鋼管混凝土結構在我國的應用和發展

張躍峰

（河北科技師范學院城市建設學院，河北 秦皇島 066004）

1 鋼管混凝土結構的內涵

我們將混凝土注入鋼管中，改變混凝土的受力狀態，從常見受壓狀態變為三向受壓的應力狀態，抑制了縱向裂縫的發展，在材料力學的脆性材料壓縮實驗中，往往是縱向微裂縫處混凝土率先達到強度極限而破壞，因此抑制縱向裂縫的發展，從而大大提升混凝土的承載能力，鋼管作為塑性材料，柔度大，變形能力強，受壓時常常局部失穩破壞，而混凝土變形比功很小，不易變形，鋼管與混凝土在受力中相互扶持，混凝土的塑性和韌性提高，增強了鋼管的穩定性，因此鋼管混凝土的橫截面的減小顯而易見，隨之而來的是自重的減小，再到成本的減少，引發了良好的連鎖反應。

2 鋼管混凝土結構在我國發展階段探究

2.1 推廣應用階段

1897年美國的JohnLally使用圓鋼管混凝土作為房屋建筑的承重柱，1901年，SwellJS發表了第一篇有關鋼管混凝土柱應用的文章。1902年法國的Conidere發現橫向箍筋約束產生的側向壓力可以提高構件的豎向承載力，為鋼管混凝土的應用提供了理論依據。此后蘇聯，美國，日本等國家開展了關于鋼管混凝土大量研究，并開始廣泛使用。雖然起步晚，我國鋼管混凝土結構技術的開發和應用已有近多年，我國是于上世紀50年代開始研究鋼管混凝土的，主要方向為鋼管灌素混凝土。80年代，鋼管混凝土被列入國家科學發展規劃。1966年，鋼管混凝土結構應用于北京地鐵站工程，1990年，中國第一座鋼管混凝土拱橋四川旺蒼東河大橋建成。

2.2 發展提高階段

因為鋼管混凝土具有良好的優點，鋼管混凝土被廣泛地應用于多種結構，例如工業廠房柱、地鐵站臺柱、桁架壓桿、樁等主要受壓構件。近些年，鋼管混凝土又被應用于橋梁結構、高層和超高層建筑中，中國建成的鋼管混凝土拱橋數量超過了400座，2013年建成的合江長江一橋是目前世界跨徑最大的鋼管混凝土拱橋。鋼管混凝土結構在我國高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成效的應用，推動了建造技術的發展。我國采用或部分采用鋼管混凝土的高層建筑主要有：天津今晚報大廈（高168m）和廣州的好世界等。我國用于超高層的最大建筑為深圳賽格廣場，總高達355.8米，總建筑層共79層，地上75層，地下4層。

2.3 實際應用階段

1）拱橋結構，為了滿足人們對交通便利和流量的需要，現在的橋梁逐漸向承重更大、跨度更大、高度更高的方向發展。鋼筋混凝土材料很難達到大跨度橋梁承重的標準。鋼管混凝土結構有更優越的穩定性和承載能力，因而用作建筑的承重結構柱進行受力。拱橋以拱作為主要受力構件，鋼管混凝土是拱肋的主要材料。拱結構主要承受壓力，是壓彎構件，需要使用高強度材料的，并且施工較為困難，因而開始逐漸把鋼管混凝土結構用于拱橋上。使用鋼管做拱圈外壁，鋼管內注入混凝土形成拱圈結構，是拱橋承受軸向壓力為主的構件，這恰好充分利用了鋼管混凝土結構的優點。因此現在橋的跨度比早前更大。

來源：百度百科-深圳賽格廣場

2）超高層建筑工程結構，中國人口基數大，農村越來越多的人到城市生活，住房問題日趨嚴重，成為城市的突出問題。人口也在不斷增加，急需更大容量的建筑滿足人民的需要，高層結構在同樣大的占地面積上提供了更大容量。于是在寸土寸金，高度開發的大城市把建筑向更高的方向建設，更多的城市生活水平提高，高層建筑也就成了當今建筑發展的潮流之一。但高層建筑也需要更高的建筑要求，也要高層結構具有非常高的穩定性，這要求結構柱也要有更大的承載力和剛度，于是具有高承載能力的鋼管混凝土就派上了用場。在我國著名的實例：深圳賽格廣場，實際高達296.1米，總高達355.8米，總建筑層共79層，地上75層，地下4層，大樓榮獲1996年中建總公司優秀工程設計一等獎；1999年“深十大明星樓盤”之一；2000年國家科技進步二等獎。天津高銀117大廈高達597米，寬高比達9.5，使用了承載能力最強，施工難度最高的多腔異形混凝土柱。天津高銀117大廈也成為我國《超高層建筑結構與基礎安全保障技術研究》示范工程。應用于超高層建筑中的鋼管混凝土相比于普通混凝土來說有以下優點：1）承載能力強：2）具有良好的塑性和抗震性能：3）物美價廉：4）施工方便：5）較好的耐火性。

來源：百度百科-高銀金融117大廈

理論研究進展，現階段已經進行異型鋼管混凝土柱的研究以及應用。異形截面鋼管混凝土柱在使用中更適應我們的使用要求，合理的使用截面，既可以達到結構要求的美觀，也增大了結構實際使用面積。但異型鋼管混凝土柱截面形式不均勻，鋼管對混凝土的約束力較弱，從而導致異型鋼管混凝土柱相比于圓形截面混凝土柱承載能力覺較低、抗震性能略差等問題，影響其在高層建筑建筑和抗震設防烈度較高地區的應用。

3 鋼管混凝土結構的特點

3.1 承載能力強

鋼管混凝土構件受壓時，混凝土要向兩側分開，鋼管受力，同時以等于鋼管的反力又壓迫混凝土，混凝土三向受壓，抗壓強度大大提高，又增強鋼管穩定性。兩種材料強強聯手，承載能力大大提高。

3.2 具有良好的塑性和抗震性能

鋼管混凝土的抗震性能優于鋼筋混凝土獨自工作。鋼管混凝土鋼管約束混凝土，混凝土對鋼管反作用，改善了鋼管過早發生局部屈曲的的問題。鋼管的穩定性得到增加，且剛度提升。

3.3 物美價廉

混凝土鋼管達到了一加一大于二的效果，鋼管混凝土柱需要的鋼材和混凝土只需要單獨使用的一半，就可以達到鋼筋混凝土承載能力的約1.5倍，耗材的減少也帶來了自重的減輕，施工量減輕，以及節省維護費用，無論和鋼柱還是鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土需要更少的材料，利于環境保護。

3.4 施工方便

鋼管混凝土構造較簡單，制造較簡便，采用在薄壁鋼管內灌輸混凝土，減少了減少結構自重，運輸業更方便。鋼管混凝土不需要支模拆模，施工中混凝土施工方式一般是泵送混凝土和免振自密實混凝土，也無需配置預制鋼筋。無支架施工節省模板拼接時間，減少了焊接的使用，焊縫長度也減少了，結構穩定性得以提升。

3.5 耐火性

耐火性優于鋼結構，混凝土鋼管可以吸收大量熱量，鋼管升溫快，但混凝土升溫慢，延緩了升溫速度，鋼管又保護混凝土不發生脫落，從而使結構支撐更久才會坍塌，為滅火和結構修復提供了幫助。

3.6 適用范圍有限

鋼管混凝土大部分使用仍然局限于拱，橋墩，柱等。主要由于鋼管混凝土對截面形狀有要求，應用于其他結構時，鋼管混凝土的受力狀態較現在有較大改變。

4 前景展望

鋼管混凝土在擁有眾多優勢的情況下，逐漸應用于更多的超高層，高層，橋梁結構，充分研究鋼管混凝土耐火性和抗震性能，使其應用有足夠的理論數據和規范。

5 結語

鋼管混凝土的特點：承載力能力、良好的塑性和抗震性能、物美價廉、施工方便、耐火性等優點，使鋼管混凝土在高層結構，大跨結構以及民用建筑方面大展拳腳。鋼管混凝土不僅能夠增加穩定性和強度，還能明顯的縮短工期。穩定的超高層結構是我們國家未來發展的重要目標。