淺談鋼管混凝土在建筑工程中的應用與發展

譚夏墉

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

鋼管混凝土（concrete-filled steel tubular，縮寫為CFST）具有承載能力高、抗震性能突出的力學特點，被廣泛應用于建筑結構中[1]。隨著社會發展和技術進步，超高層、超大跨逐漸成為建筑結構的發展趨勢，CFST因其力學性能優越、經濟效益好、施工便捷等因素[2]，進一步受到國內外學者的關注，并得到更深入的應用和研究。

1 CFST材料的力學性能及特點

CFST是指在鋼管中填充混凝土所形成的組合材料，如圖1所示。其中鋼管與混凝土共同承擔荷載并協同工作，充分發揮鋼管和混凝土各自的優勢，并相互彌補對方的缺陷。CFST構件的承載力相較于鋼管和混凝土各自獨立承載時有所提高，在結構設計中可優化截面尺寸，提高空間的利用率。

圖1 鋼管混凝土構件

CFST構件在承受壓力時，鋼管對核心混凝土產生約束，限制混凝土的橫向變形而形成套箍作用，使核心混凝土處于三向受壓的應力狀態，提高核心混凝土的峰值應力和延性，改善混凝土的力學性能；當核心混凝土局部開始被壓碎時，由于套箍作用的存在，鋼管會出現局部鼓曲，但構件整體的承載力仍未達到極限，并且在構件達到極限承載力后，承載力下降得較為平緩，CFST構件相較于鋼筋混凝土構件延性更好；同時，鋼管在核心混凝土的支撐下，穩定性得到提升，受壓時能充分發揮材料強度。反復水平荷載作用下，CFST柱具有飽滿的滯回曲線和良好的變形能力[3]，抗震性能遠優于鋼筋混凝土柱。在施工過程中，鋼管作為混凝土的澆筑模板使用，可大大縮短施工工期，提高建筑綜合經濟效益。

2 CFST在建筑工程中的應用

2.1 CFST在民用建筑中的應用

CFST柱常被應用于超高層建筑中，與鋼筋混凝土核心筒組成框架核心筒結構，能充分發揮優異的力學性能。在超高層建筑中，豎向構件承擔的荷載極大，CFST的抗壓性能被充分利用，鋼筋混凝土內筒和CFST外框架協同作用，提高結構的抗震性能。超高層建筑的核心筒可在底部加強區布置圓鋼管形成CFST剪力墻，提高筒體的延性和承載力[4]。

地鐵站、地下商業街等地下空間，會承受較大的豎向荷載，采用CFST柱可減小截面，增強結構的抗震能力。CFST施工較為便利，在地下空間逆作法施工中常被采用，縮短施工工期，提高工程綜合經濟效益。

2.2 CFST在工業建筑中的應用

傳統工業廠房通常采用鋼筋混凝土柱作為豎向構件，一般具有跨度大的特點，并且需要與吊車梁、柱間支撐等構件相連，這使豎向構件的截面尺寸較大，影響空間使用率。CFST柱，具有承載能力高以及延性好的特點，可在大跨度廠房中使用，與同等承載力的鋼柱相比，可大幅降低鋼材用量，節約成本。

對于高聳工業建筑，如水塔和風電機組塔筒，以鋼管作為模板，在其中澆筑混凝土可大大降低工程的施工難度，加快工程推進速度。

2.3 CFST在橋梁建筑中的應用

拱橋是一種以拱肋作為主要承重構件的橋梁建筑，在自重和車輛行人等豎向荷載作用下，拱肋以承受軸向力為主，因此拱肋的承載能力在一定程度上決定了拱橋的跨度。CFST拱橋以CFST作為拱肋的材料，多采用圓形、矩形和啞鈴型截面，充分發揮CFST優越的抗壓性能。在短短三十年間，CFST拱橋的跨度迅速提升，目前已突破500m。

在橋梁工程中，上部結構荷載通過橋墩傳向基礎，橋墩需要承受巨大的壓力，并且相較于上部結構，橋墩極易受到地震作用而被破壞。因此，橋墩不僅需要具有極高的抗壓承載力，還需要有較好的延性和抗震能力。CFST橋墩不僅具備承載力高、延性及抗震性能好的特點，并且施工方便、工程造價低，值得大力推廣。

3 CFST在工程實踐中面臨的問題

3.1 核心混凝土脫粘脫空

CFST構件是通過鋼管約束核心混凝土的橫向變形產生套箍作用，使鋼管和混凝土能協同工作，以此改善構件的力學性能。但在實際工程中發現，部分CFST構件存在鋼管和混凝土之間產生空隙或孔洞的情況，這種情況稱為脫粘脫空。當CFST構件出現脫粘脫空后，鋼管和核心混凝土無法完全接觸，套箍作用減弱，構件的承載力和延性均受到影響。

導致CFST構件產生脫粘脫空現象的原因復雜，主要分為以下幾個方面：

（1）核心混凝土在硬化和使用過程中會出現收縮和徐變，導致混凝土的體積減小，鋼管和混凝土在相接面處發生分離。

（2）傳統施工工藝存在缺陷以及排氣孔設計不合理等原因，會導致在澆筑混凝土時，部分空氣無法排出，混凝土硬化后在管內形成空腔，鋼管和核心混凝土無法完全接觸。

（3）當構件所處環境溫度變化較大時，鋼管和混凝土會產生較大溫差，這將導致鋼管和混凝土的徑向變形不一致。如受到陽光直射后，構件受熱膨脹，鋼管的溫度遠高于混凝土的溫度，混凝土相較于鋼管的徑向變形更小，導致混凝土脫粘脫空現象。

核心混凝土脫粘脫空現象普遍存在于已建成的建筑結構中，如何防止CFST構件出現脫粘脫空現象，以及如何對已出現脫粘脫空現象的結構進行合理的評估和修復，是近年來國內外學者關注的重點問題之一。

3.2 尺寸效應顯著

鋼管對核心混凝土的套箍作用與鋼管和混凝土的材料強度、面積以及截面形式等因素有關，具有顯著的尺寸效應。目前，我國學者主要以套箍系數ξ體現鋼管對混凝土的套箍作用，套箍系數ξ的定義如下：

式中：As和Ac分別是構件橫截面上鋼管和混凝土的面積；fy是鋼材的屈服強度；fck是混凝土軸心抗壓強度標準值。

我國學者在大量試驗分析的基礎上，研究確定套箍系數ξ和構件承載力之間的關系，并由此建立我國現行的鋼管混凝土計算理論體系。然而，以往試驗大多采用縮尺模型或小尺寸模型，本文收集到部分學者進行的圓形CFST構件試驗數據，構件截面尺寸如表1所示。

表1 圓形CFST試件截面尺寸

從表1中可見，本文收集到的一千多個試驗構件截面直徑最大為600mm，而我國在實際建筑工程中所使用的圓形CFST構件截面直徑最大已超過2m。由于CFST構件的尺寸效應顯著，且目前缺乏對大尺寸構件的研究，現有的理論體系是否仍適用于大尺寸CFST構件是一個值得進一步探討的問題。

4 CFST的發展與研究方向

隨著CFST材料在建筑工程中的興起，越來越多學者對其開展研究。近年來，除了圓形和方形等CFST構件常見截面形式外，為了滿足建筑要求以及更好地發揮CFST的力學性能，十字形、L形和T形等異形截面形式也開始出現在建筑工程中；通過在外鋼管內加入肋板、箍筋和型鋼，進一步提高CFST構件的強度和延性；同時，不同截面形式的CFST構件之間相互連接的節點，以及與鋼構件、鋼筋混凝土構件連接節點的力學性能也被國內外學者廣泛關注[5]；為了完善CFST構件的計算理論，大尺寸CFST構件的力學性能開始被各國學者所關注并研究；自密實混凝土、真空輔助灌注工藝和二次灌漿等新材料和新施工技術的應用，為解決CFST在施工過程中出現的脫空問題提供解決方法，保證澆筑質量。

5 結語

CFST具有突出的力學性能和經濟性，已在各類建筑工程中被廣泛采用。隨著CFST在建筑工程中的應用不斷增多，伴隨而來的是設計、施工和使用過程中出現的諸多問題。為了解決這些問題，國內外學者開展大量研究，并完善計算理論體系和施工方法，使CFST在建筑工程中得到進一步應用和發展。