浅谈钢管结构的发展现状

陈佳廉　张松

摘 要：笔者通过查阅国内外文献，综述了钢管结构在国内外的发展状况，总结了钢管结构的特点及现阶段存在的问题，并对钢管结构的应用作了简要阐述。

关键词：钢管结构;发展状况;问题;特点;应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.016

0 引言

钢管结构因外表美观、承载力高、简化施工、防腐防火成本低、可填充、风及波浪阻力小等特点被应用于体育馆、会展中心、机场、大跨度桥梁建设中，但因生产能力有限、管结构研究较少等问题在国内应用受限。

1 钢管结构在国内外发展状况

1825年，英国开始生产煅焊圆管，钢材开始以管状形式进入人们视野，受焊接工艺的限制，煅焊圆管大多用于制作装饰品、简单的工具和武器;1845年，电弧焊得以应用和发展，德国开始生产焊接圆管，焊接圆管可用于简单的结构形式[1];1886年，气电焊工艺的发展使得德国能够生产无缝圆管，无缝圆管具有外径小、精度高、可做小批量生产、冷拔成品精度高、表面质量好、钢管性能更优越、焊接性强，抗压能力大等特点，钢管结构作为大中型建筑结构形式变成可能;1890年，苏格兰首次采用圆管建造桥梁，标志着钢管结构正式应用于工程界;1959年，英国开始生产焊接轧制矩形管;1962年，德国开始生产无缝轧制矩形管;20世纪70年代后，国际上大量进行管结构性能和设计的研究。在我国，管结构的研究较少，同济大学“钢与轻型结构研究室”进行的铸钢节点试验，有效指导了铸钢节点的涉及与施工[2-3]。

2 钢管结构的特点

钢管结构具有外表美观、承载力高、简化施工、防腐防火成本低、可填充、风及波浪阻力小等特点。

（1）外表揉合，明快美观。钢管结构外表光滑、圆润，较传统的混凝土结构而言，视觉效果更受建筑师青睐，被广泛用于体育场、机场、高铁车站等大跨度公用建筑，满足结构性能的同时更加美观。

（2）抗弯、扭性能好，承载力高。钢管结构为闭口截面，与开口截面型材相比，抗弯、扭性好，承载力高，可满足大跨度结构承载需求，被广泛用于大跨度公用建筑及大跨度桥梁结构。

（3）外表面积小，防腐、防火费用低。与L型钢、工字钢相比，钢管结构外表面积小，相应的用于表面防腐、防火涂层的材料较少，费用较低。

（4）光滑表面，风、波浪阻力小。与L型钢、工字钢相比，钢管结构体形系数小，受到的空气动力效应较小，分及波浪阻力小，能广泛应用于堤坝、海洋平台结构、塔桅结构等。

（5）内部可填充混凝土，有效提高承载力和耐火极限。钢管内部填充混凝土后形成新型组合结构——钢管混凝土。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对核心混凝土的约束作用，使混凝土处于三向受压状态，提高混凝土的强度，改善其塑性和韧性，同时克服了钢管容易发生局部屈曲的缺点;其次，改变空钢管的失稳模态，从而提高其承载能力;此外，由于钢管内填有混凝土，能够吸收大量的热能，在遭受火灾时，外部钢管虽然升温较快，但内部混凝土升温滞后，仍具有议定的承载能力，因而增加了钢管的耐火时间，提升了结构的耐火性[4]。

3 我国发展钢管结构存在的问题

（1）钢管生产能力有限，规格品种不齐全，限制了钢管结构在工程领域的大规模、大范围应用。

（2）质量欠缺，尺寸误差较大，主要表现为圆度、壁厚不均，难以满足工程要求。

（3）大直径钢管生产困难，在重大、重要工程建设时所需建筑材料需进口，大大增加了建造费用，限制了钢管结构的推广应用。

（4）管结构研究（特别是节点性能）较少，缺乏严格的规范及标准，跟不上工程应用的迫切需要。

4 我国钢管结构的应用

（1）大跨度公共建筑物。钢管结构具有外表美观、承载力高、简化施工、防腐防火成本低，可广泛用于大跨度公共建筑物。如建筑面积达25.8万平米的鸟巢，利用方钢管构成空间骨架，与屋面及里面的次结构形成了形似鸟巢的特殊建筑造型。如长沙贺龙体育场，建筑造型象征湖南省省花“芙蓉花”，屋面为双曲面，结构采用相贯钢管桁架，主檩条为H型钢，次檩条采用C型钢。如三亚美丽之冠文化会展中心为三亚市标志性建筑，是目前亚洲最大的单体膜结构工程，会馆为44层钢框架结构，顶部为由空间管桁架支撑的膜结构，整个建筑外形呈皇冠状，建筑面积为11932平方米，总用钢量为1262吨。

（2）塔桅结构。与L型钢、工字钢相比，钢管结构体形系数小，受到的空气动力效应较小，分及波浪阻力小，能广泛应用于堤坝、海洋平台结构、塔桅结构等。如全球第一高塔广州新电视塔总高610米（其中结构高度450米，发射天线高度160米），主体结构采用“倾斜立柱+斜撑+倾斜环梁”组成的钢结构外框筒。

（3）大跨度桥梁。钢管内部填充混凝土形成钢管混凝土。钢管混凝土是一中高强轻质且便于施工的高效结构材料，其单位重量承载力甚至略强于钢材，钢管又可以充当安装架设阶段的劲性骨架、灌注混凝土阶段的模板和钢筋，以及具有对核心混凝土的套箍约束等多种工能，较全面地解决了桥梁结构所要求的用料省、安装重量轻、施工便捷、承载力大等诸多条件，是一种建造大跨度桥梁的比较理想的结构材料。如广东南海市紫洞大桥和四川万县的万州大桥都采用了钢管混凝土空间桁架组合梁式结构，减轻了结构所承受的恒载，提高了结构的承载力系数，同时简化施工程序，减少施工设备，加快施工进度，带来显著的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]翰林海.钢管混凝土结构[M].北京科学出版社，2014：5-8.

[2]江兴敏，栾经正.钢管混凝土结构的发展和展望[J].工业建筑，2007，37（S1）：501-503.

[3]陈铭.钢管混凝土结构的特征及应用[J].城市建设理论研究：电子版，2013（17）.

[4]孫春蕾，付善春.高层钢管混凝土柱的抗火研究[J].城市建设理论研究：电子版，2012（32）.

作者简介：陈佳廉（1991-），男，贵州毕节人，研究生在读，研究方向：边坡稳定分析。

*为通讯作者