超高層建筑中的鋼管混凝土
關(guān)鍵詞： 高層 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鋼管砼
隨著建筑科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近20年來(lái)又推出了第五種結(jié)構(gòu)類型，即全新的鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)。該種新型建筑結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的材料特性及優(yōu)點(diǎn)，按其組合方式又可分為：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼－混凝土組合梁、外包鋼組合結(jié)構(gòu)和勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等四種。它們的共同特點(diǎn)是：施工簡(jiǎn)便、工期短、結(jié)構(gòu)性能好且大大節(jié)約建筑材料。
鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)之一的鋼管混凝土（即鋼管砼－CFST），就是在鋼管中充填素混凝土制成的建筑構(gòu)件。它具有承載力高、抗震性能好、節(jié)約鋼材和施工簡(jiǎn)捷等突出優(yōu)點(diǎn)，因而在高層和超高層建筑中得到了日益廣泛的應(yīng)用。其推廣與發(fā)展的速度十分迅猛，并將成為二十一世紀(jì)高層和超高層建筑群最為實(shí)用和主要的結(jié)構(gòu)形式。
一、鋼管砼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
鋼管砼在高層建筑工程中，主要是作為受壓管柱的建筑構(gòu)件使用，與鋼梁和梁柱節(jié)點(diǎn)等共同構(gòu)成建筑物的框架結(jié)構(gòu)體系。
鋼管砼柱因其結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)具備了鋼管和混凝土兩種材料的性質(zhì)。即管柱外部包裹鋼管材料，管柱內(nèi)部充填混凝土材料，因鋼管壁對(duì)管內(nèi)混凝土形成的剛性拘束作用，防止了管內(nèi)混凝土的脆性破壞。實(shí)驗(yàn)和理論分析證明，鋼管混凝土在軸向壓力作用下，鋼管的軸向和徑向受壓而環(huán)向受拉，混凝土則三向皆受壓，鋼管和混凝土皆處于三向應(yīng)力狀態(tài)。三向受壓的混凝土抗壓強(qiáng)度大大提高，同時(shí)塑性增大，其物理性能上發(fā)生了質(zhì)的變化，由原來(lái)的脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧?。正是這種結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的根本變化，決定了鋼管砼的基本性能和特點(diǎn)，并作為新型的第五種建筑組合結(jié)構(gòu)顯示出巨大的生命力和發(fā)展前景。
在高層建筑中，鋼管砼的特征與優(yōu)勢(shì)如下：
1、鋼管砼柱的抗壓和抗剪承載力高，相當(dāng)于鋼管和混凝土二者之和的2倍以上；
2、鋼管砼柱截面比鋼筋混凝土柱可減少60%以上，輪廓尺寸也比鋼柱小，擴(kuò)大了建筑物的使用空間和面積；
3、柱子截面減小，自重減小，有利于結(jié)構(gòu)抗震，相當(dāng)于設(shè)防烈度下降一級(jí)；
4、鋼管砼柱自重減少，減輕了地基承受的荷載，相應(yīng)降低了地基基礎(chǔ)造價(jià)；
5、鋼管壁薄便于選材、制造與現(xiàn)場(chǎng)焊接，是施工最為快捷的建筑結(jié)構(gòu)；
6、鋼管砼柱內(nèi)的混凝土可大量吸收熱能，其耐火性優(yōu)于鋼柱，從而比鋼柱可節(jié)省耐火涂料50%以上；
7、鋼管砼具有的核心混凝土三向受壓特性，利于剛剛問(wèn)世的C60～80高強(qiáng)度混凝土安全可靠地推廣應(yīng)用。
由于上述各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，采用鋼管砼柱時(shí)可節(jié)省大量的建筑材料，且素混凝土無(wú)須振搗，施工方便，工期短。根據(jù)計(jì)算，與鋼筋混凝土柱相比，可節(jié)約混凝土60~70%，同時(shí)降低造價(jià)。若與全鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱相比，則可節(jié)約鋼材50%，其工程造價(jià)也可降低45%。
在高層建筑設(shè)計(jì)中，鋼管砼柱可以僅控制長(zhǎng)細(xì)比而不必限制軸壓比。此外因其整體性能好，還克服了普通鋼結(jié)構(gòu)鋼柱存在的局部失穩(wěn)的缺點(diǎn)。因此，與鋼筋混凝土柱相比，截面設(shè)計(jì)可以減少60%以上。
例如，北京國(guó)際貿(mào)易中心塔樓的原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由美國(guó)提供，采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土柱的截面設(shè)計(jì)尺寸為2200×2200mm，十分龐重。后改用了國(guó)內(nèi)的鋼管混凝土設(shè)計(jì)方案后，鋼管砼柱的截面僅為φ1400×30mm，截面面積減少了2／3。
全國(guó)聞名的深圳賽格廣場(chǎng)大廈，采用了鋼管砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其鋼管砼柱最大截面僅為φ1600×28mm，若用鋼筋混凝土柱，截面則應(yīng)為2400×2200mm，柱截面面積減少了63%，粗略估算使整個(gè)大廈增加了使用面積八千多平方米。
顯然，采用鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑，其經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。
二、鋼管混凝土的發(fā)展前景與工程應(yīng)用
我國(guó)在鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用方面，一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位。1988年創(chuàng)立的"國(guó)際鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)合作研究協(xié)?quot;，其首屆與第二屆主席，即由我國(guó)的中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)鋼協(xié)鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)、博士及博士后導(dǎo)師、著名的建筑鋼結(jié)構(gòu)專家和學(xué)者、哈爾濱建筑大學(xué)鐘善桐教授擔(dān)任?，F(xiàn)已82歲高齡的鐘善桐教授，至今仍擔(dān)任著該國(guó)際學(xué)術(shù)組織的名譽(yù)主席。
與此同時(shí)，鐘善桐教授居世界領(lǐng)先創(chuàng)立了"統(tǒng)一理論"，并將其應(yīng)用于鋼管混凝土的理論研究與工程設(shè)計(jì)方面，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)演變成一個(gè)完整和獨(dú)立的建筑新學(xué)科。在此基礎(chǔ)上，提出了一整套設(shè)計(jì)公式，并就鋼管混凝土柱及節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)編了CFST軟件，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。
鋼管混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用，最早見(jiàn)于19世紀(jì)80年代，曾用作橋墩，以后漸漸用于建筑物支柱的建造，并且其用途日益拓寬。
20世紀(jì)50年代始，前蘇聯(lián)、美國(guó)、日本和歐州部分先進(jìn)國(guó)家對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并在一些房屋建筑和橋梁工程中得到應(yīng)用。
我國(guó)鋼管混凝土的研究開(kāi)發(fā)始于60年代中期，首例應(yīng)用為北京的地鐵工程，并成功地用于"北京站"和"前門站"站臺(tái)柱的建造，之后環(huán)線地鐵工程的站臺(tái)柱全部采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。70年代以后，我國(guó)的鋼管混凝土逐漸應(yīng)用于單層和多層工業(yè)廠房、高爐和鍋爐構(gòu)架、送變電構(gòu)架及各種支架結(jié)構(gòu)中，建成的建設(shè)工程超過(guò)百項(xiàng)。
80年代初，日本率先采取了先進(jìn)的泵送混凝土施工方法，成功地解決了進(jìn)行鋼管柱的混凝土澆灌復(fù)雜工藝問(wèn)題，既保證了工程質(zhì)量，又降低了工程造價(jià)，從而促使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。日本、澳大利亞和美國(guó)等國(guó)相繼建成了一些鋼管混凝土的高層建筑和拱橋。
80年代末至90年代，我國(guó)的鋼管混凝土工程應(yīng)用也進(jìn)入成熟階段，并居世界前列將其拓展為公路與城市拱橋和高層與超高層建筑的兩大工程應(yīng)用領(lǐng)域。近10年來(lái)，我國(guó)達(dá)百米和超過(guò)百米的鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑已有20多座。其中最高的是深圳72層的賽格廣場(chǎng)大廈，結(jié)構(gòu)高度291.6米，堪稱世界之最。
至20世紀(jì)末，鋼管混凝土無(wú)論是理論研究還是工程應(yīng)用，我國(guó)均已處于世界前列。
三、鋼管砼在高層建筑中應(yīng)用的典型實(shí)例
● 澳大利亞墨爾本的聯(lián)邦中心大廈
這是澳大利亞第一次采用鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑物, 鋼管砼管柱50×8~16mm，為一座46層的辦公大樓，于1991年建成。
● 美國(guó)西雅圖的聯(lián)合廣場(chǎng)大廈
這是一座58層、高220米的的建筑物，在核心筒中采用四根φ3050mm鋼管砼管柱，建筑物的用鋼量?jī)H為58公斤/平方米，于80年代末建成。
● 美國(guó)西雅圖的太平第一中心大廈
這是一座44層高的建筑物，在核心筒中采用八根φ2300mm鋼管砼管柱，周邊采用φ760mm鋼管砼管柱，于90年代初建成。與全鋼結(jié)構(gòu)相比，該建筑物大致節(jié)約一半鋼材左右。
● 日本琦玉縣雄師廣場(chǎng)高層住宅樓
這是日本第一座最高的采用鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑，設(shè)計(jì)55層、高185.8米，于1998年建成。
●中國(guó)福建泉州市郵局大樓等15座高層建筑
中國(guó)福建泉州市的郵局大樓，是我國(guó)第一座采用鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑，16層，高87.5米，于1992年建成。隨后的短短的數(shù)年里，國(guó)內(nèi)采用鋼管砼結(jié)構(gòu)先后建成了二十幾幢高層建筑，主要有：
廈門阜康大廈，25層，高86.5米，1994年建成；
廈門金源大廈，地下水層，30層，高96米，1995建成；
廣州好世界廣場(chǎng)，地下3層，地上22層，高116.3米,1995年建成；
天津工商銀行辦公大樓,地下2層，地上36層,高125.5米,1996年建成;
福州環(huán)球廣場(chǎng)，地下3.5層，地上38層，1997年建成；
福州僑益大廈，地下2層，地上32層，高115.7米，1997年建成；
天津今晚報(bào)大廈,地下2層，地上38層,高137米,1997年建成;
北京世界金融中心大廈，地下3層，地上33層,高156米,1998年建成;
深圳郵電信息樞紐中心大廈,地下3層，地上48層,高180米,1998年建成;
廣州新中國(guó)大廈,地下5層,地上43層，高200米,1999年建成;
重慶環(huán)球廣場(chǎng)大廈，地下2層，地上31層，高110.6米，1998年建成；
昆明邦克大廈，地下3層，地上36層，高126.1米，1998年建成；
重慶世界貿(mào)易中心，地下5層，地上55層，高210米，1999年建成；
深圳賽格廣場(chǎng)大廈,地下4層，地上72層,高291.6米,1999年建成。
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