鋼管混凝土在住宅建筑中的應(yīng)用
2009-10-29 00:00
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摘要：簡要介紹了鋼管混凝土的發(fā)展史和研究進(jìn)展及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用,闡述了鋼管混凝土在鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中應(yīng)用的特點(diǎn)及工程應(yīng)用,并對今后需要進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：鋼管混凝土 住宅建筑 多高層建筑 工程應(yīng)用 鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土后形成的構(gòu)件，它是在型鋼混凝土及螺旋配筋混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。鋼管混凝土利用鋼管和混凝土在受力過程中的相互作用使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，從而使混凝土的強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性性能大為改善; 同時(shí)由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，從而保證材料性能的充分發(fā)揮?？梢?，二者相互貢獻(xiàn)，協(xié)同互補(bǔ)，共同工作，提高了鋼管混凝土構(gòu)件的整體性，使其具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能好、施工方便、較好的耐火性能和良好的災(zāi)后可修復(fù)性以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。 1 鋼管混凝土的研究進(jìn)展 按照截面的形式，鋼管混凝土可分為圓鋼管混凝土（習(xí)慣稱為鋼管混凝土）、方鋼管混凝土、矩形鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等。最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程之一是1879年英國的Severn鐵路橋的橋墩，當(dāng)時(shí)在鋼管內(nèi)填充混凝土在承受壓力的同時(shí)也用來防止鋼管銹蝕。早期的研究不考慮鋼管及其核心混凝土之間的相互作用對構(gòu)件承載力的提高，只是對兩者進(jìn)行簡單地迭加。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)在受力過程中，由于鋼管對混凝土的約束作用使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，從而使混凝土的強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性性能大為改善; 同時(shí)由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，二者相互作用協(xié)同互補(bǔ)，提高了鋼管混凝土的整體性，使其具有一系列優(yōu)越的力學(xué)性能和先進(jìn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 對鋼管混凝土力學(xué)性能的研究存在各種不同的研究方法，如實(shí)驗(yàn)研究、實(shí)驗(yàn)系數(shù)回歸、極限狀態(tài)分析法、以及纖維模型法和有限元法等的數(shù)值解法[3-4]，它們的區(qū)別在于如何估算鋼管與核心混凝土之間的相互約束作用，這種約束作用的存在導(dǎo)致了其力學(xué)性能的復(fù)雜性。由于研究者們從不同角度對上述問題進(jìn)行研究，對鋼管和混凝土之間的緊箍效應(yīng)理解不同，因此所獲計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果就會(huì)有所出入。各國研究者分別對鋼管混凝土構(gòu)件在靜力、動(dòng)力、火災(zāi)作用下以及鋼管混凝土與鋼梁或鋼筋混凝土梁組成的框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究[1-4]。世界各國在有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上分別制訂了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程，如歐洲的EC4（1996）、DIN18800（1997），美國的ACI-319-89、SSLC（1979）、LRFD（1994），日本的AIJ（1980，1997）。我國是在上世紀(jì)60年代開始研究鋼管混凝土的，主要集中在鋼管中灌素混凝土，雖然起步較晚，特別是近十幾年取得了令人矚目的成就，已頒布了幾個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)程，如JCJ01-89、CECS28:90、DL/T5085-1999和GJB1029-2001。這些規(guī)程的制定，拉開了鋼管混凝土在我國建筑業(yè)中廣泛應(yīng)用的序幕。 2 鋼管混凝土在住宅中的應(yīng)用 20世紀(jì)60-80年代鋼管混凝土開始應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑。隨著理論研究的深入、設(shè)計(jì)規(guī)程的頒布和其自身具有的優(yōu)點(diǎn)，鋼管混凝土被越來越廣泛地應(yīng)用于單層和多層工業(yè)廠房柱、設(shè)備構(gòu)架柱、各種構(gòu)架、支架、棧橋柱、地鐵站臺(tái)柱、送變電桿塔、桁架壓桿、樁、空間結(jié)構(gòu)，近10年又被應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)、高層和超高層建筑中，特別是近2-3年，它被越來越多地應(yīng)用于住宅建筑中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和建筑效果。 2.1 鋼管混凝土在非住宅建筑中的應(yīng)用及特點(diǎn) 20世紀(jì)60年代，鋼管混凝土開始應(yīng)用于工業(yè)廠房。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1994年我國就有上百個(gè)單層、多層廠房或構(gòu)架柱工程采用鋼管混凝土柱，每根構(gòu)件的造價(jià)與鋼筋混凝土柱的相當(dāng)或有所降低，但截面明顯減少，施工周期縮短。鋼管混凝土廠房遍布全國各地，如上海三十一棉紡廠，大連造船廠船體裝配車間，武昌造船廠和中華造船廠船體結(jié)構(gòu)車間，太原鋼鐵公司三煉鋼連鑄車間等[2] 。鋼管混凝土在廠房中的應(yīng)用邁出了其在實(shí)際工程中應(yīng)用的第一步。 近十幾年，鋼管混凝土被廣泛地應(yīng)用于拱橋和空間桁架梁式橋梁結(jié)構(gòu)中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截止1999年，我國共建造鋼管混凝土拱橋一百多座，鋼管混凝土勁性骨架拱橋10余座。與此同時(shí)，鋼管混凝土在我國高層和超高層建筑中的應(yīng)用發(fā)展很快，經(jīng)歷了由局部柱子采用，到大部分柱子采用，最后發(fā)展到全部柱子采用的過程。其中局部采用鋼管混凝土柱子的高層建筑有：福建泉州市郵電局大樓（高87.5m）、福建南安郵局大廈、福州環(huán)球廣場、廣州好世界廣場(116.3m)、北京四川大廈、福建省政府屏山綜合樓二區(qū)；大部分柱子采用的有：廈門阜康大廈(86.5m)、北京世界金融中心大廈(120m)、廣州新中國大廈(201.8m)、深圳市郵電信息中心大廈、天津工商銀行辦公大樓；全部柱子采用的有：廈門金源大廈（96.1m）、天津今晚報(bào)大廈（137m）、深圳賽格廣場大廈（291.6m）、上海陸海工程（84.7m）等。其中深圳賽格廣場大廈獲得2000年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，這是我國自行設(shè)計(jì)、自己加工制造自己施工并全部采用國產(chǎn)鋼材、自行投資的第一個(gè)組合結(jié)構(gòu)高層建筑。鋼管混凝土在橋梁及高層建筑中的應(yīng)用邁出了其在實(shí)際工程中應(yīng)用的第二步。 [Page] 近十年，鋼管混凝土被應(yīng)用于疊合柱。隨著對鋼管混凝土理論研究的深入和工程應(yīng)用的日益廣泛，提高鋼管混凝土的抗火性能和核心高強(qiáng)混凝土的脆性等問題成為迫切需要解決的問題。目前，解決這一問題主要有兩種方法：其一是通過在鋼管內(nèi)填充配筋混凝土或鋼纖維混凝土來解決鋼管混凝土的脆性問題，通過在鋼管外表面噴吐防火涂料來解決鋼管混凝土的抗火問題；其二是采用疊合柱。疊合柱是將鋼管混凝土布置在柱的核心，外面再包圍灌澆一圈鋼筋混凝土所形成的鋼管、管內(nèi)素混凝土和管外鋼筋混凝土三種材料組合的組合柱[5]。疊合柱由于外包混凝土，所以其防火、耐腐性較好，同時(shí)，因總軸力的相當(dāng)大部分由核心內(nèi)鋼管混凝土承擔(dān)，外圍混凝土分擔(dān)（按豎向剛度比分配）的軸壓力小，因此軸壓比也較小，具有良好的延性。目前，遼寧地區(qū)采用疊合柱結(jié)構(gòu)的工程有：沈陽日報(bào)大廈（105m）、遼寧省郵政樞紐（96.6m）、遼寧物產(chǎn)大廈(100m)、沈陽和泰大廈(75.6m)、沈陽和平區(qū)地稅局(76.8m)、沈陽電力花園雙塔(110m)、沈陽方圓大廈(99.8m)、沈陽富林廣場(125m)、大連邊業(yè)銀行大廈(200m)[5]。鋼管混凝土在疊合柱中的應(yīng)用邁出了其在實(shí)際工程中應(yīng)用的第三步。 2.2 鋼管混凝土在住宅中的應(yīng)用特點(diǎn)及其應(yīng)用 一方面是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)自身具有科技含量較高,利于環(huán)境保護(hù),且可再生利用等優(yōu)點(diǎn)，另一方面是由于我國鋼產(chǎn)量大幅度增加，世界鋼產(chǎn)量日趨飽和，鋼材價(jià)格隨之下降，所以近年來我國開始大力推廣鋼結(jié)構(gòu)，鼓勵(lì)采用鋼結(jié)構(gòu)。建設(shè)部等部門也為此制定了加速推廣建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展和應(yīng)用的目標(biāo), 確定"十五"期間以推廣住宅鋼結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)，力爭在"十五"期間使我國建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)到全國鋼材總產(chǎn)量的3%,到2015年達(dá)到6%[6]。住宅建筑歷來居建筑業(yè)首位，所以在住宅建筑中推廣鋼結(jié)構(gòu)勢在必行。 住宅鋼結(jié)構(gòu)，有低層、多層和高層之分。3層以下為低層，9層以下為多層， 9層以上為高層，10～12層又稱小高層。住宅鋼結(jié)構(gòu),考慮抗震要求，一般不宜超過12層，同時(shí)又由于我國人口眾多,土地資源相對不足，城市住宅需求量迅速增長,所以宜發(fā)展多層和小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，但在人口密度大的城市，仍然是以高層為主。住宅鋼結(jié)構(gòu),具有柱子用量少, 室內(nèi)有效使用空間大，房屋空間布置靈活，結(jié)構(gòu)性能好等優(yōu)點(diǎn)。它所選擇的結(jié)構(gòu)體系一般是：5～6層以下，框架體系或框架-支撐體系；6層以上，框架-支撐體系或框架-混凝土剪力墻（核心筒）體系；多層，大多采用雙重體系。鋼結(jié)構(gòu)住宅采用的框架柱有H型鋼柱，鋼管砼柱和鋼骨砼柱，后兩種為組合柱。在小高層建筑中，組合柱比H型鋼柱省鋼，進(jìn)而也就可以降低工程造價(jià)，但是，鋼骨砼柱的施工較鋼管混凝土柱施工復(fù)雜，因此，在住宅鋼結(jié)構(gòu)中推廣鋼管混凝土勢在必行。 我國在上海、天津、遼寧、新疆等地分別興建了一些以鋼管混凝土作為框架柱的鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)工程，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國的發(fā)展歷程。眾所周知，上海人口密度大，土地資源寶貴，因此，上海的試點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)住宅多選用高層。而天津、遼寧、新疆等地人口密度相對較小，所以多選用了小高層和多層。表1列出了這些地區(qū)在高層住宅中采用鋼管混凝土作為框架柱的鋼結(jié)構(gòu)部分工程情況[7-10]。鋼管混凝土在住宅建筑中的應(yīng)用邁出了其在實(shí)際工程應(yīng)用的第四步，這一步的邁進(jìn)意義重大，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了由高層到小高層、多層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展，為其大量的應(yīng)用開辟了新局面。 表1 高層住宅中采用鋼管混凝土的部分工程
3 結(jié)論與展望 鋼管混凝土在我國的發(fā)展只有幾十年的歷史，但發(fā)展速度非常快，如今，已廣泛地應(yīng)用到各個(gè)工程領(lǐng)域。尤其是它在住宅中的應(yīng)用，使其由高層建筑中的應(yīng)用過渡到小高層、多層建筑中的應(yīng)用，為其發(fā)展創(chuàng)造了廣闊空間。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)前20年，我國每年需新建住房4.86-5.49億平方米，后30年每年需新建住房5.76億平方米。今后50年住宅建設(shè)將成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)新的增長點(diǎn)和消費(fèi)熱點(diǎn)。因此，鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展有著廣闊的空間，鋼管混凝土在住宅中的應(yīng)用有著廣闊的前景。所以，有必要對鋼管混凝土做進(jìn)一步的研究。今后應(yīng)該做好以下幾個(gè)方面的工作: (1) 在防火設(shè)計(jì)方面，要簡化鋼管混凝土防火極限的設(shè)計(jì)方法，制定鋼結(jié)構(gòu)(鋼管混凝土結(jié)構(gòu))住宅建筑的防火設(shè)計(jì)規(guī)范。只有這樣，才能有助于推廣鋼管混凝土在住宅建筑中的應(yīng)用。 (2) 加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)（鋼管混凝土）住宅建筑在火災(zāi)后的殘余力學(xué)性能評估與災(zāi)后的維修、加固措施的研究。 (3) 鋼結(jié)構(gòu)住宅的關(guān)鍵在于外墻板的價(jià)格、質(zhì)量、防水、耐久性及接縫的處理等。目前雖然有的墻板各個(gè)方面性能比較好，但價(jià)格較高，開發(fā)商和住戶無法接受，所以暫時(shí)還無法大力推廣。因此，我們應(yīng)該大力開發(fā)價(jià)廉物美、輕質(zhì)高強(qiáng)且具有耐久性的外墻板與相應(yīng)的配套構(gòu)件。 (4) 結(jié)合實(shí)際工程，進(jìn)一步完善鋼結(jié)構(gòu)（鋼管混凝土）住宅建筑的設(shè)計(jì)理論、不同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)程，盡快編制各類構(gòu)件的配套圖集。 此外，鋼結(jié)構(gòu)住宅對施工隊(duì)伍的施工技術(shù)要求比較高，而國內(nèi)大部地區(qū)主要進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的施工建設(shè)，因此應(yīng)該加強(qiáng)對鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)施工隊(duì)伍的培訓(xùn)，進(jìn)一步促進(jìn)鋼管混凝土在住宅中的發(fā)展與應(yīng)用。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 原作者： 楊尚進(jìn) 李明 姜紹飛 |
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