经取得部分成果，但还不够深入，有必要对这些新型组合结构开展大量的实验及理论研究，以推动该类构件在实际工程中的普及。