鋼管混凝土格構柱發展研究

彭 偉

（上海寶冶集團有限公司，上海 200941）

0 引言

作為一種新型組合結構，鋼管混凝土結構是在圓鋼管中填充素混凝土而形成的結構，這種結構出現在十九世紀七八十年代，最初是用作橋墩，后逐漸擴展應用于各種建筑中的柱。我國從20世紀60年代開始引入這一結構形式，并在20世紀70年代得到推廣使用。

1 鋼管混凝土格構柱的優勢

鐘善桐教授在國內較早開展鋼管混凝土結構研究工作，從1985年至今已發表了十余篇有關鋼管混凝土結構的研究成果，并總結了鋼管混凝土格構柱的優點[1-3]。

1）承載力較高 鋼管混凝土結構比單純的鋼結構或混凝土結構的承載力之和要提高1.7～2.0倍。

2）塑性和抗震性能良好 當鋼管混凝土壓縮到原長的2/3時仍具有一定承載力，且在壓彎剪復合應力的作用下，力與位移的曲線仍然飽滿，表明結構依然具有很強的彈性。

3）經濟性較好 鋼管混凝土格構柱與鋼柱相比，可節省鋼材45%，降低成本40%；與鋼筋混凝土柱相比，可節約75%的混凝土用量，減少自重近65%，并且不需要模板，節省模板費用。

4）施工便捷 與單純的鋼柱相比，鋼管混凝土格構柱焊縫及零部件相對較少；與鋼筋混凝土柱相比，省去支模等步驟，可大大縮短工期。

目前鋼管混凝土格構柱已廣泛應用于建筑和橋梁等領域，不僅能適應現代工程結構向大跨、高聳、重載發展和適應惡劣條件的需要，而且符合現代施工技術的工業化要求，因而被廣泛地應用于單層和多層工業廠房柱、設備構架柱、各種支架、棧橋柱、地鐵站臺柱、送變電桿塔、樁、空間結構、高層和超高層建筑及橋梁結構中，并取得良好的經濟效益和建筑效果。

2 鋼管混凝土格構柱理論與發展研究

2.1 結構構成

鋼管混凝土格構柱作為一種新型組合結構，是在薄壁圓鋼管中澆筑普通素混凝土（混凝土內不配置鋼筋或受力鋼筋），并通過綴材以不同的布置方式組合而成的格構式構件。由此可見，鋼管混凝土格構柱主要由柱肢和綴材組成，柱肢主要承受由上部荷載傳來的軸向壓力，根據肢數的多少分為雙肢、三肢、四肢格構柱，其中雙肢、四肢格構柱是一種對稱式格構柱，而三肢格構柱則是不對稱結構，2個軸均為虛軸；鋼管混凝土格構柱中的綴材作為一種輔助構件，除具有將柱肢連成整體的作用外，主要承受剪力和側向壓力或拉力，綴材可分為綴條和綴板，通常采用空鋼管（綴管）形式，布置形式主要有5種類型，如圖1所示。

圖1 綴管布置方式

2.2 工作原理

1）鋼管混凝土格構柱結構可有效避免圓形鋼管受壓時產生過早的剪切屈曲現象，可充分發揮圓鋼管的力學性能，從而提高薄壁圓鋼管穩定性。

2）素混凝土外層套上圓鋼管后，增強了混凝土整體性，鋼管給混凝土以一定的約束力，鋼管混凝土柱中的核心混凝土在鋼管作用下處于三向受壓狀態，從而提高了混凝土的抗壓強度和抗變形能力，可有效防止混凝土因受壓力過大或受壓偏心距過大被壓碎。

3）鋼管混凝土格構柱在施工過程中，通常是以圓鋼管為模板進行混凝土澆筑，一方面可節省模板用量；另一方面節約時間和工序，有效提高施工速度。

2.3 發展回顧

20世紀80年代后期，隨著泵送混凝土工藝的發展，混凝土澆筑技術進一步提高，加上高強度混凝土的應用，鋼管套箍混凝土工藝得到很好的發展，這些因素給鋼管混凝土結構的發展帶來新的契機，在發達國家，傳統鋼結構工業廠房鋼柱逐漸由鋼管混凝土柱代替，甚至高層建筑也逐漸開始采用這種鋼管混凝土柱，并且應用范圍也愈加廣泛。因此，鋼管混凝土結構的發展被認為是高層建筑建造技術的一次重大突破。

另外，鋼管混凝土結構在我國也得到應用。1966年，北京地鐵車站工程采用鋼管混凝土柱取得非常好的效果。20世紀70年代，鋼管混凝土結構突破了應用于土木工程上的局限，并成功地應用于冶金、造船、電力等行業的重型構架中。20世紀80年代，為緊跟科學技術發展步伐，響應國家大力發展土木工程的號召，更加系統地研究鋼管混凝土結構。根據原建設部科技發展計劃，一系列鋼管混凝土結構的試驗研究項目逐漸增多，國家鼓勵該項目并給予一定的資金和設備支持，使我國在鋼管混凝土結構理論計算方法和設計方法上取得很大進展，并逐漸形成一套符合我國國情和滿足我國建筑需要的規范性計算方法和設計方法。在1989—2012年，原建設部先后頒布各部門相關設計與計算標準。例如，原國家建筑材料工業局標準JCJ 01—89《鋼管混凝土結構設計與施工規程》、電力行業標準DL/T 5085—1999《鋼-混凝土組合結構設計規范》、中國工程建設標準化協會標準CECS 28∶90《鋼管混凝土結構設計與施工規程》、中國工程建設協會標準CECS 254∶2009《空心鋼管混凝土結構技術規程》等。

1995年，我國將鋼管混凝土結構技術列入國家科技成果，鋼管混凝土結構技術成為國家重點項目推廣技術，并逐步在高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中獲得行之有效的利用，同時對該技術的要求也有所提高，體現在2012年中國工程建設標準化協會標準CECS 28∶2012《鋼管混凝土結構設計與施工規程》，CECS 254∶2012《實心與空心鋼管混凝土結構技術規程》規定中。經過這些年的發展和修訂，這些規范和規程越來越能準確地考慮單個因素及眾多因素的組合作用對鋼管混凝土結構極限承載力的影響，例如鋼管對核心混凝土的套箍作用、長細比與換算長細比的計算、穩定系數的確定方法及偏心率的變化對極限受壓承載力的影響等[4]。

3 結語

鋼管與混凝土組合在一起不僅同時集合了兩者的優點，彌補不足，而且與普通鋼筋混凝土結構相比，對柔性支承格構柱的布置，鋼管混凝土結構有如下特點。

1）承載能力更強，塑性更好，耐火性、耐久性好，結構更穩定，從而抗震性能好，更加實用。

2）使用材料較少，一定程度上節省了模板、水泥、鋼材等材料，自重較輕。

3）格構柱的空間布置更靈活，并節省一定的空間。

4）施工過程中，由于節省了施工材料，而且施工過程中可以鋼管為模板澆筑混凝土，具有良好的經濟效益[5]。