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钢管高强混凝土---新世纪的高性能结构材料和高效施工技术 中国建筑科学研究院结构所 北京 100013 |
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摘要：对我国钢管高强混凝土结构技术的发展现状作了简要介绍。着重评述了在高层建筑、大跨度桥梁工程中应用钢管高强混凝土结构的成就。工程实践表明，钢管高强混凝土既是一种高强、高性能结构材料，也是一种高效施工技术。它将对新世纪土建工程的技术进步产生深远的影响。 关键词；钢管混凝土 高强混凝土 高屋建筑 大跨度桥梁 组合结构 |
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1.引言
2．高层建筑工程 在高层次建筑结构中，钢管混凝土柱具有很强的相容性，它既可在混凝土结构体系中因时因地制宜地取代部分钢筋混凝土柱，以解决高层建筑底部的“胖柱”问题和钢筋高强混凝土柱的脆性破坏问题；也可在钢结构体系中取代钢柱，以减少钢材用量和减轻风致振动等。 我国是采用钢筋混凝土结构的大国，绝大部分高层建筑都是钢筋混凝土结构体系。随着高度超过100m的超高层建筑大量兴建，在高强混凝土还不普及的80年代后期，人们开始应用钢管混凝土柱以解决“胖柱”问题的探索，在北京建造了四川大厦的地下车库[15]，在福建建造了泉州邮电大厦（15层）、厦门金源大厦（28层）和阜康大厦（25层）[16]。进入90年代以后，C60级高强混凝土柱大量应用，“胖柱”问题有所缓解，但高强混凝土柱的脆性破坏问题复又突出。在此情况下，钢管高强混凝土柱应运而生，它既解决了高强混凝土柱的脆性破坏问题，又进一步减小了柱的横截面尺寸。广州好世界广场大厦（33层棧┞氏扔?/FONT>1993年采用了C60级的钢管高强混凝土柱并获得成功。钢管高强混凝土柱在“减肥”方面的有效性，逐渐得到 结构工程界的认同。据不完全统计，短短数年间，在广州、天津、深圳、重庆、北京、昆明、福州和南京等城市采用钢管高强混凝土柱的超高层建筑已有20多座（表1）。 表1 采用钢管高强混凝土柱的高层建筑汇总
其中深圳赛格广场大厦（25层）还是我国自行设计和施工的属于钢结构体系的超高层建筑，它为我国刚刚起步的高层建筑钢结构的发展，提出了一条可供参考和选择的技术路线。 实践表明，在高层建中采用钢管混凝土柱以后，除梁/柱节点构造变动较大外，在施工程序上，与原不的结构体系几乎无甚差异例如混凝土结构体系仍然是按楼层分段施工，柱子为每1～3层楼安装一次钢管和从管的上口浇灌混凝土。只是钢管兼具钢筋和模板的功能，在工厂预制后于现场一次吊装就位，现场工序更为简化。至于钢结构体系，仍然保持着工厂化程度高、施工速度快等特点。尽管增加了在钢管柱内灌注混凝土的工序，但因钢管柱具有足够的刚度和强度，管内混凝土可选择在任何时候进行浇灌，甚至可3～4层楼浇灌一次（泵灌顶升），并不占用整个建筑的主导工期。在采用钢管混凝土柱以后，建筑的地下部分和基础开挖可实行逆作法施工。这样，高层建筑地下和地上结构歌曲时并行施工，从而节省大约半年的基础开挖和地下室施工时间，并可相应解决在大城市繁华地段因施工场地狭窄所带来的交通、安全、噪声、环境污染等一系列困扰问题。 实践还表明，钢管高强混凝土柱的造价并不比钢筋混凝土高，而与钢筋混凝土柱的造价持平。 与普通钢混凝土术玎比较，钢管混凝土柱具有更为优越的抗震性能。因钢管既是纵向钢筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在30以下，这相当于配筋率至少都有在4.6%以上,远超过抗震设计规范对钢筋混凝土所要求的最小配筋率限值.至于轴压比问题,由于钢管混凝土的抗压强度和变形能力特佳,即使在高轴压条件下,仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”,不存在受压区先破坏的问题,也不存在像钢柱那样的受压翼缘屈曲推移 的问题.因此,从保证控制截面的转动能力而言,无需限定轴压比值.就这个意义讲,钢管混凝土的抗震性能比钢柱和钢筋混凝土柱都有强. 据陈肇元教授报导[17],清华大学曾对钢管混凝土柱钢骨混凝土柱和钢筋混凝土柱抗震延性作过一些比较[18],在相同的试验条件(试件尺寸、加载装置、加载制度、轴压比)下,得出的三者的极限位移角Ru为(1)当轴压比n=0.4,并且在每级荷载或水平位移下的,则含钢量5.9%～11.8%、混凝土强度80～97Mpa的钢管混凝土试件Ru=1/26～1/35,而含钢量较低或大体相当(7.4%～10.3%)、混凝土强度也较低(62～71Mpa)的钢骨混凝土术琪 延性(Ru=1/47～1/50)反而不如钢管柱;至于钢筋混凝土柱(混凝土强度为60Mpa),在进入屈服阶段后,很难在每级水平位移下只反复循环1次,其极限位移角仍然较小,其延长性根本不能与前二种组合术玎比.(2)当轴压比n=0.6,含钢量11.8%的钢管混凝土柱的Ru=1/43,而含钢量约10%的钢骨混凝土柱则为1/66,作为极限位移角的延性性能要比钢管混凝土低50%,至于钢筋混凝土柱在0.6高轴压比下的脆性就更加突出. 钢管混凝土柱的连接构造,关系结构安全,至为重要.它包括钢管混凝土柱与楼盖结构的连接、钢管混凝土柱与钢筋混凝土术珠连接、钢管混凝土柱与钢筋混凝土基础的连接、钢管混凝土柱自身的接长、钢管与核心混凝土界面的抗剪连接等.我国在连接构造的设计方面积累了相当丰富的经验.例如钢管混凝土柱与钢筋混凝土楼盖体系连接,其剪力传递的构造,就有穿心的钢牛腿和不穿心的环形钢牛腿及钢筋环两大类;弯矩传递的构造,也有钢筋穿心和钢筋不穿心两大类,后者则有平行双梁、变宽度梁和环梁等形式.为验证这些连接构造成的可靠性,有关单位还进行了专门的试验研究[19～23]. 以下是几个典型工程实例. 2.1广州好世界广场大厦(图1)[18、19] |
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结构体系为现浇钢筋混凝土框架剪力墙,柱网为8.2×7.9m～6m(图2).裙楼柱最大轴国秋13000Kn,主楼柱最大轴力为39000kN.如采用C40级钢筋混凝土柱,截面尺寸将为1.8m×1.8m,这样大的柱截面,严惩影响建筑使用.经反复研究,决定在地上2层以下,采用C60级的钢管高强混凝土柱,以缩小柱的截面积.最后,裙楼柱缩小为直径700㎜,主楼柱缩小为直径1100～1200㎜的钢管高强混凝土柱,钢管壁厚分别为10㎜和20㎜,管材为Q235钢,直缝焊接管,从而经济有效地解决了“胖柱”问题. |
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钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接,其剪力传递采有箜乞讨工字形钢牛腿(承重销),梁端弯矩传递则视建筑布置的具体情况,或采用双梁接头,钢筋从钢管两侧通过,或采用单梁接头,钢筋直接与穿心牛腿的上下翼缘板焊牢. 2.2天津今晚报大厦(图3)[24]
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该大厦位于天津市南京路与南开三马路交汇处东北侧,占地面积1.6万㎡,总建筑面积8.2万㎡.地下两层,地下38层,总高度为137m.集办公、写字楼和公寓于一体,其中地下室为停车场和设备用房,裙房为娱乐中心和市场,标准层共30层,12层以下为办公用房,13层至25层为出租写字间,25层以上为公寓,在顶部设有升机停机坪.继广州好世界广场大厦之后,今晚报大厦是采用C60级钢管高强混凝土柱的第二座超高层建设.按7度地震设计.
主楼结构体系为内筒稀柱现浇钢筋混凝土结构(图4).楼盖为井式双向密肋板,其结构厚度为430㎜.柱网为8.4m×8.4m.柱最大轴力为35000kN,若采有C60级钢筋高强混凝土柱,截面尺寸需要1.4m×1.4m,这样一来,8.4m术现金帐的术璋净距只有7m,每术璋停三辆车已不可能.而采用C60级钢管高强混凝土柱,柱径仅1020㎜,柱净空为7.38m,可停三辆车,显著提高了地下停车场的使用效能.根据结构体系的特点,柱子从底至顶,全部采用钢管混凝土柱..钢管为3号钢螺旋缝焊接管.柱子从底到顶分5段逐渐减小，管径从1020㎜减至630㎜，每段缩小100㎜，管壁厚度从14㎜逐段减至8㎜，混凝土从C60逐段降至C35。
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柱与板连接，采用不穿心的环形钢牛腿传递剪力。环形牛腿由16条竖向腹板与上下加强环焊接而成。腹板与钢管柱、上下加强环板之间的连接为双面满焊，上下加强环与钢管柱的连接采用间断焊，间断率为50%。弯矩传递，与双梁类似，钢筋从钢管两侧通过，不穿过钢管。 该工程于1994年动工，1995年封顶。 2.3深圳赛格广场大厦（图5）[25 26] 该大厦位于深圳市南中路与华强北路交汇处东北角的商业繁华地段,占地9655㎡,总建筑面积超过16万㎡,地上72层(含裙房10层),地下4层,总高度291.6m,是一座以电子高科技为主,兼汇展、办公、商贸、信息、证券、娱乐为一体的多功能综合型楼宇.按7度地震设计.这是我国第一座采用钢管高强混凝土柱的钢结构体系超高层建筑,也是目前世界最市制一座钢管混凝土高层建筑.
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裙房为12m×12m柱网的框架剪力墙结构体系.塔楼为内筒外框稀柱体系(图6).内筒由密排的钢管混凝土柱和实腹型钢梁组成的筒体,内设纵横各4道钢筋混凝土剪力墙.塔楼周边设16根钢管混凝土柱.柱网为9.6m×9.3m～6.0m..楼盖由压型钢板上现浇混凝土板和钢梁组成.塔楼柱子最大轴力为90000kN,采用Ф1600×28㎜的16Mn钢管柱,内填C60级高强混凝土.如采用16Mn的箱型钢柱,则不仅用钢量将增加一倍,而且还需要60㎜以上的厚钢板. 术瑟梁节点为钢梁与钢管柱直接连接,于钢梁上下翼缘标高处地钢管柱内焊接内加强环,以消除钢梁翼缘对钢管壁的撕裂力.该加强环亦兼具钢管与核混凝土界面抗剪连接件的功能.在地下室和基土开挖采用逆作法施工的同时,地上结构亦同时开展施工,从而使工期缩短了半年. 该工程于1997年1月动工,1999年4月封顶.
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3.大跨度桥梁工程
自1990年在四川省苍县首先用缆索吊装、无支架施工法建成跨度115m的我国第一座钢管混凝土拱桥[29]以来，短短数个间，钢管混凝土拱桥如雨后春笋，在钱略地兴建。扭不完全统计，从1990年到1994年间，已建和在建的钢管混凝土拱桥达20多座[30]，到1997年达40多座[31]，到1998年则已达到60多座，到目前又已达到120多座，其发展速度之快，为中外建桥史所罕见。其中，采用C50级以上的钢管高强混凝土拱桥超过10座，跨主都在100m以上（表2、表3），尤其是重庆市万县和江公路大桥跨度达420m，一跨过江，成为当今混凝土跨度拱桥的世界之最。
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实践表明，钢管混凝土具有很灵活的造型能力。我国已建和在建的大跨度钢管混凝土拱桥，计有下承式系杆拱桥、中承式系杆拱桥（飞鸟式）、上承式无铰拱桥和中承式无铰拱桥四大类型；其中无铰拱桥又分为钢管混凝土拱桥和带钢管混凝土劲性骨架的混凝土拱桥两种。拱肋构造，大都采用双管组合肋（“哑铃”型截面）或四管组合肋，也有采用二管和六管组合肋的；缀件则采用钢板或较细的空钢管。其造型千姿百态，为好些城市凭添一道绚丽壮观的风景线。 我国的建桥方法，是充分利用钢管混凝土优越的施工性能，先制作和架设重量很轻的空钢管拱肋，然后将混凝土灌入钢管而成桥。钢管拱肋的架设方法，大多采用缆索吊装和悬臂拉索扣挂施工法、转体施工法，个别的还因地制宜地采用过可移动支架施工法。管内混凝土灌注，除初期采用手工浇灌外，后来都有采用先进的泵灌顶升技术，从左右两岩拱脚同野混凝土泵向钢管内压注混凝土，一次边疆压注到拱顶，勿需任何振捣，借混凝土自重挤压密实，工效既高，质量又好。经多年的实践，我国已积累了相当丰富的经验，形成了一套较我完整的钢管混凝土拱桥营造技术[32、33]。 近年来，在斜拉桥和梁式桥中也开始采用钢管混凝土结构技术，用顶推法施工，也取得了良好的效益[34]。 以下是几个曲型工程实例。 3．1万县长江公路大桥（图7）[35。36]
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劲性骨架由5榀高度为6.8m的钢管混凝土桁架组成.各榀间距3.8m.桁架上下弦杆为Ф402×16㎜的16Mn无缝钢管,内填C60级高强混凝土,其腹杆及联结系统则采用由角钢和钢筋焊成的组合杆件. 施工时，先架设空钢管桁架拱。该钢管桁架拱按全桥拱轴长度分为36个节段，每段长约13m，宽15.3m,重约60t,由位于上海120km的造船厂制作完成,用船运至现场桥位下,由跨江缆索吊机分段超吊,采用“斜拉桥主梁悬拼施工方法”进行安装.从两岸拱脚至拱顶,对称逐段进行。借高强钢丝束和张拉千斤顶扣挂节段，调整高程，直至在拱顶合拢。节段之间，借上下弦杆管口的法兰盘螺栓连接，不再施焊。钢管骨架合拢后，松去全部扣索，以泵灌顶升法自两岸拱脚同步对称地向弦杆管内压注C60级高强混凝土，最终形成钢管混凝土格式拱架（图8）。10根钢管，共用8天即压注完成。经超声波探测，质量合格。然后即以钢管混凝土拱架为依托，悬挂模板，浇筑拱圈C60级高强混凝土。浇筑时，采取先中箱、后边箱，先底板、后腹板、再顶板的顺序，将拱圈分为8环（图9），每环沿拱轴又分为6段，每段长约80m，算作一个工作面。在6个工作面的起点上，对称同步连续向前浇筑，直至完成全环。待该环带混凝土达到一定强度，能参与骨架联合作用后，再浇筑下一环带。 该桥的突出特点是将钢管高强混凝土结构技术与劲性骨架施工法相结合，既减轻了劲性骨架的重量，又增强了劲性骨架的承载能力，从而减轻了施工架设的难度和加大了拱桥的跨越能力。其跨度跃进居世界混凝土拱桥之首，在我国建桥史上增添了光辉的一页[28]。这是建桥技术的一次破性的进步。3.2广州丫鬟沙大桥（图10）[37。38] 丫鬟沙大桥是广州市环城高速公路西南环上跨越珠江南航道的一座特大桥.主桥为76m+360m+76m的三跨连续自锚中承式钢管混凝土拱桥.立跨矢高76.45m..桥面宽36.5m.上下行各三车道.设计荷载:汽一超20,挂一120,人群3.5kpa. 主拱拱肋采用钢管混凝土桁架,由6根直径750㎜的钢管组成,上下弦各3根,内填C60高强混凝土.拱肋宽3.45m,高8.039m(拱脚)至4.00m(拱顶).两拱肋中心距35.95m,其间设置6组米字形和2组K字形横撑.
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边跨、主跨拱脚均固结于拱座.边跨曲梁与边墩之间设置轴向活动盆式橡胶支座.在两边跨端端部之间设置长约520m的预应力钢铰线系杆.每一拱肋设置10束,每束预拉力为5000kn.主拱拱肋所产生的水平推力由预应力系杆通过边跨拱肋来平衡. 为支承桥面结构的拱上立柱采用直径1000㎜至1300㎜的钢管混凝土;拱下吊杆则采用镀锌高强低松驰91Ф7钢丝束,冷铸镦头锚.桥面结构由钢梁、预制钢筋混凝土槽形板和现浇混凝土桥面铺装层组成. 拱肋采用转体施工法架设.先顺河岸在临时支架上组装主跨的半拱和相邻的边拱.然后竖转至设计高度,再平转约90°至江心于跨中拱顶合龙(图11).最后用混凝土泵向管内压注混凝土形成桥拱.每一水平转体单元的质量为13600t. 大桥于1998年8月开工,2000年6月建成. 3.3南海紫洞大桥(图12)[34] 该桥位于广东省南海市西郊,1996年6月建成通车.这是采用钢管高强混凝土技术建造的第一座双塔三跨单索面斜拉桥.该桥全长1034m,跨径为69m+140m+49m,跨越潭洲水道(三级航道),桥面全宽25.5m,上下行各三车道,设计荷载为汽车一超20级,挂车一20级,地震按7度设防. 结构体系为塔梁墩三者固结的柔性墩连续刚构体系(图13)索塔高36m,采用C50级钢管高强混凝土,钢管外径1.84m,壁厚25㎜.主梁采用C50级钢管高强混凝土全焊空间桁架,全高3m.上弦杆由槽钢及现浇桥面钢筋混凝土(加横向预应力)与钢纤维混凝土铺装层组成,总厚23cm.下弦杆、腹杆及下平联杆均为C50级钢管高强混凝土杆件.下弦杆钢管为Ф299×12㎜,腹杆钢管为Ф140×10㎜,平联杆钢管为Ф140×6㎜,全部为16Mn无缝钢管.斜拉索采用竖琴型,水平索距3m,斜交角28°,上端锚固在钢管高强混凝土索塔内,下端锚固在中央分隔带主梁顶板节点上,可换索.主墩采用高桩承台薄壁双肢柔性桥墩,单肢厚度仅60cm.基桩为6根直径1.8m的钻孔注嵌岩桩. 该桥的特点是,采有平移顶推法架设.在主桥平移顶推施工阶段,主梁及索塔属空心钢管组成的纯钢结构,其重量既轻、又可起到施工操作平台的功能,从而简化了临时支墩、平移滑道及用于平移作业的牵引设备,使整个拼装平移施工过程安全简便,不需设置导梁及中跨的水中临时支墩,施工中不影响主航道能航,仅用扒杆吊、卷扬机、千斤顶等小型设备即可完成主桥施工,从而加快了施工速度,降低了工程造价. 该桥的建造经验说明,钢管混凝土这种高效和材料,不仅可用于拱桥,也可用于梁式桥,包括斜拉桥、悬索桥、连续梁、连续刚构及T构件等,并可同样获得明显的技术经济效益.
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以上工程实践表明,钢管高强混凝土既是一种高强、高性能结构材料,也是一种高效施工技术.现代高强、高性能混凝土技术和泵送混凝土技术的发展,给已有百年历史的钢管混凝土结构技术注入了新的活力.这三种混凝土技术的结合,将会对新世纪土建工程的技术进步产生深远的影响. 参考文献 1蔡绍怀 钢管混凝土结构的计算与应用.北京:中国建筑工业出版社,1989 2 蔡绍怀 钢管混凝土结构.北京:中国建筑科学研究院,1992 3 蔡绍怀 钢管混凝土结构.钢与混凝土组合结构设计施工手册(周超敬、姜维山、潘泰华主编)第5章.北京:中国建筑工业出版社,1993 4蔡绍怀 高层建筑钢管混凝土结构.建筑结构,1993(4) 5顾维平,蔡绍怀,冯文林.钢管高强混凝土的性能与极限强度.建筑科学,1991(1) 6顾维平,蔡绍怀,冯文林.钢管高强混凝土长柱性能和承载能力的研究,建筑科学,1991(3) 7顾维平,蔡绍怀,冯文林.钢管高强混凝土偏压柱性能与承载国物研究.建筑科学,1993(3) 8 蒋继武,朱金铨,陈肇元.钢管高强混凝土压弯构件抗震性能试验研究,高强与高性能混凝土(文集),国家自然科学基金重点项目59338120号,1998 9 谭克锋,薄心诚,蔡绍怀.钢管超高强混凝土的性能与级限承载能力的研究.建筑结构学报,1999(1) 10 谭克锋,蒲心诚,钢管超高强混凝土长柱及偏压柱的性能与极限承载能力的研究.建筑结构学报,2000(2) 11 中国工程建设标准化协会标准CECS28:90.钢管混凝土结构设计与施工规程.北京:中国计划出版社,1992 12 中国土木工程学会高强混凝土委员会,高强混凝土结构设计与施工指南,北京:中国建筑工业出版社,1994 13 同上,第二版,北京;中国建筑工业出版社,2000 14 a.中国工程建设标准化协会标准CECS104:99,高强混凝土结构技术规程,北京:1999 b.蔡绍怀.高强混凝土结构技术规程(CRCS104:99)介绍(三)椄止芑炷林杓坪褪┕?/FONT>.建筑结构,2001(4) 15 杨光,黄绍成.北京四川大厦高层结构设计.见: 第十一届全国高层建筑结构学术交流会论文集,第2卷.北京:中国建筑科学研究院,1990 16 龚昌基.高层建筑钢管混凝土的设计体会与有关问题.建筑结构,1995(12) 17 陈肇元,朱金铨.高强混凝土结构技术规程(CECS104:99)介绍(一),建筑结构,2001(1) 18 钢管高强混凝土在“广州好世界广场”超高层建筑工程的应用鉴定会材料.广州珠江实业总公司、广州珠江外资建筑设计院,1995.11 19 黄汉炎,叶富康,周展开等.钢管高强混凝土柱在“广州好世界广场”超高层建筑工程中的应用.建筑结构,1997(5) 20 福州大学土建系.厦门金源大厦钢管混凝土柱节点试验报告,1992.12 21 方小丹，李少云，陈爱军。新型钢管混凝土柱节点的试验研究。建筑结构学报，1999（5） 22 容柏生，陈宗弼，陈星，罗赤宇。高层建筑钢管混凝土术邢点设计、构造的研究。见：沈祖炎主编。高层·轻型·高耸钢结构的理论与工程技术进展。上海：同济大学出版社，1997 23 蔡绍怀，李太惠，顾维平，包宇。钢管混凝土框架节点抗剪性能试验研究。见：北京市科技委科研项目“地铁盖挖法施工技术研究”专题报告之三，中国建筑科学研究院，北京城建设计研究院，1991。3 24 今晚报大厦钢管混凝土柱板结构体系鉴定材料，天津市第六建筑工程公司，1995。11 25 深圳“赛格广场”大厦结构研讨会资料。华艺设计顾问有限公司，1995，9，25 26赛格广场。深圳赛格广场投资发展有限公司，1997 27 蔡绍怀，论钢管混凝土在桥梁工程中的应用。见：中国土木学会第五届年会暨第二次全国城市桥梁学术会议论文集。天津：天津大学出版社，1990 28 万明坤，程庆国，项海帆，陈新主编，桥梁漫笔。北京：中国铁道出版社，1997 29胡玉山，吴清明。预应力系杆钢管混凝土拱桥一旺苍东河大桥。见：四川省公路桥梁建设经验交流会论文集。宜宾：四川省公路学会桥梁专业委员会，1990 30 罗世勋，谢邦珠主编。当代四川公路桥梁（续集1987－1995）。成都：四川科学技术出版社，1996 31 陈宝春。钢管混凝土拱桥发展综述。桥梁建设，1997（2） 32 1996年四川省公路学会桥梁学术研讨会论文集。成都：西南交通大学出版社，1996 33 中国公路学会桥梁和结构工程学会1996年桥梁学术讲座舆论文集要。北京：人民交通出版社，1996 34 张联燕，李泽生，程懋方。钢管混凝土空间桁架组合梁式结构。北京：人民交通出版社，1999 35 杨稚华。万县长江大桥的设计。见：四川省公路学会桥梁学术研讨会论文集。成都：西南交通大学出版社，1996 36 四川省重点公路建设指挥部，四川省交通厅公路规划勘察设计院，四川省公路桥梁工程总公司。万县长江公路大桥，1997 37 徐升桥，任为东，李艳明。丫鬟沙大桥主桥设计。桥梁建设，2000（3） 38 庄卫林，黄道全，谢邦珠，张联燕。丫鬟沙大桥转体施工工艺设计。桥梁建设，2000（1）
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