簡論鋼管砼柱特點及其在住宅建筑中的應用

王向東

【摘 要】鋼管砼柱就是在鋼管中澆筑素砼后形成的組合構件。它在施工時省去了支模、拆模工序，具有承載力高、整體剛度和延性高、抗震性能好、施工簡單易行和工期短等特點，被廣泛應用于橋梁、工業廠房、設備構架和多層、小高層和高層住宅建筑中，富有優越的力學性能和明顯的經濟效益。

【關鍵詞】鋼管砼；剛度和延性；三向受力狀態；住宅建筑

1 鋼管砼的特點

鋼管砼柱就是在鋼管中澆筑素砼后形成的組合構件，最適用于軸心受壓構件。它具有以下幾個特點。

1.1 構件的承載力大大提高

外鋼管使其內部的砼在軸心受力的狀態下處于三向受壓，延緩了砼的縱向開裂，使砼的抗壓強度大大提高；而填充于鋼管內的砼又保證了薄壁鋼管的局部穩定性。試驗和理論分析證明，圓形鋼管砼受壓構件的承載力可達到鋼管和砼單獨承載力之和的1.7～2.0倍。

1.2 構件整體剛度和延性提高，抗震性能好

核芯砼由于鋼管的約束，不但使用階段的彈性模量有所提高，而且破壞時也出現了很大的塑性變形，表現出良好的塑性和韌性。

1.3 經濟效果顯著

與鋼柱相比，可節約鋼材50%，降低造價約45%；與鋼筋砼柱相比，在承載力相同條件下，可節約砼70%，減少自重70%，節省模板100%。

1.4 施工簡單易行，縮短工期

因為鋼管砼零件少、焊縫短，且柱腳構造簡單，再加上可成功應用高位拋落、無振搗自流平砼及泵送施工，施工速度快且質量也能得到保證。

因此，鋼管砼以它的輕巧、經濟，良好的抗震性能和簡單易行的施工方法，不僅被廣泛應用于橋梁、工業廠房、設備構架等結構中，而且也廣泛應用于多層、小高層和高層住宅建筑中。采用鋼管砼后，柱的抗壓和抗剪能力大大提高，柱截面大大減小，擴大了房屋的使用空間，而且，由于自重的減輕，更有利于抗震，還可降低地基基礎的造價。鋼管砼柱的鋼管壁較薄，一般不超過40mm，施工簡便且質量有保證。

鋼管砼柱的鋼管由鋼板卷焊而成，可以是直縫形或螺旋形焊接鋼管；鋼管的厚度一般為直徑的1/100～1/70；鋼管可以2～3層高為一個安裝單元，長度為6～10m一段。鋼管的長細比L0/D一般不宜超過50，式中L0為柱的計算長度，由其支承方式按計算確定，D為鋼管柱的外徑；當采用少量巨型鋼筋砼柱支承整個結構時，通常應在柱間加X形鋼支撐（剪刀撐）或隔若干層做水平桁架，以提高建筑的空間整體性。

鋼管砼中的砼強度等級一般不應低于C30，實際上，在工程施工中為減小柱的截面尺寸、提高承載力，普遍使用高等級的砼，而且，為了提高砼的強度等級，在常規砂石中可摻加一定量硅粉，也可摻入塑化劑，增加塌落度到150mm以上，拌制成自流平砼，澆筑時不必振搗，也能確保其密實度。

2 鋼管砼的研究現狀

根據史料記載，最早采用鋼管砼施工工藝的結構是1879年英國的賽浮爾鐵路橋的橋墩，當時考慮在鋼管里充填砼的想法是：在砼承受壓力的同時，還可以防止鋼管內壁生銹；早期的研究不考慮鋼管與核芯砼之間的相互依存、共同受力對構件承載力的提高效應，只是對兩者的受力進行簡單的疊加。隨著研究的深入，人們發現鋼管砼在受力過程中，由于鋼管對砼的約束作用使砼處于復雜的三向受力狀態，從而使砼的抗壓強度得到極大提高，塑性和韌性也大為改善，同時，由于砼的存在，也提高了作為鋼管砼整體的構件剛度和穩定性，有效避免或延緩了鋼管發生壓屈現象，使其具有優越的力學性能和顯著的經濟效益。

對鋼管砼力學性能的研究存在各種不同的研究方法，如實驗系數回歸法、極限狀態分析法以及纖維模型法和有限元法等的數值解析法，它們之間的區別在于如何估算鋼管與砼之間的相互作用，以及這種約束作用對改善和優化其力學性能究竟能起多大影響。由于研究者從不同角度對上述問題進行研究，對鋼管對核芯砼的緊箍效應理解不同，因此所采用的計算方法和計算結果就會有出入；各國研究者分別對鋼管砼構件在靜力、動力、火災等作用下以及鋼管砼與鋼梁或鋼筋砼梁組成的框架結構的力學性能進行了系統研究，均已取得了階段性的研究成果，有的國家已把這些成果應用到工程實踐中，并且在此基礎上分別制訂了鋼管砼結構設計與施工規程，比如歐洲的EC4（1996）、DIN18800（1997），美國的ACI-319-89、LRFD（1994），日本的AIJ（1980，1997）等。我國是在上世紀60年代才開始研究鋼管砼的，主要是在鋼管中澆筑中等強度等級砼，雖然起步較晚，但發展速度較快，特別是近十幾年，取得了令人矚目的成就，已先后頒布了幾個設計規程，如JGJ01-89、CECS28：90、KL/T5085-1999和GJB1029-2001，這些規程的制訂和實施，拉開了鋼管砼在我國建筑業中廣泛應用的序幕。

3 鋼管砼在住宅建筑中的應用

我國自20世紀60年代起開始把鋼管砼應用于工業與民用建筑中，隨著理論研究的深入和建筑科技的發展，以及相關設計規范和施工質量驗評標準的頒布實施，鋼管砼結構被越來越多地應用于單層和多層工業廠房柱、設備構架柱、各種構架、棧橋柱、地鐵站臺柱、送變電站塔架桿、基樁、空間結構等，近十年又被廣泛應用于橋梁柱、高層和超高層建筑中，特別是近幾年，鋼管砼被越來越多地應用于多層、小高層和高層建筑中，并取得了良好的經濟效益和社會效益。此外，由于我國鋼鐵產量大幅度增加，世界的鋼產量也日趨飽和，鋼材價格也隨之下降，從經濟角度考慮，開發商大量采用鋼結構建筑以謀取利潤最大化就成為必然趨勢，我國建設主管部門也開始大力推廣鋼管砼結構和鋼結構建筑，并為此制訂了加速推廣建筑鋼結構發展和應用的規劃目標，確定在“十二五”期間以推廣應用鋼管砼結構住宅建筑為重點，力爭在“十二五”期間使我國建筑鋼結構（含鋼管砼結構）用鋼量達到全國鋼產量的3%，到2020年達到6%；住宅建筑歷來都是建筑業的主業，因此，在住宅建筑中推廣應用鋼管砼結構勢在必行。

住宅鋼結構有低層、多層和高層之分，3層以下為低層，現在很少有人建造；9層以下為多層，以上為高層，9～12層為小高層，13～30層為高層，31層或總高100米以上為超高層。住宅鋼結構考慮到抗震需要，一般不超過12層，考慮到我國人口眾多、土地資源相對緊缺，城鎮居民對住宅的需求也在不斷增長，所以宜發展多層和小高層鋼結構住宅建筑；但在人口密度相對較大的大中城市，仍然以高層住宅建筑為主。住宅鋼結構具有柱子用量較少，室內有效使用空間大、房間布置靈活、結構性能好等優點，所選擇的結構體系大致是：5～6層以下為框架或框架-剪力墻體系；6層以上為框架剪力墻或框架簡體結構體系；多層建筑則多采用框架體系。鋼結構住宅建筑采用的框架柱有H型鋼柱、鋼管砼柱和鋼骨砼柱（以型鋼代替鋼筋骨架所形成的鋼骨砼結構柱），后兩種也稱鋼與砼組合柱。在小高層建筑中，鋼骨砼柱的施工較鋼管砼柱要復雜得多，因此，在住宅鋼結構中推廣鋼管砼的優勢較大。

在高層住宅樓建筑中，鋼管砼柱具有很大的優勢：它承載力高、抗震性能好、無需支模拆模等獨特優點，既可取代鋼筋砼柱，解決高層建筑結構中普通鋼筋砼框架（底層）柱“肥胖”的問題和高強度鋼筋砼柱的脆性破壞問題，也可以取代鋼結構體系中的型鋼柱，以減少鋼材用量，提高結構整體的抗側移剛度。鋼管砼柱的自重相對較輕，可以減小基礎的承載壓力，降低基礎部分造價。全部采用鋼管砼柱的建筑工程可以采用“逆作法”或“半逆作法”進行施工，從而可大大縮短施工工期；鋼管砼柱的鋼材厚度較小，取材方便、價格也較低，因此經濟效益顯著。

[責任編輯：鄧麗麗]