高强混凝土与厚壁钢管组合在高层建筑的应用

摘要：高强混凝土、厚壁型钢结合在一起立，改变以往钢筋与混凝土的组合，高强混凝土、厚壁型钢这两种材料的结合，从力学方面改善了高层建筑(高耸结构)的结构体系。从而充分发挥并利用混凝土和钢型材各自的材料优异特性，将两种材料有效组合，发挥各自的优势，形成高效的新体系构件。从钢骨混凝土发展到钢管混凝土再优化到钢管高强混凝土组合结构，使混凝土和型钢的重新组合而形志更具力学的优势。

 

关键词：钢骨混凝土;钢管混凝土;钢管高强混凝土组合结构

 

在建筑高层时用高强或超高混凝土经混凝土泵浇灌人厚壁(约l8～35厚)的圆形钢管内，使混凝土从与钢筋的结合变成与型钢管形成的一种新的组合结构，混凝土从有保护层的自由状态变成处于三向受压状态，借助圆形钢管对管内混凝土的约束作用，，使高强混凝土或超高强混凝土在钢管壁的约束下具有更好的压缩与约束变形的能力和抗压应变强度。这种组合重量轻、刚度大、强度高，钢管混凝土优越的施工性能和力学性能，由于它具有以上这些优越性，很快得到全世界的重视同时开展大量的试验研究，在各类建筑中加以应用。但由于混凝土泵送技术的制约，管内混凝土的浇灌技术未能成熟，钢管混凝土的优越性未能得到很好的的发挥。由于各种原因，普通钢筋混凝土结构还是建筑结构的主力。现代的}昆凝土泵灌注技术在上世纪八十年代中后期开始得到应用，迅速发展的高强混凝土泵灌注技术，给钢管混凝土结构技术提供了技术上的支持，钢管与高强混凝土这一新型结合技术又有了长足的发展。

 

1、型钢骨混凝土结构和厚壁钢管混凝土结构在高层建筑中的应用香港中国银行大高368．5m)的4个角柱(4．3mx7．93m)都是钢骨混凝土柱和上海金茂大厦(八十八层，高421m)的外围8个巨型柱(1．50rex4．88m)。建筑物中的剪力墙也是钢骨混凝土剪力墙。钢骨混凝土结构是型钢和混凝优化土组合。钢管混凝土结构技术在我国开发利用已有近三十多年的历史，钢管混凝土柱技术于一九六七年成功地用于北京地铁车站工程。八十年代，在我国建筑科技发展计划中，经建设部及各相关建筑科研机构在国内开展一系列的、系统的、科学研究，形成了一套厚壁钢管混凝土结构的计算理论和方法，影响钢管混凝土极限承载力的主要因素?，例如(1)柱端约束条件(转动和侧移)，(2)柱的长细比(3)作用力的偏心率，(4)钢管对核心混凝土的套箍强化作用。一九九四年十月由中国建筑工业出版社出版的《高强混凝土结构设计与施工》及由中国工程建设标准化协会批准颁布的《高强混凝土结构技术规程》(CECS104：99)_2』，将普通混凝土强度等级从标号C50提高至标号C80，钢管高强混凝土结构技术之所以迅猛发展，这是因为：

(1)钢管比钢筋骨架用钢量节省很多，降低建筑物的造价。

(2)现代泵送技术的发展，克服了现场混凝土的浇筑问题，能很好地配合混凝土施工浇灌工艺；

(3)圆形钢管对内外混凝土起到分隔作用，管内高强混凝土浇筑与管外梁板结构的普通混凝土可分开浇筑，可按施工情况而定，互不干扰，不存在浇筑的施工困难；

(4)圆形钢管对混凝土的套箍约束作用能克服核心高强混凝土的脆性，加大塑性。

(5)由于混凝土柱外层保护层(由厚壁钢管代替)，能将柱截面上的应力均匀地分布，充分发挥高强混凝土的承载能力，因此，当柱承载一定时，截面可相应减小，解决钢筋混凝土高层建筑“胖柱”的问题，这一理论是高层建筑技术的重大突破。

 

钢骨混凝土(图1)和钢管混凝土(图2)都是通过混凝土和钢两种材料组合成型的构件。

 

应用钢管与高强混凝土技术是由素混凝土由混凝土泵注入厚壁圆形或方形钢管内而形成的组合结构构件。它在施工方面的特点还表现在：

 

①钢管可代替模板，浇灌混凝土时可省去支模、拆模的工序；

②钢管是较好的承重骨架，焊接工作量比钢骨架简单方便，自重方面较轻易于吊装，可简化安装施工工艺，大大地加快施工速度，缩短工期；

③钢管的材料强度可代替钢筋，它兼有纵向钢筋和横向钢筋的功能，钢管的制作安装比制作钢筋骨架或型钢骨架简单、方便；

④钢管壁厚不大，一般约2O一30MM，加工方便，惯性距、弹性模量等力学性能都比较好。

 

由于有上述的优点，我国从二十世纪九十年代以来钢管混凝土在建筑方面有了巨大的发展。万县长江公路大桥就是一个很好的例子，大桥采用以钢管混凝土为劲性骨架的叠合式箱形断面拱桥，其跨度420m直接过长江，成为世界之最，上世纪九十年代未，深圳赛格广场工程，地下4层，地上72层，总高296．1m，采用16Mn钢，q~1600×28。采用钢管高强混凝土柱的钢结构体系的第一座超高层建筑，目前世界最高的钢管混凝土高层建筑都采用C60泵送混凝土，标志着我国钢管混凝土技术水平已进人世界先进行列。在地震区，采用C100～C130级的超高强混凝土注入钢管能形成刚度和承载力都很大的受力柱。不但承载力好，也能承受很好的水平力。

 

2、钢管高强混凝土组合结构在高层建筑中的应用

 

在高层建中采用钢管混凝土柱施工，在施工程序上，与原来的结构施工差不多，柱安装为每1～2层楼安装一次钢管和从管的上口浇灌混凝土。混凝土结构还是按楼层分段施工，在工厂预制后于现场一次吊装就位，只是钢管既是钢筋又是模板，比起用模板支模方便了很多。虽然分二次灌注混凝土，管内混凝土可选择在不同的时间进行浇灌，如果施工需要可2～3层楼浇筑一次灌注混凝土，在工期安排方面不影响主线路工期。在钢管混凝土柱技术的采用上，施工工序比较灵活，如建筑的基础部分施工可采用逆作法进行，从而节省大量的时间，另一方面还可解决施工场地狭窄所带来的空间、噪声、交通、污染等一系列问题。厚壁钢管与高强混凝土组合而成的结构，如柱、剪力墙等。钢管混凝土组合柱的截面如图3所示，里面是园型钢管混凝土柱的核心，外面再浇筑一圈普通钢筋混凝土，从而形成园型钢管、管内素混凝土和管外钢筋混凝土三种材料的组合。钢管内的混凝土较高，一般C60以上，而管外的外围混凝土强度等级较低，外围混凝土的强度等级一般不超过C60，内外混凝土不一定要同期浇筑，当不同时浇筑时应先浇筑管内，待核心钢管混凝土已承受总轴力达到12～14后再叠合浇筑外围混凝土。

 

这种混凝土与钢管的组合叠合在受力方面有时间的先后，由先施工柱子的核心部分承受早期施工荷载以形成早期的压力，然后在钢管核心外围浇筑外围混凝土，前后浇灌的混凝土叠合形成新的组合截面。核tl,部分承担早期荷载，混凝土的竖向刚度比分配按先后浇灌的混凝土分配，由组合后截面共同承担。核tl,部分面积已全部承担早期荷载，使核心部分承受的总轴力比值大为增加，体现出设计时故意增大核心部分的竖向刚度比，柱外围混凝土分担的轴力自然减少，有目的地控制边缘压应变，这样就能够达到缩小柱截面的目的。如果原来是C60}昆

凝土，柱截面需1．4mx1．4m，如果改用叠合柱，内柱用500mmx16mm钢管内灌1380混凝土，管外后叠合浇灌1360混凝土，则柱截面仅需0．9rex0．9m，节省60％。在各种性能方面，钢筋混凝土柱与钢管混凝土组合柱相比较，钢管混凝土柱用钢量少、容易加工安装，另外还有以下几个优点：(1)钢筋混凝土柱与钢管混凝土两者都以混凝土材料为主，钢管与高强混凝土组合柱比钢筋与混凝土组合钢材用量少很多。钢管内可用超高强混凝土，高强混凝土贵一些，但用量并不多，，管外可用一般混凝土(C40—1350)，其性能和质量较好控制，造价也低。

 

(2)钢管混凝土组合柱的抗水平力(如风力、地震等)刚度大，可增加结构刚度、减少地震或风力产生的侧向变形，增加超高层建筑抗风、抗震性能。

 

(3)试验数据表明，钢管混凝土组合柱的核心圈钢管及管外的钢筋混凝土的双重约束下，有很好的套箍作用，能使管中混凝土的脆性得到减小塑性增大，强度在很大程度上得到提高，钢管内混凝土采用高强混凝土如13100以上混凝土的空间大大提高。

 

(4)钢管混凝土短柱的承载力较大，当柱高与管径比HD>4时_3J，系数折减较大，偏心距影响系数折减，钢管混凝土柱由于承载力大抗水平力(如风力、地震等)刚度大，可减小钢管直径．

 

3、结语

 

厚壁园型钢管和高强或者超高强混凝土两者结合再加外层混凝土的组合，使现代超高层建筑如雨后春笋地崛起，在这两种材料的组合优化后，今后建筑结构研究还会继续完善优化，会从省料、容易加工、快速等方面更上一层楼。随着组合技术的不断完善、设计概念的更新与提高、理论研究的深入和施工实践的积累，钢管和高强混凝土两种组合结构将有长足的发展，将在更多类型的建筑上得到更广泛的应用。

 

参考文献

[1]赵西安．现代高层建筑结构设计[N]。北京：科学出版社，2000．1～1656．

[2]陈肇元．高强混凝土结构设计与施工指南[M]：北京：中国建筑工业出版社。2000．1—181．

[3]蔡绍怀．钢管混凝土在高层建筑中的发展。建筑钢结构进展．