浅谈钢管混凝土在建筑工程中的应用与发展

2021-10-22谭夏墉

建材与装饰 2021年29期

谭夏墉

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

钢管混凝土（concrete-filled steel tubular，缩写为CFST）具有承载能力高、抗震性能突出的力学特点，被广泛应用于建筑结构中[1]。随着社会发展和技术进步，超高层、超大跨逐渐成为建筑结构的发展趋势，CFST因其力学性能优越、经济效益好、施工便捷等因素[2]，进一步受到国内外学者的关注，并得到更深入的应用和研究。

1 CFST材料的力学性能及特点

CFST是指在钢管中填充混凝土所形成的组合材料，如图1所示。其中钢管与混凝土共同承担荷载并协同工作，充分发挥钢管和混凝土各自的优势，并相互弥补对方的缺陷。CFST构件的承载力相较于钢管和混凝土各自独立承载时有所提高，在结构设计中可优化截面尺寸，提高空间的利用率。

图1 钢管混凝土构件

CFST构件在承受压力时，钢管对核心混凝土产生约束，限制混凝土的横向变形而形成套箍作用，使核心混凝土处于三向受压的应力状态，提高核心混凝土的峰值应力和延性，改善混凝土的力学性能；当核心混凝土局部开始被压碎时，由于套箍作用的存在，钢管会出现局部鼓曲，但构件整体的承载力仍未达到极限，并且在构件达到极限承载力后，承载力下降得较为平缓，CFST构件相较于钢筋混凝土构件延性更好；同时，钢管在核心混凝土的支撑下，稳定性得到提升，受压时能充分发挥材料强度。反复水平荷载作用下，CFST柱具有饱满的滞回曲线和良好的变形能力[3]，抗震性能远优于钢筋混凝土柱。在施工过程中，钢管作为混凝土的浇筑模板使用，可大大缩短施工工期，提高建筑综合经济效益。

2 CFST在建筑工程中的应用

2.1 CFST在民用建筑中的应用

CFST柱常被应用于超高层建筑中，与钢筋混凝土核心筒组成框架核心筒结构，能充分发挥优异的力学性能。在超高层建筑中，竖向构件承担的荷载极大，CFST的抗压性能被充分利用，钢筋混凝土内筒和CFST外框架协同作用，提高结构的抗震性能。超高层建筑的核心筒可在底部加强区布置圆钢管形成CFST剪力墙，提高筒体的延性和承载力[4]。

地铁站、地下商业街等地下空间，会承受较大的竖向荷载，采用CFST柱可减小截面，增强结构的抗震能力。CFST施工较为便利，在地下空间逆作法施工中常被采用，缩短施工工期，提高工程综合经济效益。

2.2 CFST在工业建筑中的应用

传统工业厂房通常采用钢筋混凝土柱作为竖向构件，一般具有跨度大的特点，并且需要与吊车梁、柱间支撑等构件相连，这使竖向构件的截面尺寸较大，影响空间使用率。CFST柱，具有承载能力高以及延性好的特点，可在大跨度厂房中使用，与同等承载力的钢柱相比，可大幅降低钢材用量，节约成本。

对于高耸工业建筑，如水塔和风电机组塔筒，以钢管作为模板，在其中浇筑混凝土可大大降低工程的施工难度，加快工程推进速度。

2.3 CFST在桥梁建筑中的应用

拱桥是一种以拱肋作为主要承重构件的桥梁建筑，在自重和车辆行人等竖向荷载作用下，拱肋以承受轴向力为主，因此拱肋的承载能力在一定程度上决定了拱桥的跨度。CFST拱桥以CFST作为拱肋的材料，多采用圆形、矩形和哑铃型截面，充分发挥CFST优越的抗压性能。在短短三十年间，CFST拱桥的跨度迅速提升，目前已突破500m。

在桥梁工程中，上部结构荷载通过桥墩传向基础，桥墩需要承受巨大的压力，并且相较于上部结构，桥墩极易受到地震作用而被破坏。因此，桥墩不仅需要具有极高的抗压承载力，还需要有较好的延性和抗震能力。CFST桥墩不仅具备承载力高、延性及抗震性能好的特点，并且施工方便、工程造价低，值得大力推广。

3 CFST在工程实践中面临的问题

3.1 核心混凝土脱粘脱空

CFST构件是通过钢管约束核心混凝土的横向变形产生套箍作用，使钢管和混凝土能协同工作，以此改善构件的力学性能。但在实际工程中发现，部分CFST构件存在钢管和混凝土之间产生空隙或孔洞的情况，这种情况称为脱粘脱空。当CFST构件出现脱粘脱空后，钢管和核心混凝土无法完全接触，套箍作用减弱，构件的承载力和延性均受到影响。

导致CFST构件产生脱粘脱空现象的原因复杂，主要分为以下几个方面：

（1）核心混凝土在硬化和使用过程中会出现收缩和徐变，导致混凝土的体积减小，钢管和混凝土在相接面处发生分离。

（2）传统施工工艺存在缺陷以及排气孔设计不合理等原因，会导致在浇筑混凝土时，部分空气无法排出，混凝土硬化后在管内形成空腔，钢管和核心混凝土无法完全接触。

（3）当构件所处环境温度变化较大时，钢管和混凝土会产生较大温差，这将导致钢管和混凝土的径向变形不一致。如受到阳光直射后，构件受热膨胀，钢管的温度远高于混凝土的温度，混凝土相较于钢管的径向变形更小，导致混凝土脱粘脱空现象。

核心混凝土脱粘脱空现象普遍存在于已建成的建筑结构中，如何防止CFST构件出现脱粘脱空现象，以及如何对已出现脱粘脱空现象的结构进行合理的评估和修复，是近年来国内外学者关注的重点问题之一。

3.2 尺寸效应显著

钢管对核心混凝土的套箍作用与钢管和混凝土的材料强度、面积以及截面形式等因素有关，具有显著的尺寸效应。目前，我国学者主要以套箍系数ξ体现钢管对混凝土的套箍作用，套箍系数ξ的定义如下：

式中：As和Ac分别是构件横截面上钢管和混凝土的面积；fy是钢材的屈服强度；fck是混凝土轴心抗压强度标准值。

我国学者在大量试验分析的基础上，研究确定套箍系数ξ和构件承载力之间的关系，并由此建立我国现行的钢管混凝土计算理论体系。然而，以往试验大多采用缩尺模型或小尺寸模型，本文收集到部分学者进行的圆形CFST构件试验数据，构件截面尺寸如表1所示。

表1 圆形CFST试件截面尺寸

从表1中可见，本文收集到的一千多个试验构件截面直径最大为600mm，而我国在实际建筑工程中所使用的圆形CFST构件截面直径最大已超过2m。由于CFST构件的尺寸效应显著，且目前缺乏对大尺寸构件的研究，现有的理论体系是否仍适用于大尺寸CFST构件是一个值得进一步探讨的问题。

4 CFST的发展与研究方向

随着CFST材料在建筑工程中的兴起，越来越多学者对其开展研究。近年来，除了圆形和方形等CFST构件常见截面形式外，为了满足建筑要求以及更好地发挥CFST的力学性能，十字形、L形和T形等异形截面形式也开始出现在建筑工程中；通过在外钢管内加入肋板、箍筋和型钢，进一步提高CFST构件的强度和延性；同时，不同截面形式的CFST构件之间相互连接的节点，以及与钢构件、钢筋混凝土构件连接节点的力学性能也被国内外学者广泛关注[5]；为了完善CFST构件的计算理论，大尺寸CFST构件的力学性能开始被各国学者所关注并研究；自密实混凝土、真空辅助灌注工艺和二次灌浆等新材料和新施工技术的应用，为解决CFST在施工过程中出现的脱空问题提供解决方法，保证浇筑质量。