时间：2013-11-29 分类：冶金
摘 要：本文以钢管叠合柱的力学特点以及钢管组合结构的发展现状 为切入点，从设计、施工等几个方面进行分析，总结出钢管叠合柱的优势，及其对我国建筑行业发展的重要性，以及在结构设计中应给与重视的设计要点给与论述，进而提出钢管叠合柱结构的发展前景及可以在今后的研究工作中给予重视的几个要点。
关键词：钢管叠合柱; 设计; 应用
0、前言
2008年在我国四川汶川发生的地震，给建筑结构的抗震性能提出了更高的要求。更多的建筑设计者和科研人员都将目光放在了组合结构上，希望借此提高我国建筑结构的抗震水平。钢管叠合柱是组合结构中的比较常用的一种结构形式。目前在我国的应用也比较广泛，沈阳万鑫大厦和沈阳和泰大厦等等都是采用了钢管混凝土叠合柱的比较成功的案例。
1、钢管混凝土叠合柱的力学特性
钢管混凝土叠合柱是由钢管混凝土和外包混凝土构成，有时候因构造上的需要会在外包混凝泥土内配置纵筋与箍筋。分析钢管混凝土叠合柱的力学特性是建立在与钢管混凝土，型钢混凝土，普通钢筋混凝土构件的对比的基础之上的。钢管混凝土叠合柱是一种由钢管混凝土与外包混凝土所组成的组合结构，它的力学性能并不是构件内部组成部分的简单叠加，而是各个部分协调工作状态下，性能的相互强化，所以它兼有钢管混凝土与普通钢筋混凝土的优点的同时，又表现出一些新的特性。
2.1 钢管混凝土叠合柱的优点
2.1.1 承载力高，使用性能好
高强混凝土虽具有强度高的优点，但是与低等级的混凝土相比缺乏足够的延性性能。使用的混凝土强度等级越高，当达到极限承载力的时候强度下降的越明显，表现出一定的脆性，不利于抗震，强度越低承载力下降越平缓。钢管的约束作用克服了高强混凝土的脆性，同时，钢管的围压力使管内混凝土的轴心抗压强度大幅度提高，充分发挥了高强混凝土受压能力高的优势。
2.1.2 延性好，抗震性能强
对于钢管混凝土叠合柱，作用在截面上的轴力设计值按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土;轴力设计值减去浇筑管外混凝土时钢管混凝土已经承受的轴力后，按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土。分配轴压力时，钢管混凝土的轴向刚度随其轴心受压承载力的提高而提高。结果，钢筋混凝土分担的轴压力比按管外、管内混凝土面积比分担的轴压力小得多。由于钢筋混凝土部分承担的轴压力小、轴压比低，通过配置适量的纵筋和箍筋，能提高整个构建的延性，增强构建在地震荷载作用下的耗能作用。
2.1.3 抗剪能力强
与普通钢筋混凝土结构相比，钢管混凝土叠合柱受剪承载力由箍筋、外围混凝土和核心小钢管混凝土柱及钢翅片提供。截面中部的钢管混凝土提高了柱的抗剪承载力，容易实现强剪弱弯。同时钢管混凝土的存在，可简化核芯区构造，方便施工。
2.1.4 耐火性能好
钢管混凝土叠合柱具有良好的耐火性。对于钢管混凝土叠合柱来说，外包混凝土的存在大大延缓的构件外围环境热量向核心钢管传递的速度，从而延长了核心钢管承载能力失效的时间，为消防救火赢得宝贵的时间。同时钢管混凝土叠合柱免去了钢管外层的防火涂层，降低的构件的防火成本。
3、钢管混凝土叠合柱的成柱特点和设计理念
在高层重载柱设计时，增强柱子承载能力和抗震性能是设计者的主导思想具体包括如下四个方面：强化、组合、约束、叠合。钢管混凝土叠合柱兼容并蓄了以上四种增强理念，将结构柱的组成材料优化配置，充分发挥每种材料的力学性能，大大减少柱截面尺寸。
3.1强化
采用强度高性能忧的材料，目前我国已经具备批量生产高强厚壁钢管的能力;在混凝土材料方面，十年前就已经研制成功高强、高弹性模量、利于泵送、 收缩量小、徐变小、早期强度高的混凝土，辽宁地区已有20多幢高层建筑在管
内采用C80～C100级自密实高强度混凝土，高强度混凝土其配制材料完全达到了国产化。
3.2 组合
叠合柱基本上是钢和混凝土的组合，主要靠混凝土承受轴压力。钢管内用的是高强素混凝土(如 C60～C100 级) ，钢管外用的是一般强度的钢筋混凝土(如C40～C60 级) 。叠合柱基本上属于混凝土结构，但由于不同材料在截面上组合时的分布位置合理，使核心混凝土和核心钢管一起主要起抗压和抗剪作用，外围混凝土和外围钢筋起部分抗压，但主要起抗弯作用。钢管主要起套箍约束作用，用量较少，用钢量远远低于同样荷载的型钢混凝土柱和钢管混凝土柱。
3.3约束
通过钢管约束管内素混凝土，提高其轴压承载力和塑性，又通过管外钢筋混凝土约束核心区的钢管混凝土，可充分利用钢管混凝土的短柱轴压承载力。关于钢管对管内混凝土的约束增强作用，在钢管混凝土的文献中已有详细论述。
3.4 叠合
利用时间差进行截面优化组合，达到竖向轴向力的合理分配。混凝土理论证明，柱子的抗震延性控制，实质上是控制柱子在设计阶段(小震组合)的压应
变值不应过大;无论普通混凝土柱或组合柱，在偏压破坏时的最大压应变均发生在截面的边缘，大震时当边缘混凝土的压应变超过极限压应变值 ( 01003～01003 3)时，则产生压溃现象，导致截面破坏。
4、钢管混凝土叠合柱结构在我国使用情况
仅沈阳市近几年就有多个采用 C100级钢管混凝土叠合柱的工程，下面将有代表性的几个案例介绍给大家：沈阳富林广场地上建筑30层，总建筑高度达到125米，总建筑面积为8万平方米，主体结构为框架筒体结构 ，外框柱间距8层以上为4.5m ，8层以下转换为9m，采用框支叠合柱，2001年完成叠合柱施工，为我国第一次在钢管内采用 C100 自密实混凝土的施工案例。沈阳远吉大厦地上结构为28层，总建筑高度为96.1米，总建筑面积为2.43万平方米，采用地下室逆作法，从地下2层到地上5层为框支层，采用叠合柱，地上6层以上为剪力墙结构，2002年完成叠合柱施工，2005年建成使用。沈阳贵和回迁楼，地上结构28层，总建筑高度89.45米，总建筑面积5.1万平方米，该结构的特点是大底盘上设双塔楼，塔楼为剪力墙结构，底部4层大底盘采用框支叠合柱2002年完成叠合柱施工，2005年建成使用;沈阳万鑫大厦主塔40层，副塔34层，主塔总高度180米，副塔高度148米，总建筑面积19.8万平方米。主体结构采用框架-筒体结构，塔楼均采用用叠合柱 ，最大柱边长由于采用叠合柱的结构其由原设计的1600mm减为1200mm，大大减少了结构占用的空间， 最大钢管直径为864mm，壁厚为22mm，采用Q345B结构钢管，2005年完成叠合柱施工，2006年结构封顶 ，当年为沈阳市最高建筑。沈阳宏发国际茗城，地上结构32层，建筑总高度110米，总建筑面积5万平方米，主体结构采用框剪结构，每单元中4个受力最大的柱截面尺寸为1200×1200叠合柱，2006年完成叠合柱施工，2006年末主体建成。
5、结语
钢管组合结构的研究才起步很短的时间，目前的研究成果已经表明钢管组合结构具有很好的力学性能，目前的研究结论也为设计工作和大面积推广提供了基础理论。由于该结构的复杂性，本人认为需要对如下问题给予重视：
5.1 何能更好的提高混凝土和钢管接触面的连接强度，以保证钢管和混凝土的协同工作是十分重要的问题。
5.2 钢管混凝土从具体操作上还需要深入研究，钢管在施工中成为封闭的容器，施工中要保证钢管内混凝土的质量，首先就要求密实度，混凝土密实度不够，在上部荷载的作用下容易产生局部失稳，会产生严重破坏后果;
5.3 采用有限元软件进行模拟得出的结论是可靠的，可以为钢管混凝土叠合柱进一步的力学性能分析提供基础，并且为此类结构的工程设计提供相应的依据。随着我国经济的发展，钢结构的广泛应用，组合结构特别是钢管混凝土叠合柱结构将在未来我国工程建设中发挥很重要的作用。
参考文献：
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