超高層建筑中的鋼管砼

【摘 要】人類建筑史上傳統的結構形式主要有：木結構、磚石（砌體）結構、鋼筋混凝土結構和鋼結構等四類。本文主要對超高層建筑中的鋼管混凝土的特點、典型實例和發展前景進行論述。

【關鍵詞】高層建筑；結構設計；鋼管砼

一、引言

隨著建筑科學技術的發展，近20年來又推出了第五種結構類型，即全新的鋼-混凝土組合結構。該種新型建筑結構，充分發揮了鋼材和混凝土的材料特性及優點，按其組合方式又可分為：鋼管混凝土結構、鋼-混凝土組合梁、外包鋼組合結構和勁性鋼筋混凝土結構等四種。它們的共同特點是：施工簡便、工期短、結構性能好且大大節約建筑材料。

鋼-混凝土組合結構之一的鋼管混凝土（即鋼管砼-CFST），就是在鋼管中充填素混凝土制成的建筑構件。它具有承載力高、抗震性能好、節約鋼材和施工簡捷等突出優點，因而在高層和超高層建筑中得到了日益廣泛的應用。其推廣與發展的速度十分迅猛，并將成為21世紀高層和超高層建筑群最為實用和主要的結構形式。

二、鋼管砼的結構特點

鋼管砼在高層建筑工程中，主要是作為受壓管柱的建筑構件使用，與鋼梁和梁柱節點等共同構成建筑物的框架結構體系。

鋼管砼柱因其結構特征，同時具備了鋼管和混凝土兩種材料的性質。即管柱外部包裹鋼管材料，管柱內部充填混凝土材料，因鋼管壁對管內混凝土形成的剛性拘束作用，防止了管內混凝土的脆性破壞。實驗和理論分析證明，鋼管混凝土在軸向壓力作用下，鋼管的軸向和徑向受壓而環向受拉，混凝土則三向皆受壓，鋼管和混凝土皆處于三向應力狀態。三向受壓的混凝土抗壓強度大大提高，同時塑性增大，其物理性能上發生了質的變化，由原來的脆性材料轉變為塑性材料。正是這種結構力學性質的根本變化，決定了鋼管砼的基本性能和特點，并作為新型的第五種建筑組合結構顯示出巨大的生命力和發展前景。

在高層建筑中，鋼管砼的特征與優勢如下：

1、鋼管砼柱的抗壓和抗剪承載力高，相當于鋼管和混凝土二者之和的2倍以上；

2、鋼管砼柱截面比鋼筋混凝土柱可減少60%以上，輪廓尺寸也比鋼柱小，擴大了建筑物的使用空間和面積；

3、柱子截面減小，自重減小，有利于結構抗震，相當于設防烈度下降一級；

4、鋼管砼柱自重減少，減輕了地基承受的荷載，相應降低了地基基礎造價；

5、鋼管壁薄便于選材、制造與現場焊接，是施工最為快捷的建筑結構；

6、鋼管砼柱內的混凝土可大量吸收熱能，其耐火性優于鋼柱，從而比鋼柱可節省耐火涂料50%以上；

7、鋼管砼具有的核心混凝土三向受壓特性，利于剛剛問世的C60～80高強度混凝土安全可靠地推廣應用。

由于上述各項優點，采用鋼管砼柱時可節省大量的建筑材料，且素混凝土無須振搗，施工方便，工期短。根據計算，與鋼筋混凝土柱相比，可節約混凝土60%～70%，同時降低造價。若與全鋼結構的鋼柱相比，則可節約鋼材50%，其工程造價也可降低45%。

在高層建筑設計中，鋼管砼柱可以僅控制長細比而不必限制軸壓比。此外因其整體性能好，還克服了普通鋼結構鋼柱存在的局部失穩的缺點。因此，與鋼筋混凝土柱相比，截面設計可以減少60%以上。

例如，北京國際貿易中心塔樓的原結構設計由美國提供，采用的是鋼筋混凝土結構，鋼筋混凝土柱的截面設計尺寸為2200×2200mm，十分龐重。后改用了國內的鋼管混凝土設計方案后，鋼管砼柱的截面僅為φ1400×30mm，截面面積減少了2/3。

全國聞名的深圳賽格廣場大廈，采用了鋼管砼結構設計，其鋼管砼柱最大截面僅為φ1600×28mm，若用鋼筋混凝土柱，截面則應為2400×2200mm，柱截面面積減少了63%，粗略估算使整個大廈增加了使用面積8000多平方米。顯然，采用鋼管砼結構的高層建筑，其經濟效益非常顯著。

三、鋼管混凝土的發展前景與工程應用

我國在鋼-混凝土組合結構的學術研究與工程應用方面，一直處于國際領先地位。1988年創立的“國際鋼-混凝土組合結構合作研究協會”，其首屆與第二屆主席，即由我國的中國鋼結構協會常務理事、中國鋼協鋼-混凝土組合結構協會理事長、博士及博士后導師、著名的建筑鋼結構專家和學者、哈爾濱建筑大學鐘善桐教授擔任。現已82歲高齡的鐘善桐教授，至今仍擔任著該國際學術組織的名譽主席。

與此同時，鐘善桐教授居世界領先創立了“統一理論”，并將其應用于鋼管混凝土的理論研究與工程設計方面，使鋼管混凝土結構演變成一個完整和獨立的建筑新學科。在此基礎上，提出了一整套設計公式，并就鋼管混凝土柱及節點的優化設計創編了CFST軟件，現已被廣泛應用于工程實踐當中。

鋼管混凝土的實際工程應用，最早見于19世紀80年代，曾用作橋墩，以后漸漸用于建筑物支柱的建造，并且其用途日益拓寬。20世紀50年代始，前蘇聯、美國、日本和歐州部分先進國家對其進行了大量的試驗研究，并在一些房屋建筑和橋梁工程中得到應用。

我國鋼管混凝土的研究開發始于20世紀60年代中期，首例應用為北京的地鐵工程，并成功地用于\"北京站\"和\"前門站\"站臺柱的建造，之后環線地鐵工程的站臺柱全部采用了鋼管混凝土結構。20世紀70年代以后，我國的鋼管混凝土逐漸應用于單層和多層工業廠房、高爐和鍋爐構架、送變電構架及各種支架結構中，建成的建設工程超過百項。

80年代初，日本率先采取了先進的泵送混凝土施工方法，成功地解決了進行鋼管柱的混凝土澆灌復雜工藝問題，既保證了工程質量，又降低了工程造價，從而促使鋼管混凝土結構進入了一個新的發展階段。日本、澳大利亞和美國等國相繼建成了一些鋼管混凝土的高層建筑和拱橋。

80年代末至90年代，我國的鋼管混凝土工程應用也進入成熟階段，并居世界前列將其拓展為公路與城市拱橋和高層與超高層建筑的兩大工程應用領域。近10年來，我國達百米和超過百米的鋼管砼結構的高層建筑已有20多座。其中最高的是深圳72層的賽格廣場大廈，結構高度291.6米，堪稱世界之最。

至20世紀末，鋼管混凝土無論是理論研究還是工程應用，我國均已處于世界前列。

四、鋼管砼在高層建筑中應用的典型實例

1、澳大利亞墨爾本的聯邦中心大廈

這是澳大利亞第一次采用鋼管砼結構的高層建筑物， 鋼管砼管柱50×8mm，為一座46層的辦公大樓，于1991年建成。

2、美國西雅圖的聯合廣場大廈

這是一座58層、高220米的的建筑物，在核心筒中采用四根φ3050mm鋼管砼管柱，建筑物的用鋼量僅為58公斤/平方米，于80年代末建成。

3、美國西雅圖的太平第一中心大廈

這是一座44層高的建筑物，在核心筒中采用八根φ2300mm鋼管砼管柱，周邊采用φ760mm鋼管砼管柱，于90年代初建成。與全鋼結構相比，該建筑物大致節約一半鋼材左右。

4、日本琦玉縣雄師廣場高層住宅樓

這是日本第一座最高的采用鋼管砼結構的高層建筑，設計55層、高185.8米，于1998年建成。

5、中國福建泉州市郵局大樓等15座高層建筑

中國福建泉州市的郵局大樓，是我國第一座采用鋼管砼結構的高層建筑，16層，高87.5米，于1992年建成。

參考文獻：

[1]韓林海.鋼管混凝土結構.北京：科學出版社，2000.

[2]鐘善桐.鋼管混凝土設計新方法.建筑技術，1995.（2）.

[3]趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結構.北京：科學出版社，2001.

[4]張學飛.關于日本以及歐美各國鋼管混凝土柱設計法的比較. 糧食流通技術，1999， 24（11）

[5]蔣家奮、湯關祚.三向應力混凝土.北京：中國鐵道出版社，1998.

[6]Shams M.and Saadeghvaziri M.S.State of the art of concrete-filled steel tubular column. ACIStructural Journal，1997，94（5）.

作者簡介：

翟立強（1986.07），男，蒙古族，遼寧省阜新市人，學士，工程師，主要從事結構專業圖紙設計。