王世伟
(海南省第二建筑工程公司，海南海口570203)
【摘 要】 介绍了钢管混凝土结构的特点，对钢管混凝土结构与传统结构在造价、耗材、施工等各方面进行对比分析；阐述了该种结构形式的广泛用途和目前存在需要进一步解决的问题；指出了钢管混凝土结构的应用现状和应用前景。 【关键词】 钢管混凝土结构; 技术经济; 抗震性能
【中图分类号】T U398 【文献标识码】A 【文章编号】1007-8983(2003)05-0039-04
卢允忠1 前 言
钢管混凝土即在薄壁钢管内填充普通混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构，它是将钢管结构和钢筋混凝土结构的优点结合在一起而发展起来的新型结构。钢管混凝土作为一种结构构件形式最早在十九世纪八十年代被设计应用做桥墩，然后随着科学技术的提高使它的应用范围得到了很大的扩展。从八十年代末开始，钢管混凝土在我国的土建工程中的应用发展很快。1992年建成的福
建泉州邮局大楼，底层框架柱采用800×10钢管, C30混凝土的钢管混凝土。1997年建成的福州侨益大厦，地下两层至地上15层采用钢管混凝土。1994年建成的厦门阜康大厦，地下两层至地上12层采用钢管混凝土。1996年建成的天津今晚报大厦,1020×14,Q345钢材C60混凝土地下2层地上38层。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形截面钢管混凝土结构、圆形截面钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形截面钢管混凝土结构和圆形截面钢管混凝土结构应用较为广泛。 2 钢管混凝土结构的特点
众所周知，混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高，同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中(如厂房和高层)。
易趴网2.1 承载力和结构强度
钢管混凝土强度提高的原因，主要是构件受压时，由于钢管和混凝土的泊桑系数不同，随着荷载的增加，钢管由弹性工作状态进入塑性工作状态，其泊桑系数由0.283增大到0.5后就保持不变；而混凝土的泊桑系数大约由0.2增大到0.5以后仍继续增大。这时钢管始终对填入的混凝土产生紧箍力，这样钢
管和混凝土都处在三向应力状态下工作，因而抗压强度和变形能力都得到极大的提高。据实验资料介绍[1]，柱截面含钢率大于4%的钢管混凝土轴向抗压强度比钢管和混凝土单独承载力之和大70%以上。因而它特别适用于轴心受压和小偏心受压。
在高层建筑中，与钢筋混凝土和钢结构相比钢管混凝土结构的优越性显得更为突出。经实验证明，钢管混凝土柱的抗压承载力为混凝土柱的一倍以上，同时抗剪承载力也比钢筋混凝土柱高许多。和钢柱相比，抗压承载力虽略低，但却无局部失稳问题。而且钢管混凝土的塑性性能好，防止了管内混凝土的脆性破坏。因而，在高层建筑中可以做到不限制轴压比。这是钢筋混凝土结构无法做到的。
2.2 塑性和抗震性能
塑性是指在静载作用下的塑性变形能力。钢管混凝土短柱轴心受压试验表明[1]，试件压缩到原长的2/3，纵向应变达30%以上时，试件仍有承载力。剥去钢管后，内部混凝土虽已有很大的鼓凸褶皱，但仍保持完整，并未松散，且仍有约5%的承载力，用槌敲击后才粉碎脱落。
抗震性能是指在动荷载或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。在这方面，钢管混凝土构件要比钢筋混凝土构件强得多。在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明[3]，结构的吸能性能特别好，无刚度退化，且无下降段，和不丧失局部稳定性的钢柱相同，但在一些建筑中，钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性，但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定。因此，钢管混凝土柱的抗震性能也
优于钢柱。
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此外，高层建筑中和钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的自重大幅度减小，地震作用引起的地震反应也将减小。据有关资料分析，高层建筑中采用钢管混凝土柱和钢梁等结构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少1/3～1/2，地震作用可以减小一半，相当于设防烈度下降一度。这将
[收稿日期]2003-04-04
[作者简介]王世伟(1975～)，海南海口市人，本科，助理工程师，从事建筑工程设计与施工技术工作。
工艺钟表
意味着结构构件截面尺寸的进一步减小。同时基础的负荷也相应减少，由此降低了基础造价。
2.3 使用功能和经济效益
由于钢管混凝土的抗压承载力高，用作柱子时，截面尺寸小，因而增加了建筑有效使用面积。深圳赛格广场大厦[2]，柱子最大轴压达90000kN，截面为1600×28，采用Q345钢材和C60混凝土。若要设计成钢筋混凝土柱时，则为2200×2400,C60混凝土。由此可见，用钢管混凝土柱代替钢筋混凝土柱时，柱子截面减少一半以上。事实上，该工程由于采用了钢管混凝土柱，和采用钢筋混凝土柱时相比，多得了3000m2的使用面积。此外，在此工程中[2]，与钢筋混凝土柱相比，省去了大量混凝土并减轻自重60%以上，这除了增加有效使用面积，还对减轻基础负担十分有利。和钢柱相比，虽然增加了一些
自重，但柱子所占空间一般相差不大，而且耗钢量却可节约50%以上。又如上海市人民广场大型地下停车场(二层)的400根柱子，用钢管混凝土柱比用钢筋混凝土柱每层节省有效面积160m2，两层共节省320m2。同时，由于钢管混凝土结构的出现，可以从某种程度上解决工程中长期存在的“胖柱”问题，从而提高了建筑水平。
随着高强混凝土的发展,C60在国内城市中以被较普遍使用，有些甚至已采用C70或C80，从而提高了钢管混凝土柱的承载力，节约混凝土。但是高强混凝土的强度虽得到提高，却增加了脆性，降低了结构的安全可靠性。钢管混凝土中的核心混凝土处于三向压应力状态下，极大地改善了性能，防止发生脆性破坏，即高强混凝土只有用于钢管混凝土柱，才能发挥高强混凝土的强度。一般的，我们把混凝土强度等级在C50以下的钢管混凝土称为普通钢管混凝土；混凝土强度等级在C50以上的钢管混凝土称为钢管高强混凝土；混凝土强度等级在C100以上的钢管混凝土称为钢管超高强混凝土。钢管混凝土结构与传统结构进行经济对比分析，在造价、耗材、施工等各方面的综合经济效益显著。特别是钢管高强和超高强混凝土结构：同等承载力条件下，钢管混凝土柱比普通混凝土柱节约混凝土在50%以上；几乎省去全部的模板，耗钢量略多或约略相等。与普通钢柱相比可节约钢材约在50%以上，造价也可降低。
2.4 施工方面
钢管混凝土柱的零件较少，焊缝少，构造简单，柱脚常采用在混凝土基础上预留杯口的插入式柱脚，因而工厂制造比较简单，同时构件自重较小，运输和吊装也较易，施工很简便，而且钢管混凝土柱采用板材卷制，板材厚度都不大，一般在40mm以内，无论工厂焊接和现场进行对接，都没有什么困难。同时，与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的外皮钢管具有钢筋的功能，兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，所以管内没钢筋，省了钢筋下料和绑扎钢筋等一系列工艺，又由于柱外皮钢管本身就是耐侧压的模板，同时也省了支模和拆模等工序。近年来，泵送砼相当普遍，现场浇灌并无困难，我国创造并广泛使用的高位抛落不振捣混凝土的施工方法，更简化了现场灌混凝土的工序，简便了施工。也有在管柱下部开临时浇灌孔，用混凝土泵自下而上灌注混凝土的方法，既快，又保证浇灌质量。而且，在浇筑后，钢管内处于相当稳定的湿度条件，水分不易蒸发，省去浇水养护工序，简化了混凝土的养护工艺。
但与此同时，钢管混凝土结构在施工中也有一些问题不容忽视。
在结构构件的连接构造方面:①当钢管混凝土柱与混凝土梁连接时，就必须借助于柱上的牛腿和加强板。如果用暗牛腿，会给浇注混凝土带来不便，影响施工进度;②当钢管混凝土柱与无梁盖连接时，尤其是采用升板法施工时，板与柱的连接构造是相当复杂的，会直接影响到施工的进度;③为了能够充分发挥钢管混凝土的承载力，钢管混凝土的连接应尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上。常采用柱顶盖板、柱脚底板和层间隔板、穿心板等来实现。当然前提条件必须是应保证管内混凝土的密实，
做到这一点也是不易的。横隔板和上、下柱的连接是比较繁琐的，尤其是对于小直径管，特别不便于施工。穿心板的制作也很麻烦，而且还会妨碍管内混凝土的浇注和振捣。一般仅在大直径钢管混凝土中使用。
在钢管构件的制作、安装要求方面:①钢管混凝土柱用的钢管，焊接、制作要求较高。一般应优先采用螺旋焊管，无螺旋焊接管时，也可以用滚床自行卷制钢管，但卷管的方向应与钢板压延方向垂直且对管的内径有一定的要求。焊接时除一般钢结构的制作要求外要严格保证管的平、直，不得有翘曲、表面锈蚀和冲击痕迹。特别是它对钢管内壁的除锈要求，可能会增加钢管的制作周期;②在构件制作过程中，钢管的对接是一个难点。结构要求焊后的管肢要平直，这就需要在焊接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响。管肢对接焊接前，对于小直径钢管应采用点焊定位，对于大直径钢管应另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定联焊。在钢管对接焊过程中，如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝，则该微裂缝部位必须全部铲除重焊。为了确保联接处的焊缝质量，在现场拼接时，在管内接缝处必须设置附加衬管。对于格构式柱要求柱的肢管和各种腹杆的组装连接尺寸和角度必须准确。特别是腹杆与肢管联接处的间隙，应采用自动切管机按照相接面管的直径和角度切割成空间相交曲线的管端。如无自动切割机时应按板金展开图进行放样切割。在高层建筑中常常采用变径的钢管，变径管的对接就又是一个施工难点，变径处节点构造较为复杂，无疑会影响到施工的进度。
在质量检查及施工方法方面:①钢管混凝土柱管内混凝土的浇注属于隐蔽工程，混凝土的浇灌质量是无
法直观检查的。当采用人工浇灌并振捣时，只能依靠操作人员的责任心和严密的施工组织管理来保证施工质量。如果超声脉冲检测发现有不密实部位，就得将钢管钻孔压浆补强，然后再将钻孔补焊封固。所以无论从质量检测还是完善施工质量都是较为费工的;②从混凝土浇灌方面讲。如果采用泵送顶升法，施工就必须有与之配套的泵及输送设备，而且对粗骨料的粒径、水灰比、坍落度要求比较严格。采
用高位抛落法施工，混凝土的配合比要求亦很严格。必须先进行配合比实验来确定水灰比，然后才可以正式浇注。2.5 耐 火
由于钢管内填有混凝土，能吸收大量的热能，因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明：达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3～2/3甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多。
3 钢管混凝土结构的研究应用现状
3.1 钢管混凝土结构的实际应用
从19世纪80年代，钢管混凝土结构就已经出现。例如,1879年英国赛文铁路桥的建筑中采用了钢管桥墩；前苏联乌拉尔的伊谢特铁路桥采用钢管混凝土构件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子;1961年比
利时建造船坞时，采用钢管混凝土构件做桁架的压杆和立柱；法国巴黎居民区的第一座摩天大楼采用了钢管混凝土框架柱；前苏联在一些吊车栈桥(跨度达48m)中采用钢管混凝土结构；日本、瑞士等国在输电跨越塔中采用了钢管混凝土结构，都取得了显著的经济效益。
在20世纪60年代后，由于泵送混凝土工艺的发展，解决了现场钢管内部浇灌混凝土的工艺问题，加上现代高强混凝土需要用钢管约束来克服其脆性。因此，钢管混凝土结构在美国和澳大利亚等国的高层建筑中得到了广泛应用，被认为是高层建造技术的一次重大突破。
我国钢管混凝土结构技术的开发和应用已有近40年的历史。1966年钢管混凝土结构应用于北京地铁车站工程, 70年代又在单层工业厂房、重型构架中得到了成功的应用。近10年来，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了卓有成效地应用，推动了建造技术的发展。在我国，钢管混凝土结构主要应用于以下的领域中。
3.1.1 地铁车站工程
地铁车站是我国最早采用钢管混凝土结构的工程项目。早期的地铁车站是深埋地下的多跨结构，用明挖法施工；采用钢管混凝土柱主要是利用其承载力高的特点，以减小柱子的截面尺寸，有效地利用空间。近年来，在城市中心地区修建的地铁车站多为浅埋式的、具有综合功能的多层地下建筑。采用盖挖逆作法施工，以尽量减少对城市正常生活的干扰以及对地面交通和邻近建筑的影响。盖挖逆作法，
是先施工地下结构的顶盖，在顶盖的保护下进行开挖，按照从顶到底的顺序进行施工。为此，必须在土方开挖前设置好顶盖的中间支撑柱，钢管混凝土柱将施工阶段的临时柱和结构的永久柱合二为一，因此是最好的选择。90年代以来，北京地铁的复八线工程中，采用盖挖逆作法建成了“天安门东站”、“大北窑站”和“永安里站”；在建中的南京地铁的“三山街站”也是采用的盖挖逆作法进行施工。
3.1.2 单层和多层工业厂房柱
单层工业厂房的柱属于偏心受压构件，为了充分发挥钢管混凝土结构的特点，很多工程中的柱子设计成格构式组合柱，如双肢柱、三肢柱和四肢柱，把偏心弯矩转变为轴心力。如1972年建成的本溪钢铁公司二炼钢轧辊钢锭模车间采用了四肢柱;1980年建成的太原钢铁公司第一轧钢厂第二小型厂的下柱采用双肢柱;1980年建成的吉林种籽处理车间采用了三肢柱;1982年建成的武昌造船厂船体结构车间采用了四肢柱。与钢筋混凝土柱和普通钢柱相比，钢管混凝土组合柱显得特别轻巧，节约钢材，施工简便，同时刚度好。单层工业厂房中采用钢管混凝土柱时，钢管中混凝土的浇注可以在全部主体结构安装完成后进行，所以大大缩短了工期。如1995年建成的哈尔滨建成机械厂大容器车间，从破土动工到竣工只用了15.5个月；同年该厂又建成了容罐式汽车车间，主体结构的施工仅用了半年时间。80年代初，我国开始在多层工业厂房中采用钢管混凝土柱。多层工业厂房柱基本为偏心受压单管柱；如1984年建成的上海特种基础科研所的科研楼,1985年建成的柳州水泥厂窑尾加热车间。
3.1.3 高层建筑工程
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在高层建筑结构中，钢管混凝土柱具有很大的优势：具有承载力高，抗震性能好的特点，既可以取代钢筋混凝土柱，解决高层建筑结构中普通钢筋混凝土结构底部的“胖柱”问题和高强钢筋混凝土结构中柱的脆性破坏问题；也可以取代钢结构体系中的钢柱，以减少钢材用量，提高结构的抗侧移刚度。钢管混凝土构件的自重较轻，可以减小基础的负担，降低基础的造价。全部采用钢管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”进行施工，从而加快施工进度；钢管混凝土柱的钢材厚度较小，取材容易、价格低。其耐腐蚀和防火性能也优于钢柱。钢管混凝土柱不易倒塌，即使损坏，修复和加固也比较容易。废盐焚烧炉选型
3.1.4 大跨度桥梁工程
随着经济的迅速发展，需要建造能够跨越江河、海湾和山谷的，安全、经济且轻盈美观的大跨度桥梁。在我国，钢管混凝土已经被广泛地应用于拱桥结构中，也开始应用于斜拉桥结构中。在拱桥结构中，钢管混凝土构件主要用来承受轴向压力。拱桥的跨度很大时，拱肋将承受很大的轴向压力，采用钢管混凝土构件是非常合理的。另外，钢管可以作为桥梁安装架设阶段的劲性骨架和灌注混凝土的模板。因此，钢管混凝土被认为是建造大跨度拱桥的一种比较理想的复合结构材料。自1990年在四川省旺苍县建成跨度为115m的我国第一座钢管混凝土拱桥以来，在10来年的时间里，我国已经建成了100多座钢管混凝土拱桥，其中跨度在100m以上的就有30多座，尤其是重庆市万县长江公路大桥，跨度达到420m，一跨过江。经过多年的实践，我国在钢管混凝土拱桥建设上已经积累了丰富的经验，形成
了一套较为完整的钢管混凝土拱桥建造技术。近年来，在斜拉桥和梁式桥中也开始采用钢管混凝土结构，同样取得了良好的经济效益。例如，广东南海市紫洞大桥、湖北秭归县向家坝大桥和四川万县万洲大桥都采用了钢管混凝土空间桁架组合梁式结构，减轻了结构恒载，提高了结构承载力利用系数，同时采用与之相适应的、合理的施工工艺，简化了施工程序，减少了施工设备，加快了施工进度,
降低了工程造价。广东南海市紫洞大桥主桥采用钢管混凝土空间桁架组合梁式结构与采用预应力混凝土连续钢结构方案相比较，可以节省混凝土44%，节省预应力钢材62%，增加普通钢材23%。加上施工设备、临时设施和施工工期等方面的因素，主桥的经济效益就更为可观。钢管混凝土空间桁架组合梁式结构适用于多种桥型，如系杆拱桥结构、特大跨径斜拉桥结构、特大跨径悬索桥结构等，推广其应用必将带来显著的经济效益和社会效益。
3.1.5 多层、高层民用住宅建筑
近年来在多层、高层民用住宅建筑中也开始采用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒(剪)结构体系，造价低于钢筋混凝土框架体系。上海中福城和新疆库尔勒住宅楼采用钢管混凝土柱，柱中浇筑了混凝土，节省钢材，降低造价，且抗震性能优越。相信此结构在住宅建设中将有很大的竞争力，成为今后的一个发展点。
3.2 混凝土结构存在的问题和研究方向
3.2.1 高强度材料
采用高强混凝土可以减轻结构自重、降低工程造价。随着混凝土强度的提高，其延性下降，这阻碍了它在实际工程中的应用。将高强混凝土灌入钢管中形成高强钢管混凝土，由于受到钢管的约束作用，混凝土处于三向受压状态，其延性将大为提高，而其构件的承载力也得到了相应的提高。因此，高强钢管混凝土具有很大的发展潜力。
但高强度混凝土的配制较困难，目前，强度等级在C100以上的混凝土仍处于试验室阶段，高强钢管混凝土的力学性能与普通钢管混凝土有所不同，其设计不能套用普通钢管混凝土构件的设计公式。而我国现行的钢管混凝土设计施工规范和规程只适用于普通钢管混凝土结构，因此必须加大高强钢管混凝土的研究力度，尽快制定出相应的设计施工规范。另外，钢管混凝土在收缩、徐变、温度等影响下的材料自身性质还需做系统全面的研究。
3.2.2 节点性能
节点是结构设计中的关键部位，也是施工的难点。对于钢管混凝土节点，其合理与否直接关系到结构的安全性和整个工程的造价。钢管混凝土节点按材料分，有现浇钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱节点，钢梁与钢管混凝土柱节点；按梁柱间的弯矩传递情况来分，有刚接节点、铰接节点和弹性连接节点。目前，国内对于钢管混凝土节点静力性能的研究较多，而对于节点动力性能的研究报导还较少。
3.2.3 耐火性能的研究
我国还没有制定针对钢管混凝土结构的防火规定。对于已经建成的钢管混凝土结构，有的采用钢筋混凝土结构的要求外包混凝土，有的按照钢结构的要求涂防火材料，都没有统一规定和科学的依据。近年来，国内学者就钢管混凝土的耐火性能问题进行了研究，钢管混凝土防火设计理论已被成功地应用于赛格广场大厦钢管混凝土柱的防火设计中，取得了良好的经济效益和建筑效果；还应尽快编制出适合我国国情的钢管混凝土结构防火规范。
3.2.4 钢管混凝土结构体系抗震性能的研究
国内福州大学对钢管混凝土桩及钢筋混凝土柱的五层框架结构抗震性能进行了对比试验研究；并从理论上分析比较了两种结构的动力性能，得出了钢管混凝土框架结构的抗震性能明显优于钢筋混凝土框架结构的结论。但目前对钢管混凝土结构抗震性能的研究，主要还是集中在基本构件方面，而对于钢管混凝土整体结构的抗震性能的研究还不多。应开展这方面充分的研究，以提供合理的抗震设计参数，便于工程应用。钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土的耐疲劳性能和抗震性能需做进一步研究。
3.2.5 矩形钢管混凝土结构的研究
矩形钢管混凝土结构中，钢管对于其内部混凝土的约束作用相对较弱，但是它具有节点形式简单，便
于施工等优点。国外学者对矩形钢管混凝土结构已进行了大量的研究，制定了相应的设计规程，在工程应用上也取得了很大的进展。我国的矩形钢管混凝土结构的设计施工规程尚在制定中。
4 结束语
综上所述，与钢筋混凝土结构和钢结构相比，钢管混凝土结构是一种相对年轻的结构形式。但它突出优点更适合我国的国情，钢管混凝土能够适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而正被越来越广泛地应用于工业厂房、高层和超高层建筑、拱桥和地下结构中，并已取得良好的经济效益和建筑效果，是结构工程科学的一个重要发展方向。随着其理论研究的深入和完善，施工工艺的提高和高性能材料的应用，钢管混凝土也将继续广泛地用于各种建筑结构中。此外，近年来在多层、高层民用住宅建筑中也已开始采用钢管混凝土柱和钢梁组成的框筒(剪)结构体系，并且经济效益显著。
参考文献
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[3] 钟善桐.钢管混凝土构件的动力特性[J].建筑结构,1999
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[4] 周俐俐，张志强.钢管混凝土结构的现存问题和应用前景
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