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1、建筑論文|超高層建筑中的鋼管砼 摘要: 人類建筑史上傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要有:木結(jié)構(gòu)、磚石(砌體)結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等四類。 關(guān)鍵詞: 高層 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鋼管砼 隨著建筑科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,近20年來又推出了第五種結(jié)構(gòu)類型,即全新的鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。該種新型建筑結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的材料特性及優(yōu)點(diǎn),按其組合方式又可分為:鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼混凝土組合梁、外包鋼組合結(jié)構(gòu)和勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等四種。它們的共同特點(diǎn)是:施工簡(jiǎn)便、工期短、結(jié)構(gòu)性能好且大大節(jié)
2、約建筑材料。 鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)之一的鋼管混凝土(即鋼管砼CFST),就是在鋼管中充填素混凝土制成的建筑構(gòu)件。它具有承載力高、抗震性能好、節(jié)約鋼材和施工簡(jiǎn)捷等突出優(yōu)點(diǎn),因而在高層和超高層建筑中得到了日益廣泛的應(yīng)用。其推廣與發(fā)展的速度十分迅猛,并將成為二十一世紀(jì)高層和超高層建筑群最為實(shí)用和主要的結(jié)構(gòu)形式。 一、鋼管砼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 鋼管砼在高層建筑工程中,主要是作為受壓管柱的建筑構(gòu)件使用,與鋼梁和梁柱節(jié)點(diǎn)等共同構(gòu)成建
3、筑物的框架結(jié)構(gòu)體系。 鋼管砼柱因其結(jié)構(gòu)特征,同時(shí)具備了鋼管和混凝土兩種材料的性質(zhì)。即管柱外部包裹鋼管材料,管柱內(nèi)部充填混凝土材料,因鋼管壁對(duì)管內(nèi)混凝土形成的剛性拘束作用,防止了管內(nèi)混凝土的脆性破壞。實(shí)驗(yàn)和理論分析證明,鋼管混凝土在軸向壓力作用下,鋼管的軸向和徑向受壓而環(huán)向受拉,混凝土則三向皆受壓,鋼管和混凝土皆處于三向應(yīng)力狀態(tài)。三向受壓的混凝土抗壓強(qiáng)度大大提高,同時(shí)塑性增大,其物理性能上發(fā)生了質(zhì)的變化,由原來的脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧?。正是這種結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的根本變化,決定了鋼管砼的基本性能和特點(diǎn),并作為新型的第五種建筑組合結(jié)構(gòu)顯示出巨大的生命力和發(fā)展
4、前景。 在高層建筑中,鋼管砼的特征與優(yōu)勢(shì)如下: 1、鋼管砼柱的抗壓和抗剪承載力高,相當(dāng)于鋼管和混凝土二者之和的2倍以上; 2、鋼管砼柱截面比鋼筋混凝土柱可減少60%以上,輪廓尺寸也比鋼柱小,擴(kuò)大了建筑物的使用空間和面積; 3、柱子截面減小,自重減小,有利于結(jié)構(gòu)抗震,相當(dāng)于設(shè)防烈度下降一級(jí); 4、鋼管砼柱自重減少,減輕了
5、地基承受的荷載,相應(yīng)降低了地基基礎(chǔ)造價(jià); 5、鋼管壁薄便于選材、制造與現(xiàn)場(chǎng)焊接,是施工最為快捷的建筑結(jié)構(gòu); 6、鋼管砼柱內(nèi)的混凝土可大量吸收熱能,其耐火性優(yōu)于鋼柱,從而比鋼柱可節(jié)省耐火涂料50%以上; 7、鋼管砼具有的核心混凝土三向受壓特性,利于剛剛問世的C6080高強(qiáng)度混凝土安全可靠地推廣應(yīng)用。 由于上述各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),采用鋼管砼柱時(shí)可節(jié)省大量的建筑材料,且素混凝土無須振搗,施工方便,工期短。根據(jù)計(jì)算,與鋼筋混凝土柱
6、相比,可節(jié)約混凝土6070%,同時(shí)降低造價(jià)。若與全鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱相比,則可節(jié)約鋼材50%,其工程造價(jià)也可降低45%。 在高層建筑設(shè)計(jì)中,鋼管砼柱可以僅控制長細(xì)比而不必限制軸壓比。此外因其整體性能好,還克服了普通鋼結(jié)構(gòu)鋼柱存在的局部失穩(wěn)的缺點(diǎn)。因此,與鋼筋混凝土柱相比,截面設(shè)計(jì)可以減少60%以上。 例如,北京國際貿(mào)易中心塔樓的原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由美國提供,采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土柱的截面設(shè)計(jì)尺寸為2200×2200mm,十分龐重。后改用了國內(nèi)的鋼管混凝土設(shè)計(jì)方案后,鋼管砼柱的截面僅為1400
7、215;30mm,截面面積減少了23。 全國聞名的深圳賽格廣場(chǎng)大廈,采用了鋼管砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其鋼管砼柱最大截面僅為1600×28mm,若用鋼筋混凝土柱,截面則應(yīng)為2400×2200mm,柱截面面積減少了63%,粗略估算使整個(gè)大廈增加了使用面積八千多平方米。 顯然,采用鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑,其經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。 二、鋼管混凝土的發(fā)展前景與工程應(yīng)用 我國在鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用方面,一
8、直處于國際領(lǐng)先地位。1988年創(chuàng)立的"國際鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)合作研究協(xié)?quot;,其首屆與第二屆主席,即由我國的中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)常務(wù)理事、中國鋼協(xié)鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)理事長、博士及博士后導(dǎo)師、著名的建筑鋼結(jié)構(gòu)專家和學(xué)者、哈爾濱建筑大學(xué)鐘善桐教授擔(dān)任?,F(xiàn)已82歲高齡的鐘善桐教授,至今仍擔(dān)任著該國際學(xué)術(shù)組織的名譽(yù)主席。 與此同時(shí),鐘善桐教授居世界領(lǐng)先創(chuàng)立了"統(tǒng)一理論",并將其應(yīng)用于鋼管混凝土的理論研究與工程設(shè)計(jì)方面,使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)演變成一個(gè)完整和獨(dú)立的建筑新學(xué)科。在此基礎(chǔ)上,提出了一整套設(shè)計(jì)公式,并就鋼管混凝土柱及節(jié)點(diǎn)的優(yōu)
9、化設(shè)計(jì)創(chuàng)編了CFST軟件,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。 鋼管混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用,最早見于19世紀(jì)80年代,曾用作橋墩,以后漸漸用于建筑物支柱的建造,并且其用途日益拓寬。 20世紀(jì)50年代始,前蘇聯(lián)、美國、日本和歐州部分先進(jìn)國家對(duì)其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,并在一些房屋建筑和橋梁工程中得到應(yīng)用。 我國鋼管混凝土的研究開發(fā)始于60年代中期,首例應(yīng)用為北京的地鐵工程,并成功地用于"北京站"和"前門站"站臺(tái)柱的建造,之后環(huán)線地
10、鐵工程的站臺(tái)柱全部采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。70年代以后,我國的鋼管混凝土逐漸應(yīng)用于單層和多層工業(yè)廠房、高爐和鍋爐構(gòu)架、送變電構(gòu)架及各種支架結(jié)構(gòu)中,建成的建設(shè)工程超過百項(xiàng)。 80年代初,日本率先采取了先進(jìn)的泵送混凝土施工方法,成功地解決了進(jìn)行鋼管柱的混凝土澆灌復(fù)雜工藝問題,既保證了工程質(zhì)量,又降低了工程造價(jià),從而促使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。日本、澳大利亞和美國等國相繼建成了一些鋼管混凝土的高層建筑和拱橋。 80年代末至90年代,我國的鋼管混凝土工程應(yīng)用也進(jìn)入成熟階段,并居世界前列將其拓展為公路
11、與城市拱橋和高層與超高層建筑的兩大工程應(yīng)用領(lǐng)域。近10年來,我國達(dá)百米和超過百米的鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑已有20多座。其中最高的是深圳72層的賽格廣場(chǎng)大廈,結(jié)構(gòu)高度291.6米,堪稱世界之最。 至20世紀(jì)末,鋼管混凝土無論是理論研究還是工程應(yīng)用,我國均已處于世界前列。 三、鋼管砼在高層建筑中應(yīng)用的典型實(shí)例 澳大利亞墨爾本的聯(lián)邦中心大廈 這是澳大利亞第一次采用鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑物, 鋼管砼管柱50×81
12、6mm,為一座46層的辦公大樓,于1991年建成。 美國西雅圖的聯(lián)合廣場(chǎng)大廈 這是一座58層、高220米的的建筑物,在核心筒中采用四根3050mm鋼管砼管柱,建筑物的用鋼量僅為58公斤/平方米,于80年代末建成。 美國西雅圖的太平第一中心大廈 這是一座44層高的建筑物,在核心筒中采用八根2300mm鋼管砼管柱,周邊采用760mm鋼管砼管柱,于90年代初建成。與全鋼結(jié)構(gòu)相比,該建筑物大致節(jié)約一半鋼材左右。
13、60; 日本琦玉縣雄師廣場(chǎng)高層住宅樓 這是日本第一座最高的采用鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑,設(shè)計(jì)55層、高185.8米,于1998年建成。 中國福建泉州市郵局大樓等15座高層建筑 中國福建泉州市的郵局大樓,是我國第一座采用鋼管砼結(jié)構(gòu)的高層建筑,16層,高87.5米,于1992年建成。隨后的短短的數(shù)年里,國內(nèi)采用鋼管砼結(jié)構(gòu)先后建成了二十幾幢高層建筑,主要有: 廈門阜康大廈,25層,高86
14、.5米,1994年建成; 廈門金源大廈,地下水層,30層,高96米,1995建成; 廣州好世界廣場(chǎng),地下3層,地上22層,高116.3米,1995年建成; 天津工商銀行辦公大樓,地下2層,地上36層,高125.5米,1996年建成; 福州環(huán)球廣場(chǎng),地下3.5層,地上38層,1997年建成; 福州僑益大廈,地下2層,地上32層,高115.7米,1997年建成; 天津今晚報(bào)大廈,地下2層,地上38層,高137米,1997年建成; 北京世界金融中心大廈,地下3層,地上33層,高156米,1998年建成; 深圳郵電信息樞紐中心大廈,地下3層,地上48層,高180米,1998年建成; 廣州新中國大廈,地下5層,地上43層,高200米,1999年建成; 重慶環(huán)球廣場(chǎng)大廈,地下2層,地上31層,高110.
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