鋼管混凝土在高層建筑中的工程應(yīng)用及展望

段修斌 席愛斌 章衛(wèi)松 程 娟 于傳鵬

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

1 概述

鋼管混凝土(Concrete-Filled Steel Tube，縮寫為CFST)是將混凝土澆灌在鋼管中而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)屬于套箍混凝土。按截面形式可分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土、矩形鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)近年來在地下結(jié)構(gòu)、橋梁和港口建設(shè)尤其是高層建筑中取得了廣泛而重大的應(yīng)用。與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼管結(jié)構(gòu)相比，鋼管和其內(nèi)填混凝土組合而成的鋼管混凝土，不但可以彌補(bǔ)兩種材料各自的劣勢(shì)，而且可以充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，因而具備優(yōu)越的工作性能和經(jīng)濟(jì)性。

2 工程應(yīng)用

鋼管混凝土的使用可以追溯到1879年英國(guó)Seven鐵路橋的修建，建造中首次采用了鋼管橋墩，并在管中澆灌了混凝土來輔助承受壓力，同時(shí)還可以防止鋼管內(nèi)壁銹蝕。1897年，美國(guó)人John Lally在民用房屋建筑的承重圓鋼管柱中填充了混凝土，并獲得專利［1］，隨后鋼管混凝土在單層及多層廠房的結(jié)構(gòu)柱中得到一定應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代以后，隨著對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的深入研究和泵送混凝土等施工工藝的發(fā)展，在日本、澳大利亞和美國(guó)等國(guó)的一些大型復(fù)雜高層建筑工程中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)又蓬勃興起，傳統(tǒng)的鋼柱和鋼筋混凝土柱被鋼管高強(qiáng)混凝土柱所代替，并被認(rèn)為是高層、超高層建筑技術(shù)的又一次重大突破。如東京西新宿廣場(chǎng)塔樓，地上31層，框架體系中的框架柱全部采用方鋼管混凝土。坐落于東京、共計(jì)121層的 shimizu超高層建筑，高550 m，采用矩形鋼管混凝土柱、壓型鋼板—輕型混凝土組合樓層體系。此外在大阪菲尼克斯威爾大廈、淀川六番館等工程中也陸續(xù)有鋼管混凝土的創(chuàng)新采用。1991年澳大利亞墨爾本在46層的聯(lián)邦中心大廈中采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，悉尼也建造了若干20層～30層的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)高層住宅，還有帕斯的 Forrest Center大廈和West Ralia Square大廈，這些建筑層均高于30層。二十世紀(jì)八九十年代美國(guó)在西雅圖前后建造了兩座鋼管混凝土柱高層建筑——58層的第二聯(lián)合廣場(chǎng)大廈和44層的太平洋中心大廈。

國(guó)內(nèi)應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)較早的有1992年建成高96.0 m的福建金源大廈，采用了圓鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁板樓蓋結(jié)構(gòu);1999年落成的深圳賽格廣場(chǎng)大廈，地下4層，地上72層，塔樓采用43.2 m×43.2 m的正方形切角八邊形平面，是中國(guó)首例采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的超高層建筑，采用了由圓鋼管混凝土密排柱形成的框筒結(jié)構(gòu);2005年落成的武漢國(guó)際證券大廈，地下3層，地上68層，6層以上采用了部分方形、矩形鋼管混凝土柱;2007年落成的北京財(cái)富中心二期辦公樓，結(jié)構(gòu)總高度265 m，為北京的第二高樓，采用鋼管混凝土框架加鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，建筑平面長(zhǎng)寬比達(dá)到1.5，外框柱通高采用大直徑圓鋼管混凝土柱，有效減小了截面尺寸及用鋼量;2010年開建的天津高銀117大廈，建筑高度597 m，共117層，是中國(guó)在建的屋頂高度最高的建筑物，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到約9.5，為滿足結(jié)構(gòu)抗震與抗風(fēng)的技術(shù)要求，結(jié)構(gòu)采用含有巨型組合柱、巨型支撐及轉(zhuǎn)換桁架組成的外框架以及含有組合鋼板剪力墻的鋼筋混凝土核心筒形成的巨型框架鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)體系［2］，對(duì)該混合結(jié)構(gòu)體系中，受往復(fù)軸心和偏心拉壓荷載下的矩形鋼管混凝土柱的工作性能，文獻(xiàn)［3］［4］做了一定的試驗(yàn)研究;2011年主體封頂?shù)某邔咏ㄖ钲诰┗鹑谥行?，結(jié)構(gòu)平面為矩形，采用框架核心筒加伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，沿高度方向設(shè)有4個(gè)加強(qiáng)層，大量采用型鋼混凝土構(gòu)件，外框柱采用矩形鋼管混凝土柱。

3 結(jié)論與展望

迄今統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)高層建筑尤其是近年來新建高層及超高層建筑的結(jié)構(gòu)方案中包含鋼管混凝土柱的已達(dá)120余棟，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)理論及實(shí)踐技術(shù)也在日新月異的工程實(shí)踐中得到長(zhǎng)足發(fā)展。

近幾年來，建筑材料(如高強(qiáng)混凝土、薄壁鋼管等)的發(fā)展和施工技術(shù)的提高，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)注入了新的活力;工程界、學(xué)術(shù)界對(duì)一系列新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(如薄壁鋼管混凝土、帶縱向加勁肋鋼管混凝土、中空夾層鋼管混凝土、冷彎型鋼鋼管混凝土等)進(jìn)行了深入研究。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)愈發(fā)體現(xiàn)出其在建筑工程界的推廣價(jià)值和遠(yuǎn)大前景。

［1］蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京:人民交通出版社，2003:4-5.

［2］劉 鵬，殷 超，李旭宇，等.天津高銀117大廈結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012，42(3):1-9，19.

［3］曹萬林，段修斌，張境潔，等.往復(fù)偏心拉壓荷載下矩形鋼管混凝土柱工作性能試驗(yàn)研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2012，28(4):133-138.

［4］曹萬林，張境潔，段修斌，等.鋼管混凝土柱往復(fù)拉壓荷載下工作性能試驗(yàn)研究［J］.世界地震工程，2012，28(2):1-7.