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鋼管混凝土結構在我國的應用與成就

作者：蔡益燕    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
鋼管混凝土自上一世紀六十年代由前蘇聯引入我國以來，在我國得到廣泛的應用，應用范圍很廣，發展十分迅速。上一世紀八十年代末以后，鋼管混凝土的應用進入高層和超高層建筑以及公路和城市?梁，發展十分迅速。
    哈爾濱工業大學

    摘 要：鋼管混凝土自上一世紀六十年代由前蘇聯引入我國以來，在我國得到廣泛的應用，應用范圍很廣，發展十分迅速。上一世紀八十年代末以后，鋼管混凝土的應用進入高層和超高層建筑以及公路和城市?梁，發展十分迅速。先后建成了采用鋼管混凝土柱的世界最高的超高層建筑和世界跨度最大的公路?梁。本文簡略地介紹其應用和發展過程。同時，在科研方面，我國創建了《鋼管混凝土統一理論》。提出了新的研究方法和新的設計方法，得到了統一設計公式。
    關鍵詞：鋼管混凝土 研究及應用
    1.前言
    當前建筑中最常用的承重結構材料是建筑鋼材和混凝土，它們各有優缺點。
    鋼材的優點是：抗拉、抗壓強度高，強度與自重之比大，屬于輕質高強、勻質等向材料；用作承重結構時，內力和變形與力學計算結果符合最好。因而，廣泛用于大跨、重載和高層建筑中。缺點是：用作受壓和受彎構件時，承載力常決定于穩定。為了保證穩定性，需加強構造，采用寬展截面，或加設一些附加構件，因而增加了鋼材的消耗。此外，還有防銹和抗火問題，也提高了工程造價。
    混凝土的優點是：抗壓性能好，取材容易，價格低。缺點是：自重大，抗拉強度很低，受壓時呈脆性破壞。
    如果把鋼材和混凝土兩種材料組合在一個構件中，則可揚長避短，充分發揮各自的優點，又相互克服各自的缺點，達到了各盡其材，物盡其用的目的。鋼筋混凝土結構就是鋼材和混凝土兩種材料的很好組合。
    但是，在鋼筋混凝土構件和結構中，鋼材和混凝土組合在一起，雖然相互間克服了對方的弱點，使對方能發揮固有的優點；但并未改變對方的受力性能，提高對方的承載力。
    當人們創造了把混凝土灌入鋼管中的方法，就出現了鋼管混凝土構件。把它用作受壓構件時，對鋼材和混凝土兩種材料的組合使用，又步入了一個新時代。
    眾所周知，薄壁鋼管受壓時，局部缺陷對穩定承載力很敏感，稍有一點局部凹凸缺陷，就將使鋼管的臨界應力大幅度下降。但當管內灌入了混凝土，保證了薄鋼管的穩定，可以充分發揮鋼管抗壓的強度承載力。而管內的混凝土在壓力的作用下，受到鋼管的約束，處于三向受壓狀態，不但提高了抗壓強度，而且增加了塑性，克服了脆性。由此可見，鋼管混凝土中鋼材和混凝土的組合使用，不僅克服了兩種材料的弱點，使鋼材和混凝土彼此的優點得以充分發揮，而且還改變了鋼管和混凝土的受力狀態，改變了兩種材料的工作性能，特別是混凝土的工作性能，由單向受壓變為三向受壓，由脆性材料變為塑性材料。它們的組合對提高承載力的效果遠遠超過了鋼筋混凝土。
    由此可見：鋼管混凝土是對鋼材和混凝土兩種材料的最佳組合應用。
    1． 鋼管混凝土在我國的應用
    2.1 鋼管混凝土在工業建筑中的應用
    鋼管混凝土是上世紀五六十年代由前蘇聯引入我國的。遼寧鞍山市第三冶金建設工業公司的土建技術人員在混凝土預制構件廠的制管車間中，首次采用了三肢鋼管混凝土框架柱，于1968年建成，迄今安全使用已三十六年。
    上一世紀60年代后期建成通車的首都地鐵一號線，在北京站和前門站兩個站臺工程中，初次采用了鋼管混凝土柱。取得了顯著的經濟效益。如：柱子截面減小了，節約了大量混凝土，增加了有效使用空間，不需要支模和折模，簡化了施工工序，縮短了施工工期等。因此，在隨后建成的地鐵線中，普遍采用了鋼管混凝土柱。
    隨后，鋼管混凝土在工業廠房，高爐構架和鍋爐構架、送變電桿塔等領域得到了推廣應用，先后建成了上百個工程，遍及全國各地的冶金工業、造船工業、機械制造業以及電力工業等。在各種工業廠房中，橋式起重機最大噸位達600噸，最大跨度達55m，柱子最大高度達42m。鍋爐構架中最大的是湖北省荊門市熱電廠的670t/h，HG670-140-8型懸吊式鍋爐，構架柱高達49.3m，承受軸心壓力達12000kN，1983年建成。輸電線路塔架中，最大的是500kV線路塔架；而跨越塔高達175m，跨越檔距超過1300m。總之，我國已成為全世界鋼管混凝土結構采用范圍最廣、數量最多的國家。
    圖1示鞍山鋼鐵總公司新軋鋼公司于2000年3月建成的一煉鋼連鑄連軋主廠房，這是一個五跨單層工業廠房。

    跨度L=14+27+2×30+27=128米，柱距24米，全長180米,柱頂標高23.59米至42米；設有100/50t和200/75t硬鉤重級工作制吊車。這是迄今為止在重工業廠房中采用鋼管混凝土柱的最大的單層工業廠房，也是迄今國內外采用鋼管混凝土柱規模最大的工業廠房建筑。全部柱子都采用了鋼管混凝土三肢柱和四肢柱。管柱均為Φ450×12,鋼材Q235B,內灌C40混凝土。
    圖2示1999年建成的上海電機廠跨度為33米的露天車間, 柱距為24米和16米,全長64米, 備有600t橋式起重機.這是起重機最大的采用鋼管混凝土柱的工業車間。柱子為四肢柱4600×2200mm，由4Φ500×

    在工業廠房中除單層工業廠房外，還有很多多層工業廠房也普遍采用了鋼管混凝土柱，如西寧鋁廠、柳州水泥廠等。
    2.2 鋼管混凝土在高層建筑中的應用
    從上一世紀八十年代中期開始，鋼管混凝土在我國進入了高層建筑領域。如地下1層，地上15層，高87.5m的福建省泉州市郵電局，地下層與營業廳部分應業主要求，由原設計1.23m×1.23m的鋼筋混凝土柱改為Φ800×10的鋼管混凝土柱，取得了節約混凝土68%、節約鋼材10%、柱子截面減小2/3的顯著經濟效果。這是我國局部柱子采用鋼管混凝土柱的第一個高層建筑，工程于1992年建成（圖3）
    通過這一工程實踐，顯示出采用鋼管混凝土柱很大的優越性，為鋼管混凝土在高層建筑中的推廣和應用起了很大的促進作用。因而在短短的十幾年時間里，鋼管混凝土柱在高層建筑中的應用就由局部柱子采用，到大部分柱子采用，到全部柱子采用，發展十分迅速。截至2005年，已建成采用鋼管混凝土柱的高層和超高層建筑已超過60棟。這些建筑主要

    分布在廣州、深圳和天津。其中最具代表性的：如天津今晚報大廈，地下2層，地上38層，高137m。包括裙房的總建筑面積為8.2萬m2，按7度抗震設防設計。平面為D=44m圓形，框架采用8.4m×8.4m柱網，由16根鋼管混凝土柱和現澆雙向多肋鋼筋混凝土樓蓋組成的框架，以及現澆鋼筋混凝土內筒構成的框筒結構體系。柱子的最大軸向壓力達35000kN，于1997年初竣工。
    采用鋼管混凝土柱的最高建筑是廣東深圳市賽格廣場大廈，地下4層，地上72層，屋頂直升機停機坪高291.6m；裙房10層，總建筑面積175000m2，于1999年底建成。是我國自行設計、國內投資、采用全部國產鋼材、自己加工制造和施工的第一個超高層建筑，也是迄今世界上包括抗震內筒在內的全部柱子全都采用鋼管混凝土柱的最高的建筑物。通過這一工程實踐，充分反映了我國在鋼管混凝土結構這一領域內已經取得的理論研究和工程實踐方面的巨大成就，也為鋼管混凝土結構的深入研究和發展應用做出了巨大的貢獻。
    圖4是哈爾濱市黑龍江省聯通樞紐樓，地下2層，地上35層，高149m，于2003年建成。這是東北地區建成的第一座采用鋼管混凝土柱的高層建筑，也是哈爾濱市的標志性建筑。建筑總面積為35000m。
    2.3 鋼管混凝土在住宅建筑中的應用
    我國第十個五年計劃期間以發展鋼結構住宅為建設重點。國家建設部在全國組織了一批試點工程。根據有關報道，鋼結構住宅的造價高于通常采用的鋼筋混凝土混合結構。顯然，造價已成為發展鋼結構住宅的障礙，使國家的推廣計劃難以實現。但是，如果鋼結構住宅中采用鋼管混凝土柱以代替鋼柱，則造價可與鋼混結構持平；而在高烈度地震區采用圓鋼管混凝土柱時，造價還可低于普通鋼混結構。因此，采用鋼管混凝土柱的鋼結構住宅必將成為發展的方向。




    但時隔僅三年，2004年我國又建成了重慶市奉節巫山長江大?。主跨達460m,寬19m，成為目前世界上跨度最大的鋼管混凝土拱?，拱肋鋼管直徑達1220mm(圖8)。

    此外，我國已開始在鐵路?中采用了鋼管混凝土拱?。也是迄今為止國內外第一個采用鋼管混凝土的鐵路拱?。跨度達236m。

    3.鋼管混凝土結構的研究成就
    經過近20年對鋼管混凝土構件工作性能的系統而深入的研究，作者于1994年創建了《鋼管混凝土統一理論》。
    《鋼管混凝土統一理論》的內容是：
    把鋼管混凝土視為統一體,是鋼材和混凝土組合成的一種組合材料。它的工作性能隨著材料的物理參數,統一體的幾何?數和截面形式,以及應力狀態的改變而改變。變化是連續的,相關的,計算是統一的。概括而言,鋼管混凝土的工作性能具有統一性,連續性和相關性。

    3.1 統一理論的應用和發展
    統一理論形成后,提出了對鋼管混凝土進行研究的新方法。在其指引下,繼續進行理論研究,不斷取得新的研究成果.它已經成為我們開展這一方面的研究工作的指路標。
    1994年獲得了圓鋼管混凝土構件動力性能的科研成果。限制構件的長細比，可不限制軸壓比。大大地提高了采用鋼管混凝土構件時的經濟效益。
    2001年獲得了實心圓形,多邊形和方(矩)形鋼管混凝土構件工作性能的新成果（圖10）。

    隨著截面形式的變化，其性能的變化是連續的。
    2005年又獲得了空心圓形,多邊形和方(矩)形鋼管混凝土構件工作性能的成果。

    圖11示空心鋼管混凝土構件的各種截面形式。圖12示空心率變化時的系列N-ε關系曲線。也可看到，隨著空心率Ψ的變化，N-ε的變化也是連續的。

    至此,《鋼管混凝土統一理論》基本上形成一個完整的理論體系。
    應該指出的是: 《鋼管混凝土統一理論》的形成和發展并非我個人的力量,它是五十多位博士和碩士辛勤勞動與共同奮斗和努力的結果。同時,科學發展是永無止境的,它的進一步發展還有待于后人的繼續努力。
    鋼管混凝土結構非常適合我國國情。迄今為止,我國已成為鋼管混凝土結構應用最廣，理論研究最深的國家。
    在我國, 鋼管混凝土結構的發展十分迅速,從開始時的實心圓形構件發展到方形和矩形構件；又由實心構件發展到空心構件等等。如下圖所示。
    鋼管混凝土

    除了實心多邊形構件外，其他各種形式的鋼管混凝土構件在工程中都有采用。而且，在實心中的圓形,方形和矩形鋼管混凝土,以及空心圓形鋼管混凝土方面,也都先后制訂了設計規程。這些規程采用的構件設計方法多種多樣。
    在統一理論的指導下,獲得了統一設計公式。 因為以受壓為主的構件總是決定于穩定,故只需用以下公式:



    無論是實心或空心鋼管混凝土構件,也無論是圓形截面,多邊形或方形截面,其承載力都用同一公式。只是式中的分母采用各自的參數。因而，便于設計工作者的掌握和應用。
    由于“統一理論”把鋼管混凝土視為是一種組合材料，即單一材料，才能得到壓彎扭剪復雜受力狀態的相關設計公式。采用鋼管和混凝土承載力疊加法對壓彎扭剪復雜受力狀態是無法計算的。而且，構件的承載力設計值都是以實心圓形構件為基本，不同的截面形式以及空心構件，無論是強度或穩定,都在實心圓形構件承載力的基礎上獲得。這是這種新的設計方法的特點。
    因為有了統一的設計公式,所有的鋼管混凝土構件都可用一套公式來計算,將來也只需要制定一個統一的設計規范。

    參考文獻：
    1） 鐘善桐著：《鋼管混凝土結構》第3版，清華大學出版社，2003。北京。
    2） 鐘善桐著：《鋼管混凝土統一理論—研究與應用》清華大學出版社，2006。北京。
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