建筑論文超高層建筑中的鋼管砼

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.