矩形鋼管混凝土結構在高層建筑中的應用研究

韓衛國　王芙蓉

摘要：闡述了矩形鋼管混凝土結構的工作機理，探討了矩形鋼管混凝土結構應用于高層建筑中的特點，提出了在設計和施工中應注意的主要問題，以供借鑒推廣應用。

關鍵詞：矩形鋼管混凝土結構；工作機理；特點；主要問題

中圖分類號：TU398.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）06-59-01

前言

近幾十年來，伴隨我國經濟與建設事業迅速發展，鋼管混泥土在樁、大跨度和空間結構、商業廣場、多層辦公樓和住宅、高層和超高層建筑以及橋梁結構中的應用日益增多，發展驚人。矩形鋼管混泥土構件組成框架剪力墻應用于高層建筑結構中是時下較先進的結構體系，由于矩形鋼管混泥土結構承載力高、塑性及韌性好、易施工、耐火陛及經濟效果好等特點而深受各建筑設計師及施工人員青睞。

1.矩形鋼管混凝土結構的工作機能

在矩形鋼管混凝土結構中，矩形鋼管內澆筑的混凝土對鋼管壁具有約束作用，可以防止鋼管發生向內側的屈曲，提高了鋼管壁的受壓屈曲承載力，同時矩形鋼管對內部填充的混凝土也具有一定的側向約束作用，能提高混凝土的抗壓強度，矩形鋼管相對于圓形截面鋼管混凝土約束效應較弱，受壓承載力提高的程度較低，與梁之間節點連接構造比較簡單，便于施工，因此，矩形鋼管混凝土結構不但具有良好的工作性能而且也具有優越的使用和施工性能。

2.矩形鋼管混凝土結構的特點

將矩形鋼管混凝土結構應用于高層建筑中的框架柱，除承載力高之外還具有以下特點：

（1）承載力高，延性大，柱截面小。矩形鋼管混凝土柱具有較大的抗彎、抗剪截面，相對于鋼筋混凝土柱具有較大的延性和較高的強度，同時構件中不受含鋼率的限制。

（2）矩形鋼管對混凝土可起到與箍筋相似的約束作用。能夠顯著提高結構的抗剪承載力，

（3）施工方便。矩形鋼管在施工過程中可間作柱的摸板和臨時支撐，節省了材料和人工，鋼管內的混凝土可以多層一次澆筑，使施工過程更加方便、快捷。

（4）矩形鋼管混凝土可以在柱內外采用不同等級的混凝土。柱內用高等級混凝土以發揮其抗壓性能，而梁板可以采用強度較低等級的混凝土，從而避免了將梁、板混凝土等級無謂提高的缺點，降低了成本。

（5）矩形鋼管混凝土結構梁柱節點形式簡單，外形規整，有利于滿足建筑要求，施工時容易處理，矩形鋼管混凝土結構中各構件間的交貫線處于一個平面內，便于制作和安裝，應用于框架和桁架結構中在成本和施工速度上具有較大的優勢。

（6）防火耐火性能好。矩形鋼管混凝土的耐火性比鋼結構好，由于鋼管內填有混凝土，能吸收大量的熱能，混凝土的導熱系數低、比熱大，因此，遭受火災時管柱截面溫度場的分布很不均勻，越到中心溫度越滯后，增加了柱子的耐火時間。

（7）抗震性能優越。矩形鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內部混凝土的破壞由脆性破壞轉變為塑性破壞，構件的延性性能明顯改善，耗能能力大大提高，抗震性能優越于鋼柱和鋼筋混凝土柱。

3.矩形鋼管混凝土結構在高層建筑的設計和施工中應注意的主要問題

（1）矩形鋼管混凝土結構由于兼有鋼結構和混凝土結構的特點，所以按《矩形鋼管混凝土結構技術規程》（CECSl59：2004）設計的同時，還應符合《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）、《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》（GB50018-2002）和《混凝土結構設計規范》（GB50010-2012）等規范規程的要求。其中荷載組合、荷載標準值、荷載分項系數、荷載組合系數等應符合《矩形鋼管混凝土結構技術規程》（CECSl59：2004），當遇到該規程未規定的情況，應按《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）的規定采用。在抗震設防區還應符合《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）的規定。

（2）矩形鋼管混凝土承重構件的鋼管材料，應根據結構重要性、荷載特征、應力狀態、鋼材厚度、連接方法、環境條件等因素合理選取牌號和質量等級，對采用冷成型或由冷彎型鋼焊接組成的矩形鋼管，當鋼管截面板件尺寸符合全截面有效條件時，可根據《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》（GB50018—2002）的規定選取冷彎效應后的強度設計值。

（3）矩形鋼管混凝土構件在正常使用階段應處于彈性階段，設計中需要滿足承載力極限狀態和正常使用極限狀態的要求，除此之外，尚應對空鋼管在施工階段的強度、穩定性和變形進行驗算，施工階段的荷載主要包括濕混凝土的重量和實際可能作用于鋼管的施工荷載，施工階段的驗算可依據《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）和相關的參考資料。

（4）為保證混凝土澆筑的密實性，并利于火災時混凝土內部水蒸氣的排除，在每層矩形鋼管混凝土柱下部的管壁上應對稱開兩個直徑20mm的排氣孔。

（5）為便于在鋼管內澆筑混凝土，矩形鋼管混凝土構件的截面最小邊長不宜小于100mm，為防止澆筑混凝土時引起鋼管外鼓變形，管壁厚度不宜小于4mm，同時，截面的高寬比不宜大于2，當有可靠依據時，其限值可適當放寬當矩形鋼管混凝土的最大截面邊長大于等于800mm時，可通過在鋼管內壁上焊拴釘或設置縱向加勁肋等構造措施來增強其與混凝土的共同工作能力，防止鋼板的屈曲失穩。

4.結束語

矩形鋼管混凝土結構由于它具有良好的受力性能和施衛陛能、能提高建筑品位縮短施工工期，是具有發展潛力的一種結構形式，其適應現代工程結構大跨而高聳的需要，近年來，被廣泛地應用于各類工業廠房柱、各種支架、高層和超高層建筑以及橋梁結構中，并取得了良好的經濟效益和建筑效果。雖然矩形鋼管混凝土結構具有較多的優勢，但在實際應用中還存在一些亟待解決的問題，如設計理論設計方法、結構形式與布置等還需我們繼續深入研究探討進行完善，進而促進其更好的推廣與發展。