钢管混凝土结构在高层建筑中的应用现状

来源: 建筑网  2017-12-08 08:26

摘要:1前言 钢管混凝土结构是由混凝土填充薄壁圆形钢管而形成的组合结构。钢管混凝土结构中的钢管和混凝土两者在受力过程中的相互作用,即钢管对其核心混凝土的约束作用,使混凝土处于三向受压状态,从而使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能得以提高;反过来,由于混凝土的存在,可以延缓或避免钢管过早发生局部屈曲或整体失稳,从而保证了两种材料性能的充分发挥,弥补了两种材料各自的缺点,正是由于钢管和混凝土的完美结合,使钢管混凝土成为性能优良的结构材料。钢管混凝土结构具有承载力、高塑性和韧性好、施工方便、耐火性能好及经济效益显著等显著的优点。

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1前言 

钢管混凝土结构是由混凝土填充薄壁圆形钢管而形成的组合结构。钢管混凝土结构中的钢管和混凝土两者在受力过程中的相互作用,即钢管对其核心混凝土的约束作用,使混凝土处于三向受压状态,从而使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能得以提高;反过来,由于混凝土的存在,可以延缓或避免钢管过早发生局部屈曲或整体失稳,从而保证了两种材料性能的充分发挥,弥补了两种材料各自的缺点,正是由于钢管和混凝土的完美结合,使钢管混凝土成为性能优良的结构材料。钢管混凝土结构具有承载力、高塑性和韧性好、施工方便、耐火性能好及经济效益显著等显著的优点。 

2钢管混凝土在高层建筑中的应用现状 

自1897年美国人John Lally在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱(称为Lally柱)并获得专利算起,钢管混凝土结构在土木工程中的应用已有百年历史。钢管混凝土优越的力学性能和施工性能,一开始就受到美欧各国土木工程界的重视,竟相开发利用。尤其是在80年代后期,由于现代高强、高性能混凝土技术和泵灌混凝土技术的迅速发展,给钢管混凝土结构技术的发展增添了新的活力,在欧美的一些桥梁工程和高层建筑工程中钢管混凝土技术悄然兴起。 

钢管混凝土结构技术在我国研发利用已有近40年的历史。1966年将之用于北京地铁车站工程,上世纪70年代在一批重工业单层工业厂房和重型构架中成功应用。80年代以来,随着高度超过100m的超高层建筑的大量兴建,人们开始应用钢管混凝土柱以解决“胖柱”问题的探索,它既解决了高强混凝土柱的脆性问题,又进一步减少了柱的截面尺寸。近10年来国内已建成的100m以上的超高层建筑已有20多栋。 

深圳赛格广场是由我国自行设计、投资、制造和施工的以高科技电子配套市场为主,集办公、会展、商贸、金融、证券和娱乐为一体的现代化超高层建筑,于1999年建成。该工程占地面积9653m,地下4层,地上72层,总建筑面积166700m,地上建筑高度291.6m。 

为赛格广场结构平面图,采用框筒结构体系,其框架柱及抗侧力体系内筒的28根密排柱均采用了钢管混凝土,框架柱柱1共16根,内筒由四角4根柱2和密排24根柱3组成21m的方形筒,密排柱的柱距3m,两柱间浇筑两片200mm厚的钢筋混凝土墙,内筒内加设纵横成井字形的整浇钢筋混凝土剪力墙,厚140mm。楼盖采用了钢梁(梁1、梁2截面相同,均为700×260×12×10)和压型钢板组成的组合楼盖体系。为加强外框架与核心筒的协同工作,共设置了5道刚伸臂。 

为赛格广场大厦照片,该建筑是目前世界上已建成的最高的钢管混凝土结构超高层建筑,它的建成标志着我国钢管混凝土结构技术处于世界领先地位。 3 高层钢管混凝土结构的发展方向 

3.1向高强、高-性能、高效施工技术的钢管混凝土结构发展。高强度混凝土(一般认为强度等级为C60及以上的混凝土)是目前国内外研究的热门话题,其特点是强度高、节省材料、减少构件截面,减轻自重,钢管对高强度混凝土的约束可克服高强混凝土脆性大、延性差的弱点。研究表明,钢管高强度混凝土的基本力学性能与钢管普通强度混凝土有所不同,在进行钢管高强混凝土设计时不能简单地套用钢管普通强度混凝土的设计方法。现代高强、高性能混凝土技术和泵送混凝土技术结合,将会对未来高层建筑的技术进步产生深远的影响。 

3.2向薄壁钢管混凝土结构发展。以往的研究工作都是针对钢管管壁较厚的情况(含钢率一般在0.04-0.2之间),薄壁钢管混凝土结构是近几年的事。众所都知,薄壁钢管的承载力极不稳定,它对局部缺陷很敏感,因而实际轴压力只有理论值的20%30%,有残余应力存在时影响更大,薄壁钢管混凝土结构的钢管保护了混凝土,延缓了混凝土受压时的纵向开裂,同时,混凝土也大大延缓了薄壁钢管的局部失稳,大大提高构件的承载力。相对于厚壁钢管而言,采用薄壁钢管混凝土节约钢材,降低造价,且可以提高构件的耐火极限。 

3.3向大管径方向发展。随着建筑高度的增加,对抗侧力体系的要求越来越高,以往多采用筒中筒结构,但由于外筒的密柱深粱影响了建筑的功能和美观,另外,由于建筑功能要求大柱网、大开间,鉴于此因,现代高层建筑趋于采用内筒外稀柱的框筒结构体系,且柱网尺寸较大,大直径钢管混凝土柱(直径1.5m以上)在这类建筑中的应用优势明显。在国外有用到3.2m直径,国内目前最大直径为1.6m。目前的研究和规范均为普通直径柱,大直径柱需要解决约束效应程度、混凝土的水化热、核心混凝土质量等问题。 

4结论 

钢管混凝土结构以其承载力高、抗震性能好、混凝土延性好、耐火性能好、施工简便以及造价经济合理等一系列优点而广泛应用于高层和超高层建筑中。相对于其它结构材料而言,钢管混凝土结构的研究还很不充分,尤其是结构体系的研究更少,还存在着一些需要进一步研究和解决的问题。同时钢管混凝土高层建筑前景非常广阔,高强、高性能和高效施工技术的钢管混凝土结构,薄壁钢管混凝土结构、大管径钢管混凝土结构是将来高层钢管混凝土结构的发展方向。