矩形钢管混凝土结构在高层建筑中的应用研究

韩卫国　王芙蓉

摘要：阐述了矩形钢管混凝土结构的工作机理，探讨了矩形钢管混凝土结构应用于高层建筑中的特点，提出了在设计和施工中应注意的主要问题，以供借鉴推广应用。

关键词：矩形钢管混凝土结构；工作机理；特点；主要问题

中图分类号：TU398.9 文献标识码：A 文章编号：1674-3024（2016）06-59-01

前言

近几十年来，伴随我国经济与建设事业迅速发展，钢管混泥土在桩、大跨度和空间结构、商业广场、多层办公楼和住宅、高层和超高层建筑以及桥梁结构中的应用日益增多，发展惊人。矩形钢管混泥土构件组成框架剪力墙应用于高层建筑结构中是时下较先进的结构体系，由于矩形钢管混泥土结构承载力高、塑性及韧性好、易施工、耐火陛及经济效果好等特点而深受各建筑设计师及施工人员青睐。

1.矩形钢管混凝土结构的工作机能

在矩形钢管混凝土结构中，矩形钢管内浇筑的混凝土对钢管壁具有约束作用，可以防止钢管发生向内侧的屈曲，提高了钢管壁的受压屈曲承载力，同时矩形钢管对内部填充的混凝土也具有一定的侧向约束作用，能提高混凝土的抗压强度，矩形钢管相对于圆形截面钢管混凝土约束效应较弱，受压承载力提高的程度较低，与梁之间节点连接构造比较简单，便于施工，因此，矩形钢管混凝土结构不但具有良好的工作性能而且也具有优越的使用和施工性能。

2.矩形钢管混凝土结构的特点

将矩形钢管混凝土结构应用于高层建筑中的框架柱，除承载力高之外还具有以下特点：

（1）承载力高，延性大，柱截面小。矩形钢管混凝土柱具有较大的抗弯、抗剪截面，相对于钢筋混凝土柱具有较大的延性和较高的强度，同时构件中不受含钢率的限制。

（2）矩形钢管对混凝土可起到与箍筋相似的约束作用。能够显著提高结构的抗剪承载力，

（3）施工方便。矩形钢管在施工过程中可间作柱的摸板和临时支撑，节省了材料和人工，钢管内的混凝土可以多层一次浇筑，使施工过程更加方便、快捷。

（4）矩形钢管混凝土可以在柱内外采用不同等级的混凝土。柱内用高等级混凝土以发挥其抗压性能，而梁板可以采用强度较低等级的混凝土，从而避免了将梁、板混凝土等级无谓提高的缺点，降低了成本。

（5）矩形钢管混凝土结构梁柱节点形式简单，外形规整，有利于满足建筑要求，施工时容易处理，矩形钢管混凝土结构中各构件间的交贯线处于一个平面内，便于制作和安装，应用于框架和桁架结构中在成本和施工速度上具有较大的优势。

（6）防火耐火性能好。矩形钢管混凝土的耐火性比钢结构好，由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，混凝土的导热系数低、比热大，因此，遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，越到中心温度越滞后，增加了柱子的耐火时间。

（7）抗震性能优越。矩形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，抗震性能优越于钢柱和钢筋混凝土柱。

3.矩形钢管混凝土结构在高层建筑的设计和施工中应注意的主要问题

（1）矩形钢管混凝土结构由于兼有钢结构和混凝土结构的特点，所以按《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECSl59：2004）设计的同时，还应符合《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）和《混凝土结构设计规范》（GB50010-2012）等规范规程的要求。其中荷载组合、荷载标准值、荷载分项系数、荷载组合系数等应符合《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECSl59：2004），当遇到该规程未规定的情况，应按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）的規定采用。在抗震设防区还应符合《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的规定。

（2）矩形钢管混凝土承重构件的钢管材料，应根据结构重要性、荷载特征、应力状态、钢材厚度、连接方法、环境条件等因素合理选取牌号和质量等级，对采用冷成型或由冷弯型钢焊接组成的矩形钢管，当钢管截面板件尺寸符合全截面有效条件时，可根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018—2002）的规定选取冷弯效应后的强度设计值。

（3）矩形钢管混凝土构件在正常使用阶段应处于弹性阶段，设计中需要满足承载力极限状态和正常使用极限状态的要求，除此之外，尚应对空钢管在施工阶段的强度、稳定性和变形进行验算，施工阶段的荷载主要包括湿混凝土的重量和实际可能作用于钢管的施工荷载，施工阶段的验算可依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）和相关的参考资料。

（4）为保证混凝土浇筑的密实性，并利于火灾时混凝土内部水蒸气的排除，在每层矩形钢管混凝土柱下部的管壁上应对称开两个直径20mm的排气孔。

（5）为便于在钢管内浇筑混凝土，矩形钢管混凝土构件的截面最小边长不宜小于100mm，为防止浇筑混凝土时引起钢管外鼓变形，管壁厚度不宜小于4mm，同时，截面的高宽比不宜大于2，当有可靠依据时，其限值可适当放宽当矩形钢管混凝土的最大截面边长大于等于800mm时，可通过在钢管内壁上焊拴钉或设置纵向加劲肋等构造措施来增强其与混凝土的共同工作能力，防止钢板的屈曲失稳。

4.结束语

矩形钢管混凝土结构由于它具有良好的受力性能和施卫陛能、能提高建筑品位缩短施工工期，是具有发展潜力的一种结构形式，其适应现代工程结构大跨而高耸的需要，近年来，被广泛地应用于各类工业厂房柱、各种支架、高层和超高层建筑以及桥梁结构中，并取得了良好的经济效益和建筑效果。虽然矩形钢管混凝土结构具有较多的优势，但在实际应用中还存在一些亟待解决的问题，如设计理论设计方法、结构形式与布置等还需我们继续深入研究探讨进行完善，进而促进其更好的推广与发展。