2东北农业大学水利与土木工程学院 黑龙江哈尔滨 150030
摘要：钢管混凝土（Concrete-Filled Steel Tube，CFT）柱作为一种新型结构，具有承载能力高、延性好、构件尺寸小、抗震性能好等优点。将其应用到高层建筑中，在满足承载力要求的同时，有效节省使用空间，因此钢管混凝土柱在高层建筑中得到了广泛应用。本文主要介绍了钢管混凝土柱在超高层建筑中应用的发展与现状，对国内采用CFT柱的超高层建筑进行调查统计，提出了钢管混凝土柱的优化设计思路，希望对今后的设计、施工提供参考。
关键词：钢管混凝土柱；超高层建筑；发展；优化
Applicationand optimization of concrete-filled steel tube column in domestic super high-rise building
Qianfang Zhao Yufeng Zhang
（Zunyi Construction Quality Supervision Station，563000）
( Northeast Agricultural UniversityCivil Engineering and Water Resources Institute ,150030 )
Abstract: As a new type of building structure. Concrete-filled steel tube column has many advantages such as high bearing capacity, good ductility, small size and good seismic performance. It can be used in high-rise buildings to meet the requirements of bearing capacity, and can effectively save the use of space. This paper mainly introduces the development and the status of the application of concrete-filled steel tube columns in super high-rise buildings, Some optimization suggestion were proposed by analyzingdomestic super high-rise buildingswith CFT columns, hoping to provide reference for future design.
Key words: Concrete-filled steel tube column; Super high-rise building; Development; Optimization.
引言
近几十年来，随着结构设计的创新以及新型建筑材料的出现，超高层建筑得到突飞猛进的发展。其间，大批超高层建筑在国内陆续建成或正在施工，其中具有代表性的有上海中心(地上124层，总高度632m)、深圳京基金融中心(地上98层，总高度439m)、广州绿地金融中心（地上46层，总高度199.85m）。随着社会经济的发展，超高层建筑还在向着更高的方向迈进，而建筑高度的增加，意味着结构自重和构件尺寸的增加，不仅影响视觉，且占用大量的使用空间，解决这一问题，钢管混凝土结构是一个很好的选择。
1钢管混凝土结构的特点
钢管混凝土是一种组合结构，即在钢管内注入混凝土的结构。从狭义上讲，钢管混凝土仅指圆形钢管，因为方形钢管对核心混凝土套箍作用不明显；从广义上来讲，凡是在钢管内填入混凝土而形成的组合结构都属于钢管混凝土结构[1]。钢管混凝土结构形式具有以下特点：
1.1 承载力高
钢管混凝土结构在轴向压力作用下，核心混凝土借助钢管的约束作用，受力状态由单向受压转为三向受压，其强度得到大幅度提高，极限变形亦同时增大。而钢管借助内填的混凝土可以防止局部失稳，大大增加钢管壁的稳定性，从而可以充分发挥其强度潜力。这两种材料的缺点相互弥补，充分发挥优点，使钢管混凝土具有很高的承载力，大大高于组成钢管混凝土的钢管和混凝土单独承载力之和。
1.2 抗震性能好
混凝土的脆性相对较大，高强混凝土更是如此。将混凝土灌入钢管中形成钢管混凝土，核心混凝土在钢管的约束下，不但在使用阶段改善了它的弹性性质，而且在大破坏时具有较大的塑性变形。因而钢管混凝土具有良好的抗震性能，当它用于高层建筑时，可以不限制轴压比而控制长细比。钢管混凝土结构的阻尼比介于钢结构和钢筋混凝土结构之间，具有比钢结构更优越的动力性能。
1.3 构造简单，施工方便
与钢筋混凝土柱相比，采用钢管混凝土柱在施工过程中无需模板，省去支模、拆模一系列工序，而且管内无需放置纵筋和箍筋，为混凝土的浇灌和振捣带来很大方便。特别是目前采用泵送混凝土、高位抛落不振混凝土和免振自密实混凝土等施工工艺，更可加速钢管混凝土构件的施工进度。与钢结构相比，钢管混凝土的构造通常比钢结构构件简单，焊缝少，易于操作。由于空钢管构件的自重小，可以大大减少运输和吊装等费用。此外，钢管混凝土不论是单管柱还是格构式柱，和普通钢柱相比，柱脚零件少，焊缝短，可以直接插入混凝土基础的预留杯口中，免去了复杂的柱脚构造。而且采用钢管混凝土也为逆作法施工提供条件。钢管混凝土在施工制造方面发展的一个重要方向是其钢管、钢梁以及钢筋混凝土梁连接节点制造的标准化。
1.4 耐火性能较好
由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间具有相互贡献、协同互补、共同工作的特点，与钢结构相比，具有良好的耐火性能。此外火灾后，随着外界温度的降低，钢管混凝土已屈服截面处钢管的强度可以得到不同程度的恢复，截面的力学性能比高温下有所改善，结构的整体性较火灾中也有所提高，这不仅为结构的加固补强提供了一个较安全的工作环境，也减少了补强工作量，降低维修费用。这和火灾后的钢筋混凝土结构与钢结构有所不同，对于钢筋混凝土结构，其破坏截面的力学性能和整体性，均不能因为温度的降低而恢复或改善；对钢结构，已经失稳和扭曲的构件在常温下安全性将受到较大的影响。由于钢管混凝土具有较好的耐火性能及火灾后可修复性能，因而更容易实现发生小火时结构不坏，在正常设计火灾后可尽快修复，而发生大火时结构不倒塌的目标。
1.5 经济效果好
大量工程实际的经验表明：采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋混凝土承压构件约可节约混凝土50％，减轻结构自重50％左右，钢材用量略高或约相等；与钢结构相比，可节约钢材50％左右。此外，由于在钢管内填充了混凝土，钢管混凝土柱的防锈费用会较空钢管柱有所降低。Webb和Peyton（1990）通过分析给出了（多）高层建筑中不同类型柱相对于钢筋混凝土柱综合造价的比较情况：在钢管中填充素混凝土时，当层数较少时，钢管混凝土的造价与钢筋混凝土相比略高。随着建筑层数的增加，钢管混凝土的造价与钢筋混凝土基本持平。
1.6 耐腐蚀性能优于钢结构
钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。钢管混凝土构件的截面形式对钢管混凝土结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用，使钢管内部的混凝土处于三向受压状态，使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝土结构的施工难度大，施工成本较高。相比之下，方钢管混凝土结构的施工较为方便，但钢管混凝土受到的约束作用较小，结构的承载力较低。
1.7 钢管构件的制作、安装具有一定难度和繁琐性
钢管混凝土柱用的钢管，焊接、制作要求较高，一般应优先采用螺旋焊管，无螺旋焊接管时，也可以用滚床自行卷制钢管，但卷管的方向应与钢板压延方向垂直且对管的内径有一定的要求。焊接时除一般钢结构的制作要求外要严格保证管的平、直，不得有翘曲、表面锈蚀和冲击痕迹。特别是它对钢管内壁的除锈要求，可能会增加钢管的制作周期。显然在制作难度上也较普通钢结构高。
1.8 运输、吊装难度更大，比型钢混凝土柱用钢量大
由于钢管混凝土柱，特别是巨型钢管混凝土柱和节点区钢管混凝土结构的钢管尺寸、重量都较大，往往在运输、吊装过程中遇到问题。因此在设计过程中也必须考虑运输和吊装的问题。此外，相比于型钢混凝土柱，运输、吊装难度更大，钢管混凝土柱的用钢量大。
2.高层钢管混凝土建筑发展历程
钢管混凝土是在劲性混凝土和螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的[2]。20世纪20年代钢管混凝土开始受到国外学者的重视并得到广泛应用，但由于钢管混凝土独特的截面形式以及当时的技术水平不能解决钢管混凝土的制作、施工等方面的问题，致使它的应用范围受到局限。最初钢管混凝土都是用于拱桥中的拱肋。前苏联、西欧和北美等一些国家对钢管混凝土作了大量的试验与理论研究工作后，它才在一些厂房建筑、多层与高层建筑中得到应用，但当时管内混凝土的浇灌技术未能解决，现场的施工操作复杂，从而使钢管混凝土施工性能方面的优势不能充分发挥，应用受到限制。直到80年代后期，泵送混凝土及高位抛落无振捣混凝土等新兴技术的出现，使现场管内浇灌混凝土工艺问题得到了解决，从而掀起了钢管混凝土的应用热潮。
应用推广阶段的特点是：从厂房柱开始迅速推广应用到各种工业建筑中，包括北京1号线地铁工程；同时结合工程需要，开始一些基础性和施工中遇到的技术性问题的研究。提高发展阶段的特点是：推广应用到高层建筑和公路拱桥领域，发展十分迅速；同时在理论研究方面取得了突破性进展，逐步形成了完整的理论体系和独立的新学科。
20世纪80年代中期，钢管混凝土开始进入高层建筑领域。钢管混凝土在我国高层建筑中的应用发展很快,经历了由局部采用、大部分采用到全部采用钢管混凝土柱的过程。开始时，单纯从钢管混凝土柱的承载力高、柱子截面小、可以增加建筑有效使用空间出发，局部柱子采用了钢管混凝土柱以代替钢筋混凝土柱。采用钢管混凝土柱还可以大大缩短工期，钢管混凝土柱具有优异的抗震性能和远比钢框架结构加工方便等突出优点，发展到一座建筑的全部柱子采用钢管混凝土柱，这就出现了高层和超高层钢管混凝土建筑。这一发展过程，从局部柱子采用到全部柱子采用，仅仅经历了三～五年的时间。这充分说明在高层建筑中采用钢管混凝土结构已为广大工程技术界所接受，越来越显示出它在高层和超高层建筑中具有广阔的发展前途。
3钢管混凝土结构在国内超高层建筑中的应用实例
3.1 京基金融中心
3.1.1 工程概况
京基金融中心是集甲级写字楼、白金五星级豪华酒店，大型商业，高级公寓、住宅为一体的综合建筑群（图3.1）。京基金融中心大厦A座共98层，高439m，是目前世界上最高的建筑之一。
大楼采用了三重结构体系抵抗水平荷载，它们由钢筋混凝土核心筒，巨型钢斜支撑框架及构成核心筒和巨型钢管混凝土柱之间相互作用的伸臂桁架及腰桁架组成，使建筑与结构完美结合。
3.1.2 钢管混凝土柱的应用
京基金融中心高439m，主体结构采用外围钢框架与混凝土核心筒混合结构体系。外围钢框架由巨型钢管混凝土柱、环带桁架、巨型斜撑及顶部钢结构顶拱共同组成，巨型钢管混凝土柱自地下4层开始设置，18层以上每隔一定楼层设置一道环带桁架，环带桁架之间通过巨型斜撑连接，设有5道腰桁架作为水平加强层，沿短向设有3道伸臂桁架，并在短向两侧设置巨型支撑，形成多重抗侧力体系。
本工程所采用的钢管混凝土柱具有如下特点：构件截面尺寸巨大，达到2.7×3.9m，构件含钢率大，钢管壁上设置较多的竖向及横向加劲肋，混凝土中配置纵向钢筋笼，钢板与混凝土间设置了拴钉[3]。京基金融中心采用钢管混凝土柱为矩形钢管混凝土柱，图3.2给出了典型的两种截面。表3.1给出了京基金融中心中几类典型的钢管混凝土柱的相关参数。
表3.1 京基金融中心钢管混凝土柱相关参数
3.2工程概况
广州绿地金融中心（图3.3）主塔楼包括办公、会所、餐饮、避难层等。抗震设防烈度为7度，主塔楼采用框架-核心筒混合结构，外框架采用钢管混凝土框架。
塔楼平面为规则矩形，竖向构件投影范围平面尺寸为54.6m×35.5m，高宽比5.6；外围框架柱柱距9m；钢筋混凝土核心筒平面尺寸31.8m×12.6m，核心筒高宽比Y向15.7，X向6.2。
本工程主塔楼采用框架-核心筒混合结构，外框架采用钢管混凝土框架(钢梁+钢管混凝土结构柱)，核心筒采用钢筋混凝土核心筒作为结构的主要抗侧力构件，核心筒外围墙体厚度底部最大为800mm；在核心筒剪力墙角部内置型钢暗柱，提高整体结构的延性和承载能力。圆形钢管混凝土柱（图3.4）底部直径为1200和1300，最大壁厚t=28mm。表3.2统计了广州绿地金融中心采用的圆形钢管混凝土柱的截面尺寸及相关参数[4]。
4 优化建议
4.1 根据受力形式适当采用局部分隔板
京基金融中心部分钢管混凝土柱中水平分隔板采用图4.1所示的形式。与以往的分隔板不同，京基金融中心只在单边或局部位置布置分隔板，既能达到防止失稳的目的，又节约了钢材，具有更好的经济效益。在钢管混凝土柱的设计中，可根据实际情况适当采用局部布置分隔板的形式，以达到更好的经济性。
使两者尽量接近构造要求限值，以达到降低用钢量的目的[5]。
结束语
现阶段随着国内经济科技水平的提升，钢管混凝土柱这种组合结构体系具有的载力高、塑形和韧性好等优点在高层建筑中的应用将迅速推广，快速的发展期间也存在着一些技术理论的问题，想要更好的应用好钢管混凝土柱这种组合结构体系，还需要更多理论知识技能提升，同时也应结合建设项目的实际，在确保结构安全的同时取得良好的经济益和社会效益。
参考文献（References）
[1]孙修礼.高层钢管混凝土结构体系设计方法及试验研究[D].东南大学,2006.
[2]沈祖炎,黄奎生.矩形钢管混凝土偏心受力构件的设计方法[J].建筑结构,2005(1):5-6.
[3]李宁,甄庆华,赵统.广州绿地金融中心超高层塔楼结构设计[J].建筑结构,2013(S1):14-20.
[4]徐培福,黄小坤,容柏生,等.《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2010[J].建设科技,2014,37(Z1):29-30.
论文作者:赵前方1,张玉枫2
论文发表刊物:《基层建设》2017年3期
论文发表时间:2017/5/5
标签：钢管论文; 混凝土论文; 构件论文; 高层建筑论文; 结构论文; 混凝土结构论文; 钢结构论文; 《基层建设》2017年3期论文;