冷弯方矩形钢管混凝土结构在中高层住宅建筑中的应用

，朱芹为1，谢伟平11武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉430070email:[e-mail]摘要：钢管混凝土结构在高层、超高层办公楼，商业广场，地铁车站工程，大跨度桥梁工程和工业厂房中得到了广泛的应用，冷弯型钢也由于其优越的力学性能和高度产业化特点而被广泛的应用于各个领域之中，尤其是在建筑行业中，这也促进了冷弯型钢的产能的不断扩大；本文简要介绍了钢管混凝土与冷弯型钢的特点，提出将冷弯型钢和钢管混凝土结合使用，进一步提高住宅建设的现代化技术水平和规模化生产水平，推进住宅产业化，加快发展节能省地型住宅。关键词：钢管混凝土冷弯型钢住宅产业化1．引言2005年6月17日，建设部副部长刘志峰在“节能省地生态—住宅产业可持续发展高峰论坛”上强调要大力推进住宅产业化，加快发展节能省地型住宅。我国人口众多，土地资源有限，而且随着我国经济发展，人民对住房的数量和质量也将迅速增长。预计21世纪前20年，我国每年需新建住房4.86-5.49亿平方米，后30年每年需新建住房5.76亿平方米。同时，全国耕地只占国土面积的13%，为保证国家粮食安全，到2010年耕地保有量必须达到17.28亿亩，但目前仅有18.51亿亩。从保护国土资源，保障国民经济可持续发展和改善人民住房环境和居住水平来看，高品质的、绿色环保型的新型中高层钢结构住宅体系值得推广。从目前商品住宅市场看，广大居民对小高层、中高层，即10-18层住宅比较欢迎。对于高度在10-18层范围内的住宅，采用纯钢结构和钢筋混凝土结构的造价比较接近（在我国，由于钢材比较贵，因此纯钢结构时上部造价比较贵，但由于结构自重较轻，地基处理较简单，且钢结构在施工上的优越性，因此，纯钢结构和钢筋混凝土结构造价相当）。开发一种新型钢结构住宅体系（冷弯方矩形管混凝土结构体系）能否进一步降低造价，进一步提高住宅产业化水平值得研究。2．钢管混凝土结构的应用2.1钢管混凝土结构的特征与优势钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件[1]。从外形看，其钢管可以是圆管或方矩管（从力学性能讲，圆管优于方矩管；从制作安装方面看，则方矩管优于圆管），从制作方法看，圆钢管可以是螺旋焊接管或直缝焊接管，方、矩形钢管为直缝焊接管或冷弯型钢-1-，但是目前，由于钢管混凝土结构多应用于高层或超高层等承载力较大的结构中，因此钢管混凝土构件截面都比较大（500mm×500mm以上），受冷弯型钢机组成型能力的限制，方、矩形钢管一般都采用四块钢板焊接而成；其混凝土一般为C30以上的素混凝土，以高性能混凝土为佳，水灰比一般控制在0.4以下。钢管混凝土结构构件的工作原理是利用钢管对核心混凝土的约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，提高承载力，同时核心混凝土对钢管的约束作用也能延缓或抑制钢管的局部纵向屈曲，充分发挥钢管的力学性能，从而使钢管和核心混凝土相互作用，协同互补，具有一系列优越的力学性能。（1）钢管混凝土柱的抗压、抗剪承载力高。利用钢管对混凝土的约束，以及混凝土可以延缓或避免钢管的局部屈曲，一般钢管混凝土的承载力都大于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土的单独承载力之和。（2）塑性和韧性好。钢管混凝土具有良好的塑性和韧性，因而抗震性能良好。（3）制作和施工方便。与钢筋混凝土结构相比，采用钢管混凝土结构时没有支模、拆模、扎筋等工序，施工方便，与钢结构相比，钢管混凝土结构通常构造更为简单，因而焊缝少，易于制作，另外空钢管自重轻，便于运输和吊装，且大大缩短工期。（4）耐火性能好。由于核心混凝土可以吸收大量的热量，从而使其外包钢的升温滞后，试验及参数说明，钢管混凝土结构构件达到规范所要求的耐火极限时，其防火保护层厚度仅为钢结构所需要的23.3%—42.5%。（5）其他经济效果。钢管混凝土结构构件截面小，增加使用面积；与钢筋混凝土结构相比，结构自重减轻50%左右，地基处理简单，且有利于抗震，同时节约混凝土50%以上。与钢结构相比又可节约钢材50%左右，进一步降低造价。另外，钢管混凝土结构还可降低防火，防锈造价等。2.2钢管混凝土结构的应用钢管混凝土结构最早应用于1879年英国severn铁路桥的钢管混凝土桥墩，在20世纪60年代以前，由于在钢管内浇注混凝土的施工工艺尚未得到很好的解决，以及钢管混凝土梁柱节点的复杂性在一定程度上阻碍了钢管混凝土结构的优势的发挥。到80年代后，由于施工工艺的成熟以及高层建筑的需要，钢管混凝土结构在美国和澳大利亚等国的高层建筑中得到广泛的应用。在过去的几十年里,研究者们已对钢管混凝土构件在各种荷载，如压、弯、扭、剪及其组合作用下的力学性能及钢管混凝土构件的动力性能进行了大量的理论分析和试验研究，取得了丰硕的研究成果[1][2][3]。目前，世界上许多国家都有了自己的设计规程，如下表1。这-2-。表1钢管混凝土规程规程名称单位适用范围《钢管混凝土结构设计与施工规程》(JCJ01-89)中华人民共和国国家建筑材料工业局标准圆形、方形和矩形《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28:90)中国工程建设标准化协会标准圆形、方形和矩形《钢—混凝土组合结构设计规程》(BL\T5085-1999)中华人民共和国电力行业标准圆形《战时军港抢修早强型组合结构技术规程》（GJB4142-2000）中华人民共和国国家军用标准方形《钢管混凝土结构技术规程》DBJ13-51-2003(2003)福建省工程建设标准圆形、方形和矩形AISCLRFD(99)规程美国钢结构协会圆形、方形和矩形桥梁设计规程BS5400（1979）英国标准委员会圆形、方形和矩形Eurocode4(EC41994)规程欧洲标准协会圆形、方形和矩形AIJ规程日本建筑协会圆形、方形和矩形近些年来，对钢管混凝土结构无论在科研方面，还是在工程方面应用方面均取得了很大的进展。在科研方面，研究者们对钢管混凝土构件的力学性能及钢管混凝土的耐火性能进行了较为深入的研究，已取得大量有实用意义的研究成果；在工程应用方面，钢管混凝土在拱桥结构和高层建筑中得到愈来愈广泛的应用。我国钢管混凝土结构最早应用于1960年的北京地铁车站工程[3]，70年代后又在单层工业厂房、重型构架中得到成功应用，近20年来，随着国民经济的迅速发展，钢管混凝土结构在我国的高层、超高层办公楼、商业广场，地铁车站工程，大跨度桥梁工程和单层、多层工业厂房中得到了广泛的应用。另外，我国在上海、天津、辽宁、新疆等地分别兴建了一些以钢管混凝土作为框架柱的中高层钢结构住宅试点工程，如下表2所示：表2钢管混凝土住宅名称层数建筑面积结构体系设计单位钢管材料莱钢樱花园1号楼12+1(35m)12000m2钢管砼框架+砼剪力墙山东省冶金设计院设计300300×Q345上海中福城一期18+1(66m)33000m2钢管砼框架+砼剪力墙上海冶金设计院设计φ350+C60Q345上海中福城二期17+1（60m）60000m2钢管砼框架+混凝土核心筒上海冶金设计院设计φ350+C60Q345天津彩丽园2号楼11（33m）10000m2钢管砼柱+钢骨砼梁+抗侧力支撑天津建工集团二公司350×350+C40焊接箱形柱天津监狱综合楼11-13（40m）15000m2钢管砼柱+钢骨砼梁+抗侧力支撑天津建工集团二公司-3-#楼9（30m）9200m2钢管砼柱+钢骨砼梁+抗侧力支撑天津建工集团二公司辽宁本溪华夏花园11+1（34m）5577m2钢管砼框架+混凝土剪力墙本溪华厦集团φ273+C50Q345新疆库尔勒住宅楼8+1（25m）5850m2钢管砼框架+支撑上海冶金设计院设计φ300+C40Q345从这些钢管混凝土住宅的应用情况来看，制作安装简便，施工周期短，结构刚度合理，居住舒适，且结构抗震性能良好，耐火性能好，环境污染少，造价低，综合经济指标良好。表3新疆库尔勒住宅楼三种结构方案经济性比较[3]结构形式内容钢管混凝土柱，H型钢梁框架+钢支撑热扎H型钢梁柱钢框架钢筋混凝土结构柱截面/mmφ300×6钢管+C40H500×500×12×22450×450楼面梁截面/mmH320×125×5×8H320×125×5×8屋面梁截面/mmH350×150×5×8H320×125×5×8250×500楼板110mm厚现浇班110mm厚现浇班110mm厚现浇班外墙250mm厚加气混凝土块250mm厚加气混凝土块250mm砌块内墙150mm厚加气混凝土块150mm厚加气混凝土块150mm砌块结构自重3720t3900t5700t单位面积重量/t/m20.620.650.95型钢用量/kg/m230.663.40钢筋用量/kg/m2212155综合用钢/kg/m251.684.455综合造价元/m21100145012003．我国冷弯方矩管的发展现状3.1冷弯型钢的特点冷弯型钢是一种经济断面型材，由于其本身具有断面均匀、产品质量高、能源消耗低和经济效益高等特点，故被广泛应用于汽车、航空、建筑等行业[4][5]。它是用经过纵剪的热轧或冷轧带钢为原料，在常温下，用连续辊弯成型、拉拔弯曲成型、冲压折弯成型等方法，加工热轧方法难以生产的各种断面型材。其中辊弯成型工艺又是冷弯型钢的主要加工方法，它是通过一组纵向排列的轧辊，将平整的原板逐渐变形，使之达到适合使用要求的形状。冷弯型钢能得到较为广泛的应用，主要是其具有如下特点：（1）易于实现配件预制，适合大规模生产，标准化、工业化生产；（2）经机组冷成型后，仍然可以保持其优良的表面质量和精确的细部尺寸；（3）通过冷成型加工可以得到几乎任意的截面形状，进而获得经济的高强度、刚度截面。（4）与其他加工设备相配合，可进行复合加工，生产各种复合型材；-4-（5）材料可回收；（6）运输、管理经济，施工、安装迅速便利，污染少。这其中冷弯方矩管(简称HSS)具有很高的强度重量比，优越的抗压特点以及扭转阻力，外形美观，构造简单，易弯曲、成型、穿孔，坚固、耐用等独有的特点。3.2冷弯方矩形管产能我国在20世纪50年代开始研究冷完型钢结构，20世纪60年代末在上海等地开始兴建了一批约10万m2的冷弯型钢结构试点工程，70年代在湖北十堰二汽兴建了近20万m2的厂房结构。此后，国内一批高等院校和科研机构进行了大量的研究工作，国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》也于1987年颁布实施。近年来，又有一批高等院校和科研机构开展了对厚壁冷弯型钢的研究工作，如武汉理工大学，武汉大学，武钢集团汉口轧钢厂，上海宝钢集团钢铁工艺技术研究等。这些都极大的推动了我国冷弯型钢的发展。目前，冷弯型钢在我国正处在快速发展的阶段中，但产量和品种规模都海不能满足当前国民经济的迅速发展。我国冷弯型钢产量方面，薄壁小型机组很多，精度不高，能力过剩，大型机组和精密机组很少。我国目前冷弯型钢年生产能力为1500万吨，占钢材总量的1％左右，品种约1000余种，但由于生产线和设备比较落后，产品质量处于较低档次。其中建筑钢结构用冷弯方矩形管和各种冷弯型钢的产量还不到冷弯型钢总产量的5%，预计今年用于钢结构的冷弯型钢为231万吨，占全部冷弯型钢总量的15.4%。而在发达国家，冷弯型钢占钢材总量的2％－4％左右，品种达到万余种，建筑业用冷弯型钢占冷弯型钢70%以上，建筑业用冷弯型钢占建筑用钢25%以上，冷弯型钢量为钢产量的5%左右。目前我国生产方矩形管的中小型机组（150mm150mm以下）占到67％－70%，生产的方矩形管边长一般在20mm－280mm之间，截面都比较小。大型冷弯方矩形管（400mm××400mm）的生产只限于国内一些规模比较大的企业。表4大型冷弯方矩形管产能单位名称方矩管规格（mm×mm×mm）上海