魏帥，任偉，陳強(qiáng)

（西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，昆明 云南 650000）

0 前 言

鋼和混凝土是高層建筑中最主要的兩種材料，現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的不斷創(chuàng)新，在很大程度上取決于這兩種材料性能的不斷改善和提高[1]。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人口的增長(zhǎng)及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，造成了建設(shè)用地日趨緊張的局面，促使城市建設(shè)不斷向高空發(fā)展，建筑高度不斷被刷新。由于早期的混凝土材料強(qiáng)度有限，且自重大，抗拉、抗剪性能較差，所以早期的高層建筑均是采用鋼結(jié)構(gòu)體系[2]。作為高層建筑發(fā)展史上的第一個(gè)里程碑式事件，美國(guó)在1931年建成的帝國(guó)大廈（高381m、102層）就是采用的鋼結(jié)構(gòu)類型。我國(guó)早期的高層建筑也都是采用鋼結(jié)構(gòu)類型，如1934年建成的上海國(guó)際飯店（高82.5m、24層）就是鋼結(jié)構(gòu)類型。一直延續(xù)到上世紀(jì)80年代末，世界上所建成的高層及超高層建筑大多均是采用鋼結(jié)構(gòu)類型。

鋼材以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、材料均勻性好、具有良好的塑性特點(diǎn)而被作為一種結(jié)構(gòu)類型并廣泛使用[3]。但是，采用純鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑在達(dá)到一定高度時(shí)，不得不面臨整體剛度不足、抗側(cè)移能力差的問(wèn)題，即使增加支撐結(jié)構(gòu)和減震系統(tǒng)也無(wú)法避免在強(qiáng)風(fēng)和地震作用下頂部產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)和搖晃。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)耐高溫性能差也是至今未能解決的一大難題，這將對(duì)高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的安全產(chǎn)生威脅，紐約的世貿(mào)中心就是由于飛機(jī)撞擊后燃料爆炸產(chǎn)生高溫引起的建筑倒塌[4]。

既然純鋼結(jié)構(gòu)已不能很好的滿足建造高層、超高層建筑的需要，那么就需要尋求一種性價(jià)比高于純鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型，這種結(jié)構(gòu)類型不但可以有效改善純鋼結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)，而且還要具有足夠好的經(jīng)濟(jì)性。這時(shí)已被應(yīng)用多年的混凝土材料再次出現(xiàn)在研究人員的眼前，此時(shí)的混凝土材料性能已有巨大的提升，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及抗風(fēng)、抗震性能得到很大的提高，從而讓混凝土結(jié)構(gòu)用于高層及超高層建筑成為可能[5]。作為高層建筑發(fā)展史上的第二個(gè)里程碑式事件，美國(guó)于1976年建成的芝加哥水塔廣場(chǎng)大廈（高262m、74層），證明了混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層建筑的可行性。目前，世界上最高的建筑，位于阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)迪拜市的高828m的哈利法塔以及我國(guó)第一高、世界第三高的上海中心大廈都是采用混凝土結(jié)構(gòu)。

但是，隨著建筑高度及建筑層數(shù)的增加，若采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，則必然要增大柱的截面尺寸，形成抗震性能差的短柱形式，而且大尺寸的柱子占據(jù)了大量的空間，降低了建筑的空間利用率。正是基于上述原因，研究人員提出了鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的概念，充分利用鋼與混凝土各自的材料特性，將兩種材料組合，從而形成一些創(chuàng)新高能的結(jié)構(gòu)體系。

1 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)是在普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中加入型鋼材料，使型鋼和鋼筋混凝土二者形成組合體協(xié)同工作共同抵抗荷載的一種結(jié)構(gòu)類型。它是鋼與混凝土組合的一種新型結(jié)構(gòu)。與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，這種新型組合結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度及變形能力均得到大幅提高，結(jié)構(gòu)的抗震性能也相應(yīng)增強(qiáng)；若將其應(yīng)用于高層建筑中可以得到更好的適用性，采用鋼骨混凝土構(gòu)件可以有效減小構(gòu)件的截面尺寸、增大建筑物的使用空間，同時(shí)也會(huì)減小構(gòu)件在荷載作用下的變形[6]。

歐美國(guó)家在建筑、橋梁、公路設(shè)施、地下工程中對(duì)鋼骨混凝土均有應(yīng)用。在日本，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)已與木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)一起被稱為四大結(jié)構(gòu)類型。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)也展開了研究，并將其應(yīng)用于工程實(shí)踐，如上海金茂大廈外圍的8根巨型柱（1.50m×4.88m）就是鋼骨混凝土柱，而且這類建筑中的部分剪力墻也采用了鋼骨混凝土。

2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用

鋼管混凝土是以圓形薄壁鋼管作為混凝土澆筑時(shí)的模板，將混凝土灌注入鋼管內(nèi)而形成的鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)類型。由于薄壁鋼管穩(wěn)定性差，通過(guò)內(nèi)注混凝土可以有效提高薄壁鋼管的穩(wěn)定性；同時(shí)在鋼管的作用下，核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，增強(qiáng)了對(duì)混凝土的約束作用，使核心混凝土具有更大的抗壓強(qiáng)度。相比同種情況下的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，此種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、塑性及抗震性能均有提高。同時(shí)，鋼管作為勁性材料，就相當(dāng)于普通混凝土的模板，省去了支、拆模工作，而且鋼管制作簡(jiǎn)便，工廠加工易于保證質(zhì)量[7]。它與鋼骨混凝土相比，除了具有輕質(zhì)高強(qiáng)、塑性好、抗震性能優(yōu)越等特點(diǎn)外，還具有省工節(jié)料等特性[8］。在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中適合采用高強(qiáng)混凝土材料。在豎向荷載作用于構(gòu)件時(shí)，管中混凝土承受主要荷載，外圍約束鋼管只起輔助受力的作用。混凝土是一種性質(zhì)特殊的材料，當(dāng)強(qiáng)度越大時(shí)，對(duì)應(yīng)其脆性也越大，正是這一特性限制了超高強(qiáng)混凝土材料應(yīng)用于震區(qū)普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。但是，若將其用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土脆性隨強(qiáng)度增大而增大的特性可以得到有效抑制，充分發(fā)揮其抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，所以若在震區(qū)建造高層建筑時(shí)采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，將體現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。

隨著對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，研究人員又提出采用方形薄壁鋼管取代傳統(tǒng)的圓形薄壁鋼管。所謂方鋼管混凝土，就是采用方形薄壁鋼管作為外套筒，向其內(nèi)注入素混凝土并振搗而形成的一種組合構(gòu)件。方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)所不具有的優(yōu)勢(shì)[9]，例如：方鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便；構(gòu)件之間的交貫線在相同平面內(nèi)；在相同條件下，方鋼管混凝土構(gòu)件相比圓鋼管混凝土構(gòu)件，擁有更大的截面慣性矩，穩(wěn)定性更好；方鋼管混凝土單柱承載力高，可以增大柱網(wǎng)尺寸，滿足不同使用功能要求；方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件外形規(guī)則，有利于梁柱之間的連接，避免了圓鋼管混凝土構(gòu)件由于截面形式特殊所造成的施工難度增加。

正是因?yàn)榫哂猩鲜鰞?yōu)點(diǎn)，從1897年John Lally在鋼管中填充混凝土用作房屋的承重柱（稱為L(zhǎng)aiiy柱）并獲得專利起，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用已有大約120年的歷史[10]。由于鋼管混凝土具有優(yōu)越的物理力學(xué)性能，一出現(xiàn)就受到了歐美、蘇聯(lián)及日本等國(guó)工程界的重視，圍繞其開展了大量的研究工作，并在一些工業(yè)廠房、居住建筑以及橋梁等工程中加以應(yīng)用。至20世紀(jì)90年代初，由于泵送混凝土施工工藝的發(fā)展，有效解決了大型鋼管內(nèi)混凝土的澆筑問(wèn)題，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)再次興起，并迅速取代了傳統(tǒng)的鋼柱結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是高層建筑結(jié)構(gòu)的又一次重大飛躍[11]。從20世紀(jì)60年代起，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)開始在我國(guó)的一些特殊領(lǐng)域中使用。但是，由于施工技術(shù)的落后，工程質(zhì)量得不到保證，此結(jié)構(gòu)未能大規(guī)模推廣。直到20世紀(jì)90年代，由于灌注混凝土施工工藝的進(jìn)步，解決了大型鋼管內(nèi)灌注混凝土不均勻、氣泡多的問(wèn)題，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)有了大量的工程應(yīng)用。福建省泉州市郵電大廈（高87.5m，16層）是我國(guó)第一個(gè)局部采用鋼管混凝土柱的高層建筑。此外，采用局部鋼管混凝土柱的高層建筑還有北京世界金融中心大廈（高156m，總建筑層36層，地上33層）、深圳郵電信息樞紐中心大廈（高180m，總建筑層51層，地上48層）及廈門阜康大廈（高86.5m，25層）等，采用全部鋼管混凝土柱的高層建筑有天津今晚報(bào)大廈（高168m，主塔樓結(jié)構(gòu)層40層）、深圳賽格廣場(chǎng)大廈（高345.8m，總建筑層79層，地上75層）、廈門金源大廈（高96m，28層）等。

3 鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用

鋼管高強(qiáng)混凝土組合結(jié)構(gòu)是將薄壁鋼管布置在構(gòu)件的核心處，向內(nèi)注素混凝土，外面再綁扎鋼筋骨架，支護(hù)模板，澆筑混凝土，從而形成由管內(nèi)混凝土、鋼管、管外混凝土和鋼筋4種材料組成的組合構(gòu)件。其中，管內(nèi)混凝土和管外混凝土可采用不同強(qiáng)度等級(jí)。一般情況下，高強(qiáng)度混凝土多用于管內(nèi)，為避免開裂，外層混凝土多采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)C50的混凝土材料。根據(jù)管內(nèi)外混凝土澆筑時(shí)間的不同，將鋼管高強(qiáng)混凝土分為兩類：一類是管內(nèi)外混凝土同時(shí)澆筑，稱為鋼管混凝土核心構(gòu)件；另一類是管內(nèi)外混凝土不同時(shí)澆筑（此時(shí)應(yīng)先澆筑管內(nèi)混凝土，當(dāng)管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到總軸向力的0.25～0.5時(shí)，再澆筑管外混凝土），稱為鋼管混凝土疊合構(gòu)件。下面將重點(diǎn)分析鋼管混凝土疊合構(gòu)件所具有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

利用不同期澆筑混凝土產(chǎn)生的時(shí)間差來(lái)組合截面就稱為疊合。如前所述，先對(duì)構(gòu)件的管內(nèi)部分混凝土進(jìn)行澆筑，待管內(nèi)部分具有一定強(qiáng)度時(shí)再對(duì)管外部分混凝土進(jìn)行澆筑。從結(jié)構(gòu)受力角度分析，先期施工的管內(nèi)混凝土和鋼管共同承擔(dān)早期施工荷載，產(chǎn)生早期應(yīng)變，然后澆筑管外鋼筋混凝土部分，待管外混凝土具有一定強(qiáng)度后，內(nèi)外一起形成組合截面共同受力，疊合后施加上的荷載，總荷載將按照組合截面上內(nèi)外混凝土的豎向剛度比進(jìn)行重分配，全部荷載由組合截面共同承擔(dān)。由于管內(nèi)部分已全部承擔(dān)先期荷載，而且設(shè)計(jì)時(shí)有意識(shí)的加大了管內(nèi)部分的豎向剛度比，從而管內(nèi)部分承受的總軸向力比重大為增加，外層混凝土分擔(dān)的軸向力減小，進(jìn)而有效控制了截面外邊緣處壓應(yīng)變，達(dá)到減小截面尺寸、增大建筑物使用空間的目的。所以，鋼管混凝土疊合構(gòu)件的理論就是通過(guò)改變軸向力和彎矩在截面上的分布，從而減小截面邊緣的壓應(yīng)變，從而達(dá)到減小截面尺寸的目的[12]。撫順萬(wàn)隆商務(wù)公寓（高104.2m、28層）采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，屬于接層工程，原有建筑只建到了12層，從13層開始接層，為了減小柱截面尺寸，增大建筑物的使用空間，在設(shè)計(jì)中就采用了鋼管高強(qiáng)混凝土組合結(jié)構(gòu)[13]。廣州新中國(guó)大廈（高156m，總建筑層數(shù)48層，地上43層）最大單柱荷載超萬(wàn)噸，為了減小柱截面尺寸、增大建筑物的使用空間，在設(shè)計(jì)上采用了鋼管高強(qiáng)混凝土組合結(jié)構(gòu)[14]。

通過(guò)以上分析可知，鋼管高強(qiáng)混凝土組合結(jié)構(gòu)相比鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)[15]：

①鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)將鋼管置于構(gòu)件核心處，外圍綁扎鋼筋骨架，這樣的構(gòu)造形式減少了鋼材用量，從而降低工程造價(jià)；結(jié)構(gòu)中混凝土分為管內(nèi)外兩部分，管內(nèi)部分可用超高強(qiáng)混凝土提高構(gòu)件的抗壓能力，達(dá)到減小構(gòu)件截面尺寸的目的。

②鋼管高強(qiáng)混凝土構(gòu)件核心處混凝土受到鋼管和管外鋼筋混凝土的雙重約束，使核心處混凝土的脆性得到有效抑制，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度，在核心處使用更高強(qiáng)混凝土提供了可能。

③鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度更大，采用此種結(jié)構(gòu)類型可以提高建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小建筑在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)及地震時(shí)的側(cè)向變形，應(yīng)用于高層及超高層建筑時(shí)可有效提高建筑的安全性。

鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用，發(fā)展了高層及超高層建筑的設(shè)計(jì)理論，使一些設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。由于這種結(jié)構(gòu)契合了我國(guó)人口增長(zhǎng)、建筑用地短缺的現(xiàn)狀，所以必將在我國(guó)的建筑行業(yè)中大放異彩。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)異性能，在高層建筑工程中愈發(fā)顯現(xiàn)出優(yōu)越性，促進(jìn)了高層建筑的發(fā)展，今后應(yīng)將其作為高層建筑研究的重要方向。隨著研究的不斷深入和工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累以及新型鋼與混凝土的組合形式的出現(xiàn)，必將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)高層建筑的發(fā)展。同時(shí)也為鋼材在建筑行業(yè)的應(yīng)用提供了新的途徑，必將能對(duì)當(dāng)前鋼材市場(chǎng)萎靡的現(xiàn)狀產(chǎn)生積極作用。

[1]薛建陽(yáng).鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.

[2]趙西安.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[3]陳東鋼.淺談鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)[J].陜西綜合經(jīng)濟(jì)，2008（5）.

[4]林立巖，李慶鋼.混凝土與鋼的組合促進(jìn)高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（5）.

[5]陳肇元.高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[6]白國(guó)良，秦福華.型鋼鋼筋混凝土原理與設(shè)計(jì)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2000.

[7]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[8]蔡紹懷.我國(guó)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報(bào)，1999（3）.

[9]初文榮，王汝恒，郭文.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及存在的問(wèn)題[J].山西建筑，2006（6）.

[10]陳忠漢，胡夏閩.組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[11]趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[12]林立巖.鋼管混凝土疊合柱[J].工程力學(xué)，2000（1）.

[13]孫田文.鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱的施工方法[J].工程質(zhì)量，2006，（3）.

[14]劉文格，蔡長(zhǎng)庚.鋼管混凝土柱在高層建筑中的應(yīng)用[A].第十七屆全國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文[C].2002.

[15]林立巖.以鋼管混凝土為核心的高強(qiáng)混凝土疊合柱[A].第三屆中日建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)交流論文集[C].1997.