魏帥，任偉，陳強

（西南林業(yè)大學土木工程學院，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，現代高層建筑結構設計理論的不斷創(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]。

隨著社會經濟的不斷發(fā)展，人口的增長及城市化進程的推進，造成了建設用地日趨緊張的局面，促使城市建設不斷向高空發(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構體系[2]。作為高層建筑發(fā)展史上的第一個里程碑式事件，美國在1931年建成的帝國大廈（高381m、102層）就是采用的鋼結構類型。我國早期的高層建筑也都是采用鋼結構類型，如1934年建成的上海國際飯店（高82.5m、24層）就是鋼結構類型。一直延續(xù)到上世紀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構類型。

鋼材以結構強度大、材料均勻性好、具有良好的塑性特點而被作為一種結構類型并廣泛使用[3]。但是，采用純鋼結構的高層建筑在達到一定高度時，不得不面臨整體剛度不足、抗側移能力差的問題，即使增加支撐結構和減震系統(tǒng)也無法避免在強風和地震作用下頂部產生過大的振動和搖晃。同時，鋼結構耐高溫性能差也是至今未能解決的一大難題，這將對高層建筑發(fā)生火災時人員的安全產生威脅，紐約的世貿中心就是由于飛機撞擊后燃料爆炸產生高溫引起的建筑倒塌[4]。

既然純鋼結構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比高于純鋼結構的結構類型，這種結構類型不但可以有效改善純鋼結構存在的缺點，而且還要具有足夠好的經濟性。這時已被應用多年的混凝土材料再次出現在研究人員的眼前，此時的混凝土材料性能已有巨大的提升，結構的強度及抗風、抗震性能得到很大的提高，從而讓混凝土結構用于高層及超高層建筑成為可能[5]。作為高層建筑發(fā)展史上的第二個里程碑式事件，美國于1976年建成的芝加哥水塔廣場大廈（高262m、74層），證明了混凝土結構應用于高層建筑的可行性。目前，世界上最高的建筑，位于阿拉伯聯合酋長國迪拜市的高828m的哈利法塔以及我國第一高、世界第三高的上海中心大廈都是采用混凝土結構。

但是，隨著建筑高度及建筑層數的增加，若采用普通鋼筋混凝土結構，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構的概念，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)新高能的結構體系。

1 鋼骨混凝土結構在高層建筑中的應用

鋼骨混凝土結構是在普通鋼筋混凝土結構中加入型鋼材料，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構類型。它是鋼與混凝土組合的一種新型結構。與普通鋼筋混凝土結構相比，這種新型組合結構的承載能力、剛度及變形能力均得到大幅提高，結構的抗震性能也相應增強；若將其應用于高層建筑中可以得到更好的適用性，采用鋼骨混凝土構件可以有效減小構件的截面尺寸、增大建筑物的使用空間，同時也會減小構件在荷載作用下的變形[6]。

歐美國家在建筑、橋梁、公路設施、地下工程中對鋼骨混凝土均有應用。在日本，鋼骨混凝土結構已與木結構、鋼筋混凝土結構及鋼結構一起被稱為四大結構類型。近年來，我國對鋼骨混凝土結構也展開了研究，并將其應用于工程實踐，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 鋼管混凝土結構在高層建筑中的應用

鋼管混凝土是以圓形薄壁鋼管作為混凝土澆筑時的模板，將混凝土灌注入鋼管內而形成的鋼與混凝土組合結構類型。由于薄壁鋼管穩(wěn)定性差，通過內注混凝土可以有效提高薄壁鋼管的穩(wěn)定性；同時在鋼管的作用下，核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，增強了對混凝土的約束作用，使核心混凝土具有更大的抗壓強度。相比同種情況下的普通鋼筋混凝土結構而言，此種結構的強度、塑性及抗震性能均有提高。同時，鋼管作為勁性材料，就相當于普通混凝土的模板，省去了支、拆模工作，而且鋼管制作簡便，工廠加工易于保證質量[7]。它與鋼骨混凝土相比，除了具有輕質高強、塑性好、抗震性能優(yōu)越等特點外，還具有省工節(jié)料等特性[8］。在鋼管混凝土結構中適合采用高強混凝土材料。在豎向荷載作用于構件時，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?；炷潦且环N性質特殊的材料，當強度越大時，對應其脆性也越大，正是這一特性限制了超高強混凝土材料應用于震區(qū)普通鋼筋混凝土結構。但是，若將其用于鋼管混凝土結構中，混凝土脆性隨強度增大而增大的特性可以得到有效抑制，充分發(fā)揮其抗壓強度高的優(yōu)點，所以若在震區(qū)建造高層建筑時采用鋼管混凝土結構構件，將體現出良好的適應性。

隨著對鋼管混凝土結構研究的不斷深入，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，向其內注入素混凝土并振搗而形成的一種組合構件。方鋼管混凝土結構具有圓鋼管混凝土結構所不具有的優(yōu)勢[9]，例如：方鋼管混凝土節(jié)點構造簡單，施工方便；構件之間的交貫線在相同平面內；在相同條件下，方鋼管混凝土構件相比圓鋼管混凝土構件，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，可以增大柱網尺寸，滿足不同使用功能要求；方鋼管混凝土結構構件外形規(guī)則，有利于梁柱之間的連接，避免了圓鋼管混凝土構件由于截面形式特殊所造成的施工難度增加。

正是因為具有上述優(yōu)點，從1897年John Lally在鋼管中填充混凝土用作房屋的承重柱（稱為Laiiy柱）并獲得專利起，鋼管混凝土結構在工程中的應用已有大約120年的歷史[10]。由于鋼管混凝土具有優(yōu)越的物理力學性能，一出現就受到了歐美、蘇聯及日本等國工程界的重視，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用。至20世紀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混凝土的澆筑問題，鋼管混凝土結構再次興起，并迅速取代了傳統(tǒng)的鋼柱結構，被認為是高層建筑結構的又一次重大飛躍[11]。從20世紀60年代起，鋼管混凝土結構開始在我國的一些特殊領域中使用。但是，由于施工技術的落后，工程質量得不到保證，此結構未能大規(guī)模推廣。直到20世紀90年代，由于灌注混凝土施工工藝的進步，解決了大型鋼管內灌注混凝土不均勻、氣泡多的問題，使鋼管混凝土結構在我國有了大量的工程應用。福建省泉州市郵電大廈（高87.5m，16層）是我國第一個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大廈（高168m，主塔樓結構層40層）、深圳賽格廣場大廈（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 鋼管高強混凝土結構在高層建筑中的應用

鋼管高強混凝土組合結構是將薄壁鋼管布置在構件的核心處，向內注素混凝土，外面再綁扎鋼筋骨架，支護模板，澆筑混凝土，從而形成由管內混凝土、鋼管、管外混凝土和鋼筋4種材料組成的組合構件。其中，管內混凝土和管外混凝土可采用不同強度等級。一般情況下，高強度混凝土多用于管內，為避免開裂，外層混凝土多采用混凝土強度等級不超過C50的混凝土材料。根據管內外混凝土澆筑時間的不同，將鋼管高強混凝土分為兩類：一類是管內外混凝土同時澆筑，稱為鋼管混凝土核心構件；另一類是管內外混凝土不同時澆筑（此時應先澆筑管內混凝土，當管內混凝土強度達到總軸向力的0.25～0.5時，再澆筑管外混凝土），稱為鋼管混凝土疊合構件。下面將重點分析鋼管混凝土疊合構件所具有的結構優(yōu)勢。

利用不同期澆筑混凝土產生的時間差來組合截面就稱為疊合。如前所述，先對構件的管內部分混凝土進行澆筑，待管內部分具有一定強度時再對管外部分混凝土進行澆筑。從結構受力角度分析，先期施工的管內混凝土和鋼管共同承擔早期施工荷載，產生早期應變，然后澆筑管外鋼筋混凝土部分，待管外混凝土具有一定強度后，內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外混凝土的豎向剛度比進行重分配，全部荷載由組合截面共同承擔。由于管內部分已全部承擔先期荷載，而且設計時有意識的加大了管內部分的豎向剛度比，從而管內部分承受的總軸向力比重大為增加，外層混凝土分擔的軸向力減小，進而有效控制了截面外邊緣處壓應變，達到減小截面尺寸、增大建筑物使用空間的目的。所以，鋼管混凝土疊合構件的理論就是通過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變，從而達到減小截面尺寸的目的[12]。撫順萬隆商務公寓（高104.2m、28層）采用框架剪力墻結構，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，在設計中就采用了鋼管高強混凝土組合結構[13]。廣州新中國大廈（高156m，總建筑層數48層，地上43層）最大單柱荷載超萬噸，為了減小柱截面尺寸、增大建筑物的使用空間，在設計上采用了鋼管高強混凝土組合結構[14]。

通過以上分析可知，鋼管高強混凝土組合結構相比鋼管混凝土組合結構具有以下幾點優(yōu)勢[15]：

①鋼管高強混凝土結構將鋼管置于構件核心處，外圍綁扎鋼筋骨架，這樣的構造形式減少了鋼材用量，從而降低工程造價；結構中混凝土分為管內外兩部分，管內部分可用超高強混凝土提高構件的抗壓能力，達到減小構件截面尺寸的目的。

②鋼管高強混凝土構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，為達到設計要求強度，在核心處使用更高強混凝土提供了可能。

③鋼管高強混凝土結構的抗側移剛度更大，采用此種結構類型可以提高建筑結構的整體剛度，減小建筑在風荷載作用下的振動及地震時的側向變形，應用于高層及超高層建筑時可有效提高建筑的安全性。

鋼管高強混凝土結構的推廣應用，發(fā)展了高層及超高層建筑的設計理論，使一些設想得以實現。由于這種結構契合了我國人口增長、建筑用地短缺的現狀，所以必將在我國的建筑行業(yè)中大放異彩。

4 結 語

由于鋼與混凝土組合結構具有的優(yōu)異性能，在高層建筑工程中愈發(fā)顯現出優(yōu)越性，促進了高層建筑的發(fā)展，今后應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驗的不斷積累以及新型鋼與混凝土的組合形式的出現，必將會進一步促進高層建筑的發(fā)展。同時也為鋼材在建筑行業(yè)的應用提供了新的途徑，必將能對當前鋼材市場萎靡的現狀產生積極作用。

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