简论钢管砼柱特点及其在住宅建筑中的应用

王向东

【摘 要】钢管砼柱就是在钢管中浇筑素砼后形成的组合构件。它在施工时省去了支模、拆模工序，具有承载力高、整体刚度和延性高、抗震性能好、施工简单易行和工期短等特点，被广泛应用于桥梁、工业厂房、设备构架和多层、小高层和高层住宅建筑中，富有优越的力学性能和明显的经济效益。

【关键词】钢管砼；刚度和延性；三向受力状态；住宅建筑

1 钢管砼的特点

钢管砼柱就是在钢管中浇筑素砼后形成的组合构件，最适用于轴心受压构件。它具有以下几个特点。

1.1 构件的承载力大大提高

外钢管使其内部的砼在轴心受力的状态下处于三向受压，延缓了砼的纵向开裂，使砼的抗压强度大大提高；而填充于钢管内的砼又保证了薄壁钢管的局部稳定性。试验和理论分析证明，圆形钢管砼受压构件的承载力可达到钢管和砼单独承载力之和的1.7～2.0倍。

1.2 构件整体刚度和延性提高，抗震性能好

核芯砼由于钢管的约束，不但使用阶段的弹性模量有所提高，而且破坏时也出现了很大的塑性变形，表现出良好的塑性和韧性。

1.3 经济效果显著

与钢柱相比，可节约钢材50%，降低造价约45%；与钢筋砼柱相比，在承载力相同条件下，可节约砼70%，减少自重70%，节省模板100%。

1.4 施工简单易行，缩短工期

因为钢管砼零件少、焊缝短，且柱脚构造简单，再加上可成功应用高位抛落、无振捣自流平砼及泵送施工，施工速度快且质量也能得到保证。

因此，钢管砼以它的轻巧、经济，良好的抗震性能和简单易行的施工方法，不仅被广泛应用于桥梁、工业厂房、设备构架等结构中，而且也广泛应用于多层、小高层和高层住宅建筑中。采用钢管砼后，柱的抗压和抗剪能力大大提高，柱截面大大减小，扩大了房屋的使用空间，而且，由于自重的减轻，更有利于抗震，还可降低地基基础的造价。钢管砼柱的钢管壁较薄，一般不超过40mm，施工简便且质量有保证。

钢管砼柱的钢管由钢板卷焊而成，可以是直缝形或螺旋形焊接钢管；钢管的厚度一般为直径的1/100～1/70；钢管可以2～3层高为一个安装单元，长度为6～10m一段。钢管的长细比L0/D一般不宜超过50，式中L0为柱的计算长度，由其支承方式按计算确定，D为钢管柱的外径；当采用少量巨型钢筋砼柱支承整个结构时，通常应在柱间加X形钢支撑（剪刀撑）或隔若干层做水平桁架，以提高建筑的空间整体性。

钢管砼中的砼强度等级一般不应低于C30，实际上，在工程施工中为减小柱的截面尺寸、提高承载力，普遍使用高等级的砼，而且，为了提高砼的强度等级，在常规砂石中可掺加一定量硅粉，也可掺入塑化剂，增加塌落度到150mm以上，拌制成自流平砼，浇筑时不必振捣，也能确保其密实度。

2 钢管砼的研究现状

根据史料记载，最早采用钢管砼施工工艺的结构是1879年英国的赛浮尔铁路桥的桥墩，当时考虑在钢管里充填砼的想法是：在砼承受压力的同时，还可以防止钢管内壁生锈；早期的研究不考虑钢管与核芯砼之间的相互依存、共同受力对构件承载力的提高效应，只是对两者的受力进行简单的叠加。随着研究的深入，人们发现钢管砼在受力过程中，由于钢管对砼的约束作用使砼处于复杂的三向受力状态，从而使砼的抗压强度得到极大提高，塑性和韧性也大为改善，同时，由于砼的存在，也提高了作为钢管砼整体的构件刚度和稳定性，有效避免或延缓了钢管发生压屈现象，使其具有优越的力学性能和显著的经济效益。

对钢管砼力学性能的研究存在各种不同的研究方法，如实验系数回归法、极限状态分析法以及纤维模型法和有限元法等的数值解析法，它们之间的区别在于如何估算钢管与砼之间的相互作用，以及这种约束作用对改善和优化其力学性能究竟能起多大影响。由于研究者从不同角度对上述问题进行研究，对钢管对核芯砼的紧箍效应理解不同，因此所采用的计算方法和计算结果就会有出入；各国研究者分别对钢管砼构件在静力、动力、火灾等作用下以及钢管砼与钢梁或钢筋砼梁组成的框架结构的力学性能进行了系统研究，均已取得了阶段性的研究成果，有的国家已把这些成果应用到工程实践中，并且在此基础上分别制订了钢管砼结构设计与施工规程，比如欧洲的EC4（1996）、DIN18800（1997），美国的ACI-319-89、LRFD（1994），日本的AIJ（1980，1997）等。我国是在上世纪60年代才开始研究钢管砼的，主要是在钢管中浇筑中等强度等级砼，虽然起步较晚，但发展速度较快，特别是近十几年，取得了令人瞩目的成就，已先后颁布了几个设计规程，如JGJ01-89、CECS28：90、KL/T5085-1999和GJB1029-2001，这些规程的制订和实施，拉开了钢管砼在我国建筑业中广泛应用的序幕。

3 钢管砼在住宅建筑中的应用

我国自20世纪60年代起开始把钢管砼应用于工业与民用建筑中，随着理论研究的深入和建筑科技的发展，以及相关设计规范和施工质量验评标准的颁布实施，钢管砼结构被越来越多地应用于单层和多层工业厂房柱、设备构架柱、各种构架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电站塔架杆、基桩、空间结构等，近十年又被广泛应用于桥梁柱、高层和超高层建筑中，特别是近几年，钢管砼被越来越多地应用于多层、小高层和高层建筑中，并取得了良好的经济效益和社会效益。此外，由于我国钢铁产量大幅度增加，世界的钢产量也日趋饱和，钢材价格也随之下降，从经济角度考虑，开发商大量采用钢结构建筑以谋取利润最大化就成为必然趋势，我国建设主管部门也开始大力推广钢管砼结构和钢结构建筑，并为此制订了加速推广建筑钢结构发展和应用的规划目标，确定在“十二五”期间以推广应用钢管砼结构住宅建筑为重点，力争在“十二五”期间使我国建筑钢结构（含钢管砼结构）用钢量达到全国钢产量的3%，到2020年达到6%；住宅建筑历来都是建筑业的主业，因此，在住宅建筑中推广应用钢管砼结构势在必行。

住宅钢结构有低层、多层和高层之分，3层以下为低层，现在很少有人建造；9层以下为多层，以上为高层，9～12层为小高层，13～30层为高层，31层或总高100米以上为超高层。住宅钢结构考虑到抗震需要，一般不超过12层，考虑到我国人口众多、土地资源相对紧缺，城镇居民对住宅的需求也在不断增长，所以宜发展多层和小高层钢结构住宅建筑；但在人口密度相对较大的大中城市，仍然以高层住宅建筑为主。住宅钢结构具有柱子用量较少，室内有效使用空间大、房间布置灵活、结构性能好等优点，所选择的结构体系大致是：5～6层以下为框架或框架-剪力墙体系；6层以上为框架剪力墙或框架简体结构体系；多层建筑则多采用框架体系。钢结构住宅建筑采用的框架柱有H型钢柱、钢管砼柱和钢骨砼柱（以型钢代替钢筋骨架所形成的钢骨砼结构柱），后两种也称钢与砼组合柱。在小高层建筑中，钢骨砼柱的施工较钢管砼柱要复杂得多，因此，在住宅钢结构中推广钢管砼的优势较大。

在高层住宅楼建筑中，钢管砼柱具有很大的优势：它承载力高、抗震性能好、无需支模拆模等独特优点，既可取代钢筋砼柱，解决高层建筑结构中普通钢筋砼框架（底层）柱“肥胖”的问题和高强度钢筋砼柱的脆性破坏问题，也可以取代钢结构体系中的型钢柱，以减少钢材用量，提高结构整体的抗侧移刚度。钢管砼柱的自重相对较轻，可以减小基础的承载压力，降低基础部分造价。全部采用钢管砼柱的建筑工程可以采用“逆作法”或“半逆作法”进行施工，从而可大大缩短施工工期；钢管砼柱的钢材厚度较小，取材方便、价格也较低，因此经济效益显著。

[责任编辑：邓丽丽]