淺談鋼管結構的發展現狀

陳佳廉　張松

摘 要：筆者通過查閱國內外文獻，綜述了鋼管結構在國內外的發展狀況，總結了鋼管結構的特點及現階段存在的問題，并對鋼管結構的應用作了簡要闡述。

關鍵詞：鋼管結構;發展狀況;問題;特點;應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.016

0 引言

鋼管結構因外表美觀、承載力高、簡化施工、防腐防火成本低、可填充、風及波浪阻力小等特點被應用于體育館、會展中心、機場、大跨度橋梁建設中，但因生產能力有限、管結構研究較少等問題在國內應用受限。

1 鋼管結構在國內外發展狀況

1825年，英國開始生產煅焊圓管，鋼材開始以管狀形式進入人們視野，受焊接工藝的限制，煅焊圓管大多用于制作裝飾品、簡單的工具和武器;1845年，電弧焊得以應用和發展，德國開始生產焊接圓管，焊接圓管可用于簡單的結構形式[1];1886年，氣電焊工藝的發展使得德國能夠生產無縫圓管，無縫圓管具有外徑小、精度高、可做小批量生產、冷拔成品精度高、表面質量好、鋼管性能更優越、焊接性強，抗壓能力大等特點，鋼管結構作為大中型建筑結構形式變成可能;1890年，蘇格蘭首次采用圓管建造橋梁，標志著鋼管結構正式應用于工程界;1959年，英國開始生產焊接軋制矩形管;1962年，德國開始生產無縫軋制矩形管;20世紀70年代后，國際上大量進行管結構性能和設計的研究。在我國，管結構的研究較少，同濟大學“鋼與輕型結構研究室”進行的鑄鋼節點試驗，有效指導了鑄鋼節點的涉及與施工[2-3]。

2 鋼管結構的特點

鋼管結構具有外表美觀、承載力高、簡化施工、防腐防火成本低、可填充、風及波浪阻力小等特點。

（1）外表揉合，明快美觀。鋼管結構外表光滑、圓潤，較傳統的混凝土結構而言，視覺效果更受建筑師青睞，被廣泛用于體育場、機場、高鐵車站等大跨度公用建筑，滿足結構性能的同時更加美觀。

（2）抗彎、扭性能好，承載力高。鋼管結構為閉口截面，與開口截面型材相比，抗彎、扭性好，承載力高，可滿足大跨度結構承載需求，被廣泛用于大跨度公用建筑及大跨度橋梁結構。

（3）外表面積小，防腐、防火費用低。與L型鋼、工字鋼相比，鋼管結構外表面積小，相應的用于表面防腐、防火涂層的材料較少，費用較低。

（4）光滑表面，風、波浪阻力小。與L型鋼、工字鋼相比，鋼管結構體形系數小，受到的空氣動力效應較小，分及波浪阻力小，能廣泛應用于堤壩、海洋平臺結構、塔桅結構等。

（5）內部可填充混凝土，有效提高承載力和耐火極限。鋼管內部填充混凝土后形成新型組合結構——鋼管混凝土。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，即鋼管對核心混凝土的約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態，提高混凝土的強度，改善其塑性和韌性，同時克服了鋼管容易發生局部屈曲的缺點;其次，改變空鋼管的失穩模態，從而提高其承載能力;此外，由于鋼管內填有混凝土，能夠吸收大量的熱能，在遭受火災時，外部鋼管雖然升溫較快，但內部混凝土升溫滯后，仍具有議定的承載能力，因而增加了鋼管的耐火時間，提升了結構的耐火性[4]。

3 我國發展鋼管結構存在的問題

（1）鋼管生產能力有限，規格品種不齊全，限制了鋼管結構在工程領域的大規模、大范圍應用。

（2）質量欠缺，尺寸誤差較大，主要表現為圓度、壁厚不均，難以滿足工程要求。

（3）大直徑鋼管生產困難，在重大、重要工程建設時所需建筑材料需進口，大大增加了建造費用，限制了鋼管結構的推廣應用。

（4）管結構研究（特別是節點性能）較少，缺乏嚴格的規范及標準，跟不上工程應用的迫切需要。

4 我國鋼管結構的應用

（1）大跨度公共建筑物。鋼管結構具有外表美觀、承載力高、簡化施工、防腐防火成本低，可廣泛用于大跨度公共建筑物。如建筑面積達25.8萬平米的鳥巢，利用方鋼管構成空間骨架，與屋面及里面的次結構形成了形似鳥巢的特殊建筑造型。如長沙賀龍體育場，建筑造型象征湖南省省花“芙蓉花”，屋面為雙曲面，結構采用相貫鋼管桁架，主檁條為H型鋼，次檁條采用C型鋼。如三亞美麗之冠文化會展中心為三亞市標志性建筑，是目前亞洲最大的單體膜結構工程，會館為44層鋼框架結構，頂部為由空間管桁架支撐的膜結構，整個建筑外形呈皇冠狀，建筑面積為11932平方米，總用鋼量為1262噸。

（2）塔桅結構。與L型鋼、工字鋼相比，鋼管結構體形系數小，受到的空氣動力效應較小，分及波浪阻力小，能廣泛應用于堤壩、海洋平臺結構、塔桅結構等。如全球第一高塔廣州新電視塔總高610米（其中結構高度450米，發射天線高度160米），主體結構采用“傾斜立柱+斜撐+傾斜環梁”組成的鋼結構外框筒。

（3）大跨度橋梁。鋼管內部填充混凝土形成鋼管混凝土。鋼管混凝土是一中高強輕質且便于施工的高效結構材料，其單位重量承載力甚至略強于鋼材，鋼管又可以充當安裝架設階段的勁性骨架、灌注混凝土階段的模板和鋼筋，以及具有對核心混凝土的套箍約束等多種工能，較全面地解決了橋梁結構所要求的用料省、安裝重量輕、施工便捷、承載力大等諸多條件，是一種建造大跨度橋梁的比較理想的結構材料。如廣東南海市紫洞大橋和四川萬縣的萬州大橋都采用了鋼管混凝土空間桁架組合梁式結構，減輕了結構所承受的恒載，提高了結構的承載力系數，同時簡化施工程序，減少施工設備，加快施工進度，帶來顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]翰林海.鋼管混凝土結構[M].北京科學出版社，2014：5-8.

[2]江興敏，欒經正.鋼管混凝土結構的發展和展望[J].工業建筑，2007，37（S1）：501-503.

[3]陳銘.鋼管混凝土結構的特征及應用[J].城市建設理論研究：電子版，2013（17）.

[4]孫春蕾，付善春.高層鋼管混凝土柱的抗火研究[J].城市建設理論研究：電子版，2012（32）.

作者簡介：陳佳廉（1991-），男，貴州畢節人，研究生在讀，研究方向：邊坡穩定分析。

*為通訊作者