http:/www.paper.edu.cn 冷弯方矩形钢管混凝土结构在中高层冷弯方矩形钢管混凝土结构在中高层 住宅建筑中的应用住宅建筑中的应用 喻正强1，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 430070 email:yu_zhengqiangyahoo.com.cn 摘摘 要：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：关键词：钢管混凝土 冷弯型钢 住宅产业化 1引言 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 -http:/www.paper.edu.cn 管，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 （500mm500mm 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 -http:/www.paper.edu.cn 些规范的制订都极大地促进了钢管混凝土结构的发展。 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 (BLT5085-1999) 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 （GJB 4142-2000） 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DBJ 13-51-2003(2003) 福建省工程建设标准 圆形、方形和矩形 AISC LRFD(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(EC4 1994)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 350+C60 Q345 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 350+C60 Q345 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 350350+ 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 -http:/www.paper.edu.cn 天津重华西里 8#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 273+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 300+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/mm 3006 钢管+C40 H5005001222 450450 楼面梁截面/mm H32012558 H32012558 屋面梁截面/mm H35015058 H32012558 250500 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 3720t 3900t 5700t 单位面积重量/t/m20.62 0.65 0.95 型钢用量/kg/m230.6 63.4 0 钢筋用量/kg/m221 21 55 综合用钢/kg/m251.6 84.4 55 综合造价元/m21100 1450 1200 3我国冷弯方矩管的发展现状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45。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 -http:/www.paper.edu.cn （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