基于钢管混凝土在住宅建筑中的应用分析

摘要：随着城市的发展，人口越来越多，土地资源相对不足，城市住宅需求量迅速增长，所以宜发展多层和小高层钢结构住宅，但人口密度大的城市，住宅建筑仍以高层为主，而由于钢骨柱的施工较钢管混凝土柱施工复杂，因此，在住宅钢结构中推广钢管混凝土势在必行。本文简要介绍了钢管混凝土的发展史和研究现状及其在实际工程中的应用，阐述了钢管混凝土在钢结构住宅建筑中的应用，并对今后需要进一步研究的问题进行了展望。

关键词：钢管混凝土；住宅建筑；多高层建筑；工程应用；

中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：

0.引言

钢管混凝土构件是指在钢管中填充混凝土而形成的组合构件。它是在型钢混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上发展起来的。钢管混凝土利用钢管和混凝土在受力状态下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善；同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而保证材料性能的充分发挥。钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为：承载力高、延性好、抗震性能优越；施工方便，工期大大缩短；有利于钢管的抗火和防火；耐腐蚀性能优于钢结构。钢管混凝土可以降低工程造价，且施工方便，工期短，是解决层高较高及跨度结构的有效途径。

1.钢管混凝土特点

1.1 钢管混凝土静力性能

对于薄壁钢管来说，其抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力；对于混凝土来说，其抗压强度高，但抗弯能力很弱。在管中灌入混凝土形成轴心受压钢管混凝土构件后，钢管保护了混凝土，使它三向受压，延缓了受压时的纵向开裂；而混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈服。两种材料相互弥补彼此的弱点，也充分发挥了彼此的长处，从而使钢管混凝土柱具有很高的承载力。

1.2 钢管混凝土抗震性能

国内外学者对钢管混凝土的抗震性能进行了大量的实验研究。在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明，钢管混凝土结构的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，和不丧失局部稳定性的钢柱相同。但在一些建筑中，钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性，还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的自重大幅度减小，地震作用引起的地震反应也将减小。

1.3 钢管混凝土耐火性能

国内外学者主要研究了钢管配筋混凝土结构的耐火极限且柱结构不采取防火保护措施的情况。结果表明，钢管混凝土具有比钢结构更好的耐火性能，并形成一套实用的抗火设计方法。由于钢管内填灌混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明：达到一级耐火要求和钢柱相比可节约防火涂料1／2-2／3甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也增多。

2.钢管混凝土的研究现状

最早采用钢管混凝土结构的工程之一是1879年英国的Severn铁路桥的桥墩，当时在钢管内填充混凝土在承受压力的同时也用来防止钢管锈蚀。早期的研究不考虑钢管及其核心混凝土之间的相互作用对构件承载力的提高，只是对两者进行简单地迭加。随着研究的深入，人们发现在受力过程中，由于钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善；同时由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，二者相互作用协同互补，提高了钢管混凝土的整体性，使其具有一系列优越的力学性能和先进的经济指标。

对钢管混凝土力学性能的研究存在各种不同的研究方法，如实验研究、实验系数回归、极限状态分析法、以及纤维模型法和有限元法等的数值解法，它们的区别在于如何估算钢管与核心混凝土之间的相互约束作用，这种约束作用的存在导致了其力学性能的复杂性。由于研究者们从不同角度对上述问题进行研究，对钢管和混凝土之间的紧箍效应理解不同，因此所获计算方法和计算结果就会有所出入。各国研究者分别对钢管混凝土构件在静力、动力、火灾作用下以及钢管混凝土与钢梁或钢筋混凝土梁组成的框架结构的力学性能进行了系统研究。

世界各国在有关研究成果的基础上分别制订了钢管混凝土结构设计与施工规程，如欧洲的EC4（1996）、DIN18800（1997），美国的ACI-319-89、SSLC（1979）、LRFD（1994），日本的AIJ（1980，1997）。我国是在上世纪60年代开始研究钢管混凝土的，主要集中在钢管中灌素混凝土，虽然起步较晚，特别是近十几年取得了令人瞩目的成就，已颁布了几个设计规程，如JCJ01-89、CECS28:90、DL/T5085-1999和GJB1029-2001。这些规程的制定，拉开了钢管混凝土在我国建筑业中广泛应用的序幕。

3.钢管混凝土在住宅中的应用

20世纪60-80年代钢管混凝土开始应用于工业与民用建筑。随着理论研究的深入、设计规程的颁布和其自身具有的优点，钢管混凝土被越来越广泛地应用于单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种构架、支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桁架压杆、桩、空间结构，近10年又被应用于桥梁结构、高层和超高层建筑中，特别是近2-3年，它被越来越多地应用于住宅建筑中，并取得了良好的经济效益和建筑效果。

一方面是因为钢结构自身具有科技含量较高，利于环境保护，且可再生利用等优点，另一方面是由于我国钢产量大幅度增加，世界钢产量日趋饱和，钢材价格随之下降，所以近年来我国开始大力推广钢结构，鼓励采用钢结构。建设部等部门也为此制定了加速推广建筑钢结构发展和应用的目标，确定“十五”期间以推广住宅钢结构为重点，力争在“十五”期间使我国建筑钢结构用钢量达到全国钢材总产量的3%，到2015年达到6%。住宅建筑历来居建筑业首位，所以在住宅建筑中推广钢结构势在必行。

住宅钢结构，有低层、多层和高层之分。3层以下为低层，9层以下为多层，9层以上为高层，10～12层又称小高层。住宅钢结构，考虑抗震要求，一般不宜超过12层，同时又由于我国人口众多，土地资源相对不足，城市住宅需求量迅速增长，所以宜发展多层和小高层钢结构住宅，但在人口密度大的城市，仍然是以高层为主。住宅钢结构，具有柱子用量少，室内有效使用空间大，房屋空间布置灵活，结构性能好等优点。它所选择的结构体系一般是：5～6层以下，框架体系或框架-支撑体系；6层以上，框架-支撑体系或框架-混凝土剪力墙（核心筒）体系；多层，大多采用双重体系。钢结构住宅采用的框架柱有H型钢柱，钢管砼柱和钢骨砼柱，后两种为组合柱。在小高层建筑中，组合柱比H型钢柱省钢，进而也就可以降低工程造价，但是，钢骨砼柱的施工较钢管混凝土柱施工复杂，因此，在住宅钢结构中推广钢管混凝土势在必行。

我国在上海、天津、辽宁、新疆等地分别兴建了一些以钢管混凝土作为框架柱的钢结构住宅试点工程，促进钢结构住宅在我国的发展历程。众所周知，上海人口密度大，土地资源宝贵，因此，上海的试点钢结构住宅多选用高层。而天津、辽宁、新疆等地人口密度相对较小，所以多选用了小高层和多层。这些地区在高层住宅中采用钢管混凝土作为框架柱的钢结构部分。钢管混凝土在住宅建筑中的应用迈出了其在实际工程应用的重要一步，这一步的迈进意义重大，因为它实现了由高层到小高层、多层钢管混凝土结构的发展，为其大量的应用开辟了新局面。

4.结束语

钢管混凝土在我国的发展只有几十年的历史，但发展速度非常快，如今，已广泛地应用到各个工程领域。尤其是它在住宅中的应用，使其由高层建筑中的应用过渡到小高层、多层建筑中的应用，为其发展创造了广阔空间。预计在21世纪前20年，我国每年需新建住房4.86-5.49亿平方米，后30年每年需新建住房5.76亿平方米。今后50年住宅建设将成为国民经济建设新的增长点和消费热点。因此，钢结构住宅的发展有着广阔的空间，钢管混凝土在住宅中的应用有着广阔的前景。所以，有必要对钢管混凝土做进一步的研究。今后应该做好以下几个方面的工作：

(1)在防火设计方面，要简化钢管混凝土防火极限的设计方法，制定钢结构(钢管混凝土结构)住宅建筑的防火设计规范。只有这样，才能有助于推广钢管混凝土在住宅建筑中的应用。

(2)加强钢结构（钢管混凝土）住宅建筑在火灾后的残余力学性能评估与灾后的维修、加固措施的研究。

参考文献

[1]冯乃谦.高性能混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2]蔡绍怀.现代刚刚混凝土结构[M].北京:人民交通出版社,2011.

[3]刘元,闫培渝.高性能混凝土现状与发展方向[A].全国工程结构裂缝控制讨论会,中国土木工程学会,2012.