钢与混凝土组合结构在高层建筑中的应用

2014-08-15魏帅任伟陈强

安徽建筑 2014年6期

魏帅，任伟，陈强

（西南林业大学土木工程学院，昆明云南 650000）

0 前言

钢和混凝土是高层建筑中最主要的两种材料，现代高层建筑结构设计理论的不断创新，在很大程度上取决于这两种材料性能的不断改善和提高[1]。

随着社会经济的不断发展，人口的增长及城市化进程的推进，造成了建设用地日趋紧张的局面，促使城市建设不断向高空发展，建筑高度不断被刷新。由于早期的混凝土材料强度有限，且自重大，抗拉、抗剪性能较差，所以早期的高层建筑均是采用钢结构体系[2]。作为高层建筑发展史上的第一个里程碑式事件，美国在1931年建成的帝国大厦（高381m、102层）就是采用的钢结构类型。我国早期的高层建筑也都是采用钢结构类型，如1934年建成的上海国际饭店（高82.5m、24层）就是钢结构类型。一直延续到上世纪80年代末，世界上所建成的高层及超高层建筑大多均是采用钢结构类型。

钢材以结构强度大、材料均匀性好、具有良好的塑性特点而被作为一种结构类型并广泛使用[3]。但是，采用纯钢结构的高层建筑在达到一定高度时，不得不面临整体刚度不足、抗侧移能力差的问题，即使增加支撑结构和减震系统也无法避免在强风和地震作用下顶部产生过大的振动和摇晃。同时，钢结构耐高温性能差也是至今未能解决的一大难题，这将对高层建筑发生火灾时人员的安全产生威胁，纽约的世贸中心就是由于飞机撞击后燃料爆炸产生高温引起的建筑倒塌[4]。

既然纯钢结构已不能很好的满足建造高层、超高层建筑的需要，那么就需要寻求一种性价比高于纯钢结构的结构类型，这种结构类型不但可以有效改善纯钢结构存在的缺点，而且还要具有足够好的经济性。这时已被应用多年的混凝土材料再次出现在研究人员的眼前，此时的混凝土材料性能已有巨大的提升，结构的强度及抗风、抗震性能得到很大的提高，从而让混凝土结构用于高层及超高层建筑成为可能[5]。作为高层建筑发展史上的第二个里程碑式事件，美国于1976年建成的芝加哥水塔广场大厦（高262m、74层），证明了混凝土结构应用于高层建筑的可行性。目前，世界上最高的建筑，位于阿拉伯联合酋长国迪拜市的高828m的哈利法塔以及我国第一高、世界第三高的上海中心大厦都是采用混凝土结构。

但是，随着建筑高度及建筑层数的增加，若采用普通钢筋混凝土结构，则必然要增大柱的截面尺寸，形成抗震性能差的短柱形式，而且大尺寸的柱子占据了大量的空间，降低了建筑的空间利用率。正是基于上述原因，研究人员提出了钢与混凝土组合结构的概念，充分利用钢与混凝土各自的材料特性，将两种材料组合，从而形成一些创新高能的结构体系。

1 钢骨混凝土结构在高层建筑中的应用

钢骨混凝土结构是在普通钢筋混凝土结构中加入型钢材料，使型钢和钢筋混凝土二者形成组合体协同工作共同抵抗荷载的一种结构类型。它是钢与混凝土组合的一种新型结构。与普通钢筋混凝土结构相比，这种新型组合结构的承载能力、刚度及变形能力均得到大幅提高，结构的抗震性能也相应增强；若将其应用于高层建筑中可以得到更好的适用性，采用钢骨混凝土构件可以有效减小构件的截面尺寸、增大建筑物的使用空间，同时也会减小构件在荷载作用下的变形[6]。

欧美国家在建筑、桥梁、公路设施、地下工程中对钢骨混凝土均有应用。在日本，钢骨混凝土结构已与木结构、钢筋混凝土结构及钢结构一起被称为四大结构类型。近年来，我国对钢骨混凝土结构也展开了研究，并将其应用于工程实践，如上海金茂大厦外围的8根巨型柱（1.50m×4.88m）就是钢骨混凝土柱，而且这类建筑中的部分剪力墙也采用了钢骨混凝土。

2 钢管混凝土结构在高层建筑中的应用

钢管混凝土是以圆形薄壁钢管作为混凝土浇筑时的模板，将混凝土灌注入钢管内而形成的钢与混凝土组合结构类型。由于薄壁钢管稳定性差，通过内注混凝土可以有效提高薄壁钢管的稳定性；同时在钢管的作用下，核心混凝土处于三向受压状态，增强了对混凝土的约束作用，使核心混凝土具有更大的抗压强度。相比同种情况下的普通钢筋混凝土结构而言，此种结构的强度、塑性及抗震性能均有提高。同时，钢管作为劲性材料，就相当于普通混凝土的模板，省去了支、拆模工作，而且钢管制作简便，工厂加工易于保证质量[7]。它与钢骨混凝土相比，除了具有轻质高强、塑性好、抗震性能优越等特点外，还具有省工节料等特性[8］。在钢管混凝土结构中适合采用高强混凝土材料。在竖向荷载作用于构件时，管中混凝土承受主要荷载，外围约束钢管只起辅助受力的作用。混凝土是一种性质特殊的材料，当强度越大时，对应其脆性也越大，正是这一特性限制了超高强混凝土材料应用于震区普通钢筋混凝土结构。但是，若将其用于钢管混凝土结构中，混凝土脆性随强度增大而增大的特性可以得到有效抑制，充分发挥其抗压强度高的优点，所以若在震区建造高层建筑时采用钢管混凝土结构构件，将体现出良好的适应性。

随着对钢管混凝土结构研究的不断深入，研究人员又提出采用方形薄壁钢管取代传统的圆形薄壁钢管。所谓方钢管混凝土，就是采用方形薄壁钢管作为外套筒，向其内注入素混凝土并振捣而形成的一种组合构件。方钢管混凝土结构具有圆钢管混凝土结构所不具有的优势[9]，例如：方钢管混凝土节点构造简单，施工方便；构件之间的交贯线在相同平面内；在相同条件下，方钢管混凝土构件相比圆钢管混凝土构件，拥有更大的截面惯性矩，稳定性更好；方钢管混凝土单柱承载力高，可以增大柱网尺寸，满足不同使用功能要求；方钢管混凝土结构构件外形规则，有利于梁柱之间的连接，避免了圆钢管混凝土构件由于截面形式特殊所造成的施工难度增加。

正是因为具有上述优点，从1897年John Lally在钢管中填充混凝土用作房屋的承重柱（称为Laiiy柱）并获得专利起，钢管混凝土结构在工程中的应用已有大约120年的历史[10]。由于钢管混凝土具有优越的物理力学性能，一出现就受到了欧美、苏联及日本等国工程界的重视，围绕其开展了大量的研究工作，并在一些工业厂房、居住建筑以及桥梁等工程中加以应用。至20世纪90年代初，由于泵送混凝土施工工艺的发展，有效解决了大型钢管内混凝土的浇筑问题，钢管混凝土结构再次兴起，并迅速取代了传统的钢柱结构，被认为是高层建筑结构的又一次重大飞跃[11]。从20世纪60年代起，钢管混凝土结构开始在我国的一些特殊领域中使用。但是，由于施工技术的落后，工程质量得不到保证，此结构未能大规模推广。直到20世纪90年代，由于灌注混凝土施工工艺的进步，解决了大型钢管内灌注混凝土不均匀、气泡多的问题，使钢管混凝土结构在我国有了大量的工程应用。福建省泉州市邮电大厦（高87.5m，16层）是我国第一个局部采用钢管混凝土柱的高层建筑。此外，采用局部钢管混凝土柱的高层建筑还有北京世界金融中心大厦（高156m，总建筑层36层，地上33层）、深圳邮电信息枢纽中心大厦（高180m，总建筑层51层，地上48层）及厦门阜康大厦（高86.5m，25层）等，采用全部钢管混凝土柱的高层建筑有天津今晚报大厦（高168m，主塔楼结构层40层）、深圳赛格广场大厦（高345.8m，总建筑层79层，地上75层）、厦门金源大厦（高96m，28层）等。

3 钢管高强混凝土结构在高层建筑中的应用

钢管高强混凝土组合结构是将薄壁钢管布置在构件的核心处，向内注素混凝土，外面再绑扎钢筋骨架，支护模板，浇筑混凝土，从而形成由管内混凝土、钢管、管外混凝土和钢筋4种材料组成的组合构件。其中，管内混凝土和管外混凝土可采用不同强度等级。一般情况下，高强度混凝土多用于管内，为避免开裂，外层混凝土多采用混凝土强度等级不超过C50的混凝土材料。根据管内外混凝土浇筑时间的不同，将钢管高强混凝土分为两类：一类是管内外混凝土同时浇筑，称为钢管混凝土核心构件；另一类是管内外混凝土不同时浇筑（此时应先浇筑管内混凝土，当管内混凝土强度达到总轴向力的0.25～0.5时，再浇筑管外混凝土），称为钢管混凝土叠合构件。下面将重点分析钢管混凝土叠合构件所具有的结构优势。

利用不同期浇筑混凝土产生的时间差来组合截面就称为叠合。如前所述，先对构件的管内部分混凝土进行浇筑，待管内部分具有一定强度时再对管外部分混凝土进行浇筑。从结构受力角度分析，先期施工的管内混凝土和钢管共同承担早期施工荷载，产生早期应变，然后浇筑管外钢筋混凝土部分，待管外混凝土具有一定强度后，内外一起形成组合截面共同受力，叠合后施加上的荷载，总荷载将按照组合截面上内外混凝土的竖向刚度比进行重分配，全部荷载由组合截面共同承担。由于管内部分已全部承担先期荷载，而且设计时有意识的加大了管内部分的竖向刚度比，从而管内部分承受的总轴向力比重大为增加，外层混凝土分担的轴向力减小，进而有效控制了截面外边缘处压应变，达到减小截面尺寸、增大建筑物使用空间的目的。所以，钢管混凝土叠合构件的理论就是通过改变轴向力和弯矩在截面上的分布，从而减小截面边缘的压应变，从而达到减小截面尺寸的目的[12]。抚顺万隆商务公寓（高104.2m、28层）采用框架剪力墙结构，属于接层工程，原有建筑只建到了12层，从13层开始接层，为了减小柱截面尺寸，增大建筑物的使用空间，在设计中就采用了钢管高强混凝土组合结构[13]。广州新中国大厦（高156m，总建筑层数48层，地上43层）最大单柱荷载超万吨，为了减小柱截面尺寸、增大建筑物的使用空间，在设计上采用了钢管高强混凝土组合结构[14]。

通过以上分析可知，钢管高强混凝土组合结构相比钢管混凝土组合结构具有以下几点优势[15]：

①钢管高强混凝土结构将钢管置于构件核心处，外围绑扎钢筋骨架，这样的构造形式减少了钢材用量，从而降低工程造价；结构中混凝土分为管内外两部分，管内部分可用超高强混凝土提高构件的抗压能力，达到减小构件截面尺寸的目的。

②钢管高强混凝土构件核心处混凝土受到钢管和管外钢筋混凝土的双重约束，使核心处混凝土的脆性得到有效抑制，为达到设计要求强度，在核心处使用更高强混凝土提供了可能。

③钢管高强混凝土结构的抗侧移刚度更大，采用此种结构类型可以提高建筑结构的整体刚度，减小建筑在风荷载作用下的振动及地震时的侧向变形，应用于高层及超高层建筑时可有效提高建筑的安全性。

钢管高强混凝土结构的推广应用，发展了高层及超高层建筑的设计理论，使一些设想得以实现。由于这种结构契合了我国人口增长、建筑用地短缺的现状，所以必将在我国的建筑行业中大放异彩。

4 结语

由于钢与混凝土组合结构具有的优异性能，在高层建筑工程中愈发显现出优越性，促进了高层建筑的发展，今后应将其作为高层建筑研究的重要方向。随着研究的不断深入和工程经验的不断积累以及新型钢与混凝土的组合形式的出现，必将会进一步促进高层建筑的发展。同时也为钢材在建筑行业的应用提供了新的途径，必将能对当前钢材市场萎靡的现状产生积极作用。

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