鋼管混凝土在高層建筑中的工程應用及展望

段修斌 席愛斌 章衛松 程 娟 于傳鵬

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

1 概述

鋼管混凝土(Concrete-Filled Steel Tube，縮寫為CFST)是將混凝土澆灌在鋼管中而形成的一種組合結構，其本質屬于套箍混凝土。按截面形式可分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土、矩形鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等。鋼管混凝土結構近年來在地下結構、橋梁和港口建設尤其是高層建筑中取得了廣泛而重大的應用。與普通鋼筋混凝土結構或鋼管結構相比，鋼管和其內填混凝土組合而成的鋼管混凝土，不但可以彌補兩種材料各自的劣勢，而且可以充分發揮兩種材料的優勢，因而具備優越的工作性能和經濟性。

2 工程應用

鋼管混凝土的使用可以追溯到1879年英國Seven鐵路橋的修建，建造中首次采用了鋼管橋墩，并在管中澆灌了混凝土來輔助承受壓力，同時還可以防止鋼管內壁銹蝕。1897年，美國人John Lally在民用房屋建筑的承重圓鋼管柱中填充了混凝土，并獲得專利［1］，隨后鋼管混凝土在單層及多層廠房的結構柱中得到一定應用。

20世紀80年代以后，隨著對鋼管混凝土結構力學性能的深入研究和泵送混凝土等施工工藝的發展，在日本、澳大利亞和美國等國的一些大型復雜高層建筑工程中，鋼管混凝土結構又蓬勃興起，傳統的鋼柱和鋼筋混凝土柱被鋼管高強混凝土柱所代替，并被認為是高層、超高層建筑技術的又一次重大突破。如東京西新宿廣場塔樓，地上31層，框架體系中的框架柱全部采用方鋼管混凝土。坐落于東京、共計121層的 shimizu超高層建筑，高550 m，采用矩形鋼管混凝土柱、壓型鋼板—輕型混凝土組合樓層體系。此外在大阪菲尼克斯威爾大廈、淀川六番館等工程中也陸續有鋼管混凝土的創新采用。1991年澳大利亞墨爾本在46層的聯邦中心大廈中采用了鋼管混凝土結構，悉尼也建造了若干20層～30層的鋼管混凝土結構高層住宅，還有帕斯的 Forrest Center大廈和West Ralia Square大廈，這些建筑層均高于30層。二十世紀八九十年代美國在西雅圖前后建造了兩座鋼管混凝土柱高層建筑——58層的第二聯合廣場大廈和44層的太平洋中心大廈。

國內應用鋼管混凝土結構較早的有1992年建成高96.0 m的福建金源大廈，采用了圓鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁板樓蓋結構;1999年落成的深圳賽格廣場大廈，地下4層，地上72層，塔樓采用43.2 m×43.2 m的正方形切角八邊形平面，是中國首例采用鋼管混凝土結構的超高層建筑，采用了由圓鋼管混凝土密排柱形成的框筒結構;2005年落成的武漢國際證券大廈，地下3層，地上68層，6層以上采用了部分方形、矩形鋼管混凝土柱;2007年落成的北京財富中心二期辦公樓，結構總高度265 m，為北京的第二高樓，采用鋼管混凝土框架加鋼筋混凝土核心筒結構體系，建筑平面長寬比達到1.5，外框柱通高采用大直徑圓鋼管混凝土柱，有效減小了截面尺寸及用鋼量;2010年開建的天津高銀117大廈，建筑高度597 m，共117層，是中國在建的屋頂高度最高的建筑物，結構長細比達到約9.5，為滿足結構抗震與抗風的技術要求，結構采用含有巨型組合柱、巨型支撐及轉換桁架組成的外框架以及含有組合鋼板剪力墻的鋼筋混凝土核心筒形成的巨型框架鋼—混凝土混合結構體系［2］，對該混合結構體系中，受往復軸心和偏心拉壓荷載下的矩形鋼管混凝土柱的工作性能，文獻［3］［4］做了一定的試驗研究;2011年主體封頂的超高層建筑深圳京基金融中心，結構平面為矩形，采用框架核心筒加伸臂桁架結構體系，沿高度方向設有4個加強層，大量采用型鋼混凝土構件，外框柱采用矩形鋼管混凝土柱。

3 結論與展望

迄今統計，世界范圍內高層建筑尤其是近年來新建高層及超高層建筑的結構方案中包含鋼管混凝土柱的已達120余棟，鋼管混凝土結構理論及實踐技術也在日新月異的工程實踐中得到長足發展。

近幾年來，建筑材料(如高強混凝土、薄壁鋼管等)的發展和施工技術的提高，為鋼管混凝土結構注入了新的活力;工程界、學術界對一系列新型鋼管混凝土結構(如薄壁鋼管混凝土、帶縱向加勁肋鋼管混凝土、中空夾層鋼管混凝土、冷彎型鋼鋼管混凝土等)進行了深入研究。鋼管混凝土結構愈發體現出其在建筑工程界的推廣價值和遠大前景。

［1］蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構［M］.北京:人民交通出版社，2003:4-5.

［2］劉 鵬，殷 超，李旭宇，等.天津高銀117大廈結構體系設計研究［J］.建筑結構，2012，42(3):1-9，19.

［3］曹萬林，段修斌，張境潔，等.往復偏心拉壓荷載下矩形鋼管混凝土柱工作性能試驗研究［J］.結構工程師，2012，28(4):133-138.

［4］曹萬林，張境潔，段修斌，等.鋼管混凝土柱往復拉壓荷載下工作性能試驗研究［J］.世界地震工程，2012，28(2):1-7.