鋼筋混凝土柱、型鋼柱及鋼管混凝土柱之比較研究

趙 凱 馮瀟茭

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.沈陽(yáng)北方建設(shè)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110044）

1 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展了上百年，而鋼筋混凝土柱構(gòu)件仍然在大量的工業(yè)與民用建筑中被廣泛使用。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，建筑物的高度和跨度不斷增加，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的需要。 比如2011年深圳大運(yùn)會(huì)會(huì)館建設(shè)已不再是以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主， 其建筑結(jié)構(gòu)形式整體上是大跨度大空間的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架或是鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)。 再如天津?yàn)I海新區(qū)，其民用建筑均為高層結(jié)構(gòu)，采用的主要承重構(gòu)件已不再是簡(jiǎn)單的鋼筋混凝土柱， 而大多是采用型鋼柱或者鋼管混凝土柱。 型鋼柱和鋼管混凝土柱具有承載力高、剛度大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。

2 基本工作原理及受力特點(diǎn)

2.1 鋼筋混凝土柱

鋼筋混凝土柱是由鋼筋和混凝土兩種不同的材料組成的，是房屋、橋梁、水工等各種工程結(jié)構(gòu)中最基本的承重構(gòu)件，如圖1所示。 鋼筋混凝土柱的配筋由縱向鋼筋和箍筋組成， 如圖2 所示。縱向受力鋼筋的數(shù)量是根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算決定。箍筋的作用是連接縱向鋼筋形成鋼筋骨架，作為縱筋的支點(diǎn)，減少縱向鋼筋的縱向彎曲變形，承受柱的剪力，使柱截面核心內(nèi)的混凝土受到橫向約束而提高承載能力，因此箍筋的間距不宜過(guò)大。 在應(yīng)力復(fù)雜和應(yīng)力集中的部位及配筋構(gòu)造上的薄弱處，箍筋還需要加密。

圖1 鋼筋混凝土柱

圖2 鋼筋混凝土柱配筋

2.2 型鋼柱

圖3 型鋼廠房

圖4 鋼柱

型鋼柱就是用鋼材制造的柱，如工字鋼、H 型鋼等，已在部分民用建筑或大中型廠房中得到廣泛應(yīng)用，如圖3 所示。近年來(lái)，大型的場(chǎng)館建設(shè)、大跨度公共建筑、高層房屋、輕型活動(dòng)房屋、工作平臺(tái)、棧橋和支架等大量使用型鋼柱。 型鋼柱按截面形式可分為實(shí)腹柱和格構(gòu)柱，如圖4 所示。 實(shí)腹柱具有整體的截面，最常用的是工字形截面；格構(gòu)柱的截面分為兩肢或多肢，各肢間用綴條或綴板連接。 型鋼柱的受力主要是由強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性三方面來(lái)控制。 型鋼柱作為受壓構(gòu)件，因其材料的高強(qiáng)性，一般采用較小的壁厚就可以滿足要求， 但由此產(chǎn)生的失穩(wěn)問(wèn)題不容忽視。

2.3 鋼管混凝土柱

鋼管混凝土柱是在勁性鋼筋混凝土和螺旋鋼筋混凝土的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來(lái)的， 是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)，如圖5、6 所示。 鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐模?構(gòu)件的延性性能明顯改善，耗能能力大大提高，具有優(yōu)越的抗震性能。

圖5 圓鋼管混凝土柱

圖6 方鋼管混凝土柱

3 力學(xué)性能比較

3.1 承載能力的比較

鋼管混凝柱是由鋼管和混凝土共同組成的，具有較高的承載能力。 經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)分析和計(jì)算機(jī)數(shù)值理論計(jì)算，鋼管混凝土柱的承載力高于相應(yīng)的鋼管柱和混凝土柱之和， 真正達(dá)到了“1+1>2”的效果。現(xiàn)代建筑高度不斷增加，跨度逐漸增大，對(duì)柱構(gòu)件的要求越來(lái)越高。 工程上單純地采用鋼筋混凝土柱，會(huì)使柱的設(shè)計(jì)截面不斷增加，很容易出現(xiàn)“胖柱肥梁”的現(xiàn)象。 如果采用鋼管混凝土柱可以大大地減小柱的截面尺寸，從而減輕自重，提高柱的承載能力，而且也有利于抗震。 當(dāng)建筑高度較大時(shí)，采用型鋼柱勢(shì)必會(huì)增加柱的高度，對(duì)型鋼柱的穩(wěn)定性提出考驗(yàn)。 為了防止型鋼柱的整體失穩(wěn)和局部屈曲， 就必須要增加柱的肋板及支撐構(gòu)件， 這樣鋼材的使用量會(huì)大大增多， 同時(shí)也增加了建筑成本。 如果采用鋼管混凝土柱會(huì)避免用鋼量的增加，又由于鋼管內(nèi)部存在混凝土， 穩(wěn)定性和承載力與同長(zhǎng)度的型鋼柱相比有很大的提高。 此外，鋼管在核心混凝土的外部，對(duì)混凝土起到了約束的作用，會(huì)增大結(jié)構(gòu)的剛度。

理論分析和工程實(shí)踐都表明，與型鋼結(jié)構(gòu)相比，在承載能力和自重相同的情況下， 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可節(jié)省鋼材約50%[1]，焊接工序大大減少；與同條件下的鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土構(gòu)件的截面面積減少約一半左右， 在室內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)柱楞的現(xiàn)象，滿足家居裝修的審美要求，也增大了建筑的有效面積。 實(shí)際工程中，如北京國(guó)際貿(mào)易中心、深圳賽格廣場(chǎng)大廈等都采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，如圖7、8 所示。 表1 為北京國(guó)際貿(mào)易和深圳賽格廣場(chǎng)大廈采用鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱構(gòu)件面積的比較；表2 為采用三種類型柱的廠房耗鋼量與自重等比較。

圖7 北京國(guó)際貿(mào)易中心

圖8 深圳賽格廣場(chǎng)大廈

表1 構(gòu)件尺寸及面積比較

表2 構(gòu)件耗鋼量及自重比較

3.2 塑性和抗震性能比較

圖9 鋼管混凝土柱滯回曲線及骨架曲線

塑性是指在靜載作用下的塑性變形能力。 鋼管混凝土短柱軸心受壓試驗(yàn)表明，試件壓縮到原長(zhǎng)的2/3，縱向應(yīng)變達(dá)30%以上時(shí)，試件仍有承載力。 剝?nèi)ヤ摴芎螅瑑?nèi)部混凝土雖已有很大的鼓凸褶皺，但仍保持完整，并未松散。 抗震性能是指在動(dòng)荷載或地震作用下，具有良好的延性和吸能性，在一些建筑中，鋼柱常常要采用很厚的鋼板以確保局部穩(wěn)定性，如圖9 所示。

3.3 耐火、防火與防腐蝕性能比較

由于鋼管內(nèi)填有混凝土，能吸收大量的熱能，因此遭受火災(zāi)時(shí)管柱截面溫度場(chǎng)的分布很不均勻， 增加了柱子的耐火時(shí)間，減慢鋼柱的升溫速度。并且一旦鋼柱屈服，混凝土可以承受大部分的軸向荷載，防止結(jié)構(gòu)倒塌。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，達(dá)到一級(jí)耐火3 小時(shí)要求和鋼柱相比可節(jié)約防火涂料1/3 一2/3 甚至更多[2]，隨著鋼管直徑增大，節(jié)約的涂料也越多。 鋼管中澆注混凝土使鋼管的外露面積減少，受外界氣體腐蝕的面積比鋼結(jié)構(gòu)少得多，抗腐和防腐所需費(fèi)用也比鋼結(jié)構(gòu)少[3]。

4 施工工藝比較

鋼管混凝土柱的零件較少、焊縫少、構(gòu)造簡(jiǎn)單，柱腳常采用在混凝土基礎(chǔ)上預(yù)留杯口的插入式柱腳， 因而工廠制造比較簡(jiǎn)單。同時(shí)構(gòu)件自重較小，運(yùn)輸和吊裝也較容易，施工很簡(jiǎn)便。而且鋼管混凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在40mm 以內(nèi)，無(wú)論是工廠焊接還是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)接，都沒(méi)有什么困難。

5 鋼管混凝土存在的問(wèn)題

5.1 鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系。由于鋼管混凝土力學(xué)行為的復(fù)雜性，迄今為止尚未建立起比較完善的本構(gòu)關(guān)系。 現(xiàn)有的專家學(xué)者雖然對(duì)混凝土的彈性、 彈塑性和屈服階段的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了概括，但是大都是以回歸公式為主，對(duì)于混凝土本身的本構(gòu)關(guān)系如何選取為最優(yōu)，目前還需要繼續(xù)研究。

5.2 在計(jì)算方面， 鋼管混凝土有限元計(jì)算理論缺乏統(tǒng)一性[4]。 專家學(xué)者應(yīng)用各種計(jì)算機(jī)輔助軟件或者模擬軟件計(jì)算結(jié)果，各種理論結(jié)果沒(méi)有統(tǒng)一的對(duì)比。 而每種計(jì)算模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，都會(huì)忽略一些實(shí)際的參數(shù)和因素，簡(jiǎn)化模型過(guò)程中會(huì)考慮很多人為因素， 所以目前應(yīng)在學(xué)術(shù)界統(tǒng)一制定一套理論計(jì)算或模擬計(jì)算方法，以供工程實(shí)際分析使用。

5.3 對(duì)鋼管混凝土桁架節(jié)點(diǎn)與柔性吊桿的疲勞問(wèn)題的研究還不夠，一些相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范及制作方法不協(xié)調(diào)，影響了實(shí)際工程中的質(zhì)量檢驗(yàn)等，所以亟需解決統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)范問(wèn)題，以更好地為實(shí)踐服務(wù)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述幾方面的分析， 與鋼筋混凝土柱和型鋼柱相比，鋼管混凝土柱的優(yōu)越性一目了然， 但也是相對(duì)年輕不成熟的結(jié)構(gòu)，只有加強(qiáng)它自身的理論計(jì)算和設(shè)計(jì)規(guī)范的統(tǒng)一，這種新型結(jié)構(gòu)形式才能茁壯成長(zhǎng)起來(lái)。 就目前來(lái)說(shuō)，它具有高強(qiáng)、高性能的構(gòu)件形式，也是一種高效的施工技術(shù)。 隨著人們對(duì)現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)形式不斷提出新的要求， 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件愈來(lái)愈受到工程界及工程技術(shù)人員的青睞。 相信隨著經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng)及建筑產(chǎn)業(yè)化集群的發(fā)展，人們對(duì)鋼管混凝柱的研究會(huì)越來(lái)越多，鋼管混凝柱會(huì)不斷地被應(yīng)用到各建筑領(lǐng)域之中， 這類結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)終究會(huì)被人們逐漸完善和掌握，從而更好地為人類服務(wù)。

[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，2003，3.

[2]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（第三版）[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003，8.

[3]韓林海.鋼管混凝土柱耐火性能和抗火設(shè)計(jì)的特點(diǎn)[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2001，1（4）.

[4]熊峰，等.鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)計(jì)算的矩陣位移法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（5）:480-483.