超高层建筑中的钢管砼

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摘要：人类建筑史上传统的结构形式主要有：木结构、砖石（砌体）结构、钢筋混凝土结构和钢结构等四类。

  关键词：高层结构设计钢管砼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。与此同时，钟善桐教授居世界领先创立了"统一理论"，并将其应用于钢管混凝土的理论研究与工程设计方面，使钢管混凝土结构演变成一个完整和独立的建筑新学科。在此基础上，提出了一整套设计公式，并就钢管混凝土柱及节点的优化设计创编了CFST软件，现已被广泛应用于工程实践当中。钢管混凝土的实际工程应用，最早见于19世纪80年代，曾用作桥墩，以后渐渐用于建筑物支柱的建造，并且其用途日益拓宽。20世纪50年代始，前苏联、美国、日本和欧州部分先进国家对其进行了大量的试验研究，并在一些房屋建筑和桥梁工程中得到应用。我国钢管混凝土的研究开发始于60年代中期，首例应用为北京的地铁工程，并成功地用于"北京站"和"前门站"站台柱的建造，之后环线地铁工程的站台柱全部采用了钢管混凝土结构。70年代以后，我国的钢管混凝土逐渐应用于单层和多层工业厂房、高炉和锅炉构架、送变电构架及各种支架结构中，建成的建设工程超过百项。80年代初，日本率先采取了先进的泵送混凝土施工方法，成功地解决了进行钢管柱的混凝土浇灌复杂工艺问题，既保证了工程质量，又降低了工程造价，从而促使钢管混凝土结构进入了一个新的发展阶段。日本、澳大利亚和美国等国相继建成了一些钢管混凝土的高层建筑和拱桥。80年代末至90年代，我国的钢管混凝土工程应用也进入成熟阶段，并居世界前列将其拓展为公路与城市拱桥和高层与超高层建筑的两大工程应用领域。近10年来，我国达百米和超过百米的钢管砼结构的高层建筑已有20多座。其中最高的是深圳72层的赛格广场大厦，结构高度291.6米，堪称世界之最。至20世纪末，钢管混凝土无论是理论研究还是工程应用，我国均已处于世界前列。三、钢管砼在高层建筑中应用的典型实例●澳大利亚墨尔本的联邦中心大厦这是澳大利亚第一次采用钢管砼结构的高层建筑物,钢管砼管柱50×8~16mm，为一座46层的办公大楼，于1991年建成。●美国西雅图的联合广场大厦这是一座58层、高220米的的建筑物，在核心筒中采用四根φ3050mm钢管砼管柱，建筑物的用钢量仅为58公斤/平方米，于80年代末建成。●美国西雅图的太平第一中心大厦这是一座44层高的建筑物，在核心筒中采用八根φ2300mm钢管砼管柱，周边采用φ760mm钢管砼管柱，于90年代初建成。与全钢结构相比，该建筑物大致节约一半钢材左右。●日本琦玉县雄师广场高层住宅楼这是日本第一座最高的采用钢管砼结构的高层建筑，设计55层、高185.8米，于1998年建成。●中国福建泉州市邮局大楼等15座高层建筑中国福建泉州市的邮局大楼，是我国第一座采用钢管砼结构的高层建筑，16层，高87.5米，于1992年建成。随后的短短的数年里，国内采用钢管砼结构先后建成了二十几幢高层建筑，主要有：   厦门阜康大厦，25层，高86.5米，1994年建成；   厦门金源大厦，地下水层，30层，高96米，1995建成；   广州好世界广场，地下3层，地上22层，高116.3米,1995年建成；   天津工商银行办公大楼,地下2层，地上36层,高125.5米,1996年建成;   福州环球广场，地下3.5层，地上38层，1997年建成；   福州侨益大厦，地下2层，地上32层，高115.7米，1997年建成；   天津今晚报大厦,地下2层，地上38层,高137米,1997年建成;   北京世界金融中心大厦，地下3层，地上33层,高156米,1998年建成;   深圳邮电信息枢纽中心大厦,地下3层，地上48层,高180米,1998年建成;   广州新中国大厦,地下5层,地上43层，高200米,1999年建成;   重庆环球广场大厦，地下2层，地上31层，高110.6米，1998年建成；   昆明邦克大厦，地下3层，地上36层，高126.1米，1998年建成；   重庆世界贸易中心，地下5层，地上55层，高210米，1999年建成；   深圳赛格广场大厦,地下4层，地上72层,高291.6米,1999年建成。