钢筋混凝土柱、型钢柱及钢管混凝土柱之比较研究

赵 凯 冯潇茭

（1.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168；2.沈阳北方建设股份有限公司，辽宁 沈阳 110044）

1 引言

钢筋混凝土结构已经发展了上百年，而钢筋混凝土柱构件仍然在大量的工业与民用建筑中被广泛使用。 随着我国经济建设的快速发展，建筑物的高度和跨度不断增加，传统的钢筋混凝土结构已经不能适应现代建筑结构体系发展的需要。 比如2011年深圳大运会会馆建设已不再是以钢筋混凝土结构为主， 其建筑结构形式整体上是大跨度大空间的钢结构网架或是钢与混凝土组合结构。 再如天津滨海新区，其民用建筑均为高层结构，采用的主要承重构件已不再是简单的钢筋混凝土柱， 而大多是采用型钢柱或者钢管混凝土柱。 型钢柱和钢管混凝土柱具有承载力高、刚度大、抗震性能好等优点。

2 基本工作原理及受力特点

2.1 钢筋混凝土柱

钢筋混凝土柱是由钢筋和混凝土两种不同的材料组成的，是房屋、桥梁、水工等各种工程结构中最基本的承重构件，如图1所示。 钢筋混凝土柱的配筋由纵向钢筋和箍筋组成， 如图2 所示。纵向受力钢筋的数量是根据强度计算决定。箍筋的作用是连接纵向钢筋形成钢筋骨架，作为纵筋的支点，减少纵向钢筋的纵向弯曲变形，承受柱的剪力，使柱截面核心内的混凝土受到横向约束而提高承载能力，因此箍筋的间距不宜过大。 在应力复杂和应力集中的部位及配筋构造上的薄弱处，箍筋还需要加密。

图1 钢筋混凝土柱

图2 钢筋混凝土柱配筋

2.2 型钢柱

图3 型钢厂房

图4 钢柱

型钢柱就是用钢材制造的柱，如工字钢、H 型钢等，已在部分民用建筑或大中型厂房中得到广泛应用，如图3 所示。近年来，大型的场馆建设、大跨度公共建筑、高层房屋、轻型活动房屋、工作平台、栈桥和支架等大量使用型钢柱。 型钢柱按截面形式可分为实腹柱和格构柱，如图4 所示。 实腹柱具有整体的截面，最常用的是工字形截面；格构柱的截面分为两肢或多肢，各肢间用缀条或缀板连接。 型钢柱的受力主要是由强度、刚度和稳定性三方面来控制。 型钢柱作为受压构件，因其材料的高强性，一般采用较小的壁厚就可以满足要求， 但由此产生的失稳问题不容忽视。

2.3 钢管混凝土柱

钢管混凝土柱是在劲性钢筋混凝土和螺旋钢筋混凝土的基础上演变和发展起来的， 是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构，如图5、6 所示。 钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏， 构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。

图5 圆钢管混凝土柱

图6 方钢管混凝土柱

3 力学性能比较

3.1 承载能力的比较

钢管混凝柱是由钢管和混凝土共同组成的，具有较高的承载能力。 经过大量的试验分析和计算机数值理论计算，钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱和混凝土柱之和， 真正达到了“1+1>2”的效果。现代建筑高度不断增加，跨度逐渐增大，对柱构件的要求越来越高。 工程上单纯地采用钢筋混凝土柱，会使柱的设计截面不断增加，很容易出现“胖柱肥梁”的现象。 如果采用钢管混凝土柱可以大大地减小柱的截面尺寸，从而减轻自重，提高柱的承载能力，而且也有利于抗震。 当建筑高度较大时，采用型钢柱势必会增加柱的高度，对型钢柱的稳定性提出考验。 为了防止型钢柱的整体失稳和局部屈曲， 就必须要增加柱的肋板及支撑构件， 这样钢材的使用量会大大增多， 同时也增加了建筑成本。 如果采用钢管混凝土柱会避免用钢量的增加，又由于钢管内部存在混凝土， 稳定性和承载力与同长度的型钢柱相比有很大的提高。 此外，钢管在核心混凝土的外部，对混凝土起到了约束的作用，会增大结构的刚度。

理论分析和工程实践都表明，与型钢结构相比，在承载能力和自重相同的情况下， 钢管混凝土结构可节省钢材约50%[1]，焊接工序大大减少；与同条件下的钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土构件的截面面积减少约一半左右， 在室内不会出现柱楞的现象，满足家居装修的审美要求，也增大了建筑的有效面积。 实际工程中，如北京国际贸易中心、深圳赛格广场大厦等都采用了钢管混凝土结构，如图7、8 所示。 表1 为北京国际贸易和深圳赛格广场大厦采用钢管混凝土柱和钢筋混凝土柱构件面积的比较；表2 为采用三种类型柱的厂房耗钢量与自重等比较。

图7 北京国际贸易中心

图8 深圳赛格广场大厦

表1 构件尺寸及面积比较

表2 构件耗钢量及自重比较

3.2 塑性和抗震性能比较

图9 钢管混凝土柱滞回曲线及骨架曲线

塑性是指在静载作用下的塑性变形能力。 钢管混凝土短柱轴心受压试验表明，试件压缩到原长的2/3，纵向应变达30%以上时，试件仍有承载力。 剥去钢管后，内部混凝土虽已有很大的鼓凸褶皱，但仍保持完整，并未松散。 抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性，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，如图9 所示。

3.3 耐火、防火与防腐蚀性能比较

由于钢管内填有混凝土，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，减慢钢柱的升温速度。并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。实验统计数据表明，达到一级耐火3 小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3 一2/3 甚至更多[2]，随着钢管直径增大，节约的涂料也越多。 钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀的面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构少[3]。

4 施工工艺比较

钢管混凝土柱的零件较少、焊缝少、构造简单，柱脚常采用在混凝土基础上预留杯口的插入式柱脚， 因而工厂制造比较简单。同时构件自重较小，运输和吊装也较容易，施工很简便。而且钢管混凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在40mm 以内，无论是工厂焊接还是现场进行对接，都没有什么困难。

5 钢管混凝土存在的问题

5.1 钢管混凝土的本构关系。由于钢管混凝土力学行为的复杂性，迄今为止尚未建立起比较完善的本构关系。 现有的专家学者虽然对混凝土的弹性、 弹塑性和屈服阶段的本构关系进行了概括，但是大都是以回归公式为主，对于混凝土本身的本构关系如何选取为最优，目前还需要继续研究。

5.2 在计算方面， 钢管混凝土有限元计算理论缺乏统一性[4]。 专家学者应用各种计算机辅助软件或者模拟软件计算结果，各种理论结果没有统一的对比。 而每种计算模型各有优缺点，都会忽略一些实际的参数和因素，简化模型过程中会考虑很多人为因素， 所以目前应在学术界统一制定一套理论计算或模拟计算方法，以供工程实际分析使用。

5.3 对钢管混凝土桁架节点与柔性吊杆的疲劳问题的研究还不够，一些相关的设计规范及制作方法不协调，影响了实际工程中的质量检验等，所以亟需解决统一设计规范问题，以更好地为实践服务。

6 结语

通过上述几方面的分析， 与钢筋混凝土柱和型钢柱相比，钢管混凝土柱的优越性一目了然， 但也是相对年轻不成熟的结构，只有加强它自身的理论计算和设计规范的统一，这种新型结构形式才能茁壮成长起来。 就目前来说，它具有高强、高性能的构件形式，也是一种高效的施工技术。 随着人们对现代建筑结构形式不断提出新的要求， 钢管混凝土结构或构件愈来愈受到工程界及工程技术人员的青睐。 相信随着经济突飞猛进的增长及建筑产业化集群的发展，人们对钢管混凝柱的研究会越来越多，钢管混凝柱会不断地被应用到各建筑领域之中， 这类结构相关技术终究会被人们逐渐完善和掌握，从而更好地为人类服务。

[1]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出版社，2003，3.

[2]钟善桐.钢管混凝土结构（第三版）[M].北京:清华大学出版社，2003，8.

[3]韩林海.钢管混凝土柱耐火性能和抗火设计的特点[J].安全与环境学报，2001，1（4）.

[4]熊峰，等.钢管混凝土拱结构计算的矩阵位移法[J].西安交通大学学报，2002（5）:480-483.