混凝土与钢的组合促进高层建筑结构的发展

1 混凝土与钢的组合促进高层建筑结构的发展 摘要 混凝土和钢材两种材料的不同组合方式 构成了现代高层建筑的主要结构体系 充分利用混凝土和钢材两种材料性能的特点 将两种材料有效组合 形成一系列新颖 高效的新构件 新体系 从钢筋混凝土 钢骨混凝土 钢管混凝土到今天的钢管高强 混凝土组合结构 使混凝土和钢的组合更趋完美 关键词 钢筋混凝土结构 钢骨混凝土 钢管混凝土 组合结构 Composition of concrete and steel promotes the development of high rise building Abstract Various compositions of concrete and steel material have consisted of main structural systems of high rise buildings being used Efficiently compositing the two materials by sufficie ntly utilizing the concrete and steel material properties to form a series of innovative and high e fficient structural members and systems Such as RC SRC CFT and high strength concrete f illed steel tube make the compositions of concrete and steel more perfect Key words RC structure SRC CFT Composite structure 1 1 概述概述 混凝土和钢是构成现代建筑结构的两种最重 要的建筑材料 这两种材料本身性能的不断改善 以及两者之间相互组合方式的研究提高 促进了 建筑结构从构件到体系的不断创新 早期的高层建筑是从钢结构起步的 1 美国 1931 年建成的 102 层 高 381m 的帝国大厦 Empire State Building 标志着高层建筑发展的 第一个里程碑 我国最早的高层建筑也是从钢结 构起步的 如 1934 年建成的 24 层 82 5m 高的 上海国际饭店 随着高强度钢材出现 厚钢板的 轧制成功 焊接技术的进步 加上结构设计理论 的完善 使钢结构建筑得到迅速发展 20 世纪 80 年代前世界上著名的超高层建筑基本上都是钢 结构 如位于纽约市的世界贸易中心 World Trade Center 位于芝加哥的西尔斯大厦 Sears Tower 目前世界上最高的钢结构建筑是 1974 年建成的西尔斯大厦 110 层 高 443m 纯钢结构高层建筑在向高度发展的同时 发 现它的刚度小 抗侧移能力差 即使加支撑系统 和减震系统也难免在大风和地震时顶部产生过大 的摇摆和振动 正常使用舒适感差 钢结构防火 能力差的难题 从技术上至今没能很好地解决 纽约世界贸易中心的倒塌就是由于撞击后燃料爆 炸产生高温引起的 与此同时 混凝土技术不断进步 钢筋混凝 土就是混凝土和钢材组合的最早形式 随着混凝 土强度的提高和混凝土结构抗风 抗震性能研究 有了突飞猛进的进步 使得用混凝土材料也可以 建起刚度大 防火性能好 造价便宜的高层 超 高层建筑 2 1976 年建成当时世界最高的混凝土 结构建筑芝加哥水塔广场大厦 74 层 262m 高 标志着高层建筑发展的第二个里程碑 之后 钢 筋混凝土高层建筑如雨后春笋 目前世界最高的 纯混凝土结构建筑是香港中环广场 78 层 374m 高 1992 年建成 我国最高的是广州中 信大厦 80 层 322m 高 1996 年建成 世界 最高的马来西亚彼得洛纳斯双塔 Petronas Tower 88 层 450m 高 从底层直到第 84 层的 周围构架 柱 梁 都是混凝土结构 中央核心 筒则完全由钢筋混凝土结构组成 随着建筑层数增加 柱网尺寸增大 单柱承 担的荷载加大 采用钢筋混凝土建高层 必然要 加大柱断面 形成对抗震不利的短柱 也占去使 用面积 而且混凝土本身延性很差 需要靠许多 构造措施来加以控制 于是 人们想到 组合 的概念 充分利用 混凝土和钢的材性特点 将两种材料有效的组合 形成一系列新颖 高效的新构件 新体系 2 2 钢骨混凝土结构和钢管混凝土结构在高层建钢骨混凝土结构和钢管混凝土结构在高层建 筑中的应用筑中的应用 钢骨混凝土 图 1 和钢管混凝土 图 2 都是通过混凝土和钢两种材料组合成型的构件 2 图 1 钢骨混凝土柱截面 图 2 钢管混凝土柱截面 世界第三高的上海金茂大厦 88 层 421 米 高 的外围八个巨型柱 1 50m x 4 88m 和香 港中国银行大厦 368 5m 高 的四个角柱 4 3m x 7 93m 都是钢骨混凝土柱 这类建筑 中的剪力墙也大多是钢骨混凝土剪力墙 而楼板 则采用压型钢板上现浇混凝土的组合楼板 因此 钢骨混凝土结构是钢和混凝土 组合 的进一步 优化和完善 钢管混凝土是由素混凝土填入薄壁圆形或方 形钢管内而形成的组合结构构件 其基本原理是 首先借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性 其次 借助钢管对核心混凝土的约束 套箍 作用 使 核心混凝土处于三向受压状态 从而使混凝土具 有更高的抗压强度和压缩变形能力 与钢骨混凝 土相比除具有强度高 重量轻 塑性好 耐疲劳 耐冲击等优点外 还具有省工 省料 施工快速 等特点 它在施工方面的特点还表现在 3 4 钢管本身就是模板 浇灌混凝土时可省去支 模 拆模的工和料 并可适应先进的泵灌混 凝土工艺 钢管本身就是钢筋 它兼有纵向钢筋和横向 钢筋的功能 钢管的制作安装比制作钢筋骨 架或型钢骨架简单 方便 钢管本身又是劲性承重骨架 在施工阶段它 可起劲性骨架的作用 其焊接工作量远比一 般型钢骨架为少 自重较轻易于吊装 从而 可简化施工安装工艺 节省脚手架 加快工 期 钢管壁厚不大 加工方便 而钢骨混凝土要 用厚钢板 国产质量差 较重要工程都依赖 进口 焊接加工困难 应由很强的施工单位 进行施工 钢骨混凝土对其外围混凝土的约束增强作用 很差 组合强度基本上是 1 1 2 而钢管混凝 土对其核心混凝土形成强力约束效应 不仅改善 混凝土的性能 变脆性为塑性 而且增强其承 载力 达到 1 1 2 的效果 钢管混凝土最适 合采用超高强混凝土 在承受竖向荷载比重方面 它是以管中混凝土为主 外围钢管为辅 钢骨混 凝土是以钢骨为主 外围混凝土为辅 因此前者 所用钢量较后者为少 更适合采用高性能混凝土 众所周知 混凝土强度愈大 其脆性愈大 超高 强混凝土不适合于地震区的普通配筋柱子 但若 用于钢管之中 其缺点得到有效抑制 优点得到 有效发挥 所以在地震区建高层建筑或大跨度拱 桥 钢管混凝土作为受压构件其轴压比不受限制 显示出强大的生命力 正因为上述优点 从上世纪九十年代以来钢 管混凝土在我国有了长足的发展 特别是 1997 年建成的万县长江公路大桥 采用以钢管混凝土 为劲性骨架的叠合式箱形断面拱桥 净跨 420m 一跨过长江 为世界之最 5 和 1998 年建成的 深圳赛格广场工程 地下 4 层 地上 72 层 总 高度 296 1m 为目前世界最高的钢管混凝土高层 建筑 都采用 C60 泵送顶压混凝土 标志着我国 钢管混凝土结构设计应用水平和现代混凝土施工 技术已进入世界先进水平 在国外地震区 C100 C130 级的超高强混凝土多应用于钢管混凝 土之中 形成刚度和承载力都非常大的巨型柱 如西雅图联盟广场 2 号楼 Two Union Square 以 四个填以 131MPa 高强混凝土 直径为 3 05m 的 钢管作为主要的抗侧力构件 3钢管高强混凝土组合结构在高层建筑中钢管高强混凝土组合结构在高层建筑中 的应用的应用 钢管高强混凝土组合结构 包括组合柱 组合剪 力墙 组合拱等 钢管混凝土组合柱的截面如 图 3 所示 它是将钢管混凝土布置在柱的核心 外面再包围浇筑一圈钢筋混凝土 形成钢管 管 内素混凝土和管外钢筋混凝土三种材料的组合 钢管内的核心混凝土和管外的外围混凝土可以 3 图 3 钢管混凝土组合柱截面 取不同的强度等级 一般超高强混凝土用于核心 外围混凝土的强度等级一般不超过 C60 最大不宜 超过 C70 两处混凝土也可以不同期浇筑 当管 内外同期浇筑时称为钢管混凝土核心柱 当分期 浇筑时 先浇筑管内 待核心钢管混凝土已承受 总轴力的 1 4 1 2 时再叠合浇筑外围混凝土 称为钢管混凝土叠合柱 柱子的抗震延性控制 实质上是控制柱子在 设计阶段的压应变 偏压试验表明 无论普通混 凝土柱或组合柱破坏时的最大压应变均发生在截 面的边缘 边缘混凝土的应变超过极限压应变值 0 003 0 0033 而产生压溃现象导致截面破坏 叠合柱理论是设法改变轴力和弯矩在截面上的分 布 减小边缘压应变 达到适当减小柱断面的目 的 6 叠合 就是利用时间差进行截面组合 即先 施工柱子的核心部分 让它承受早期施工荷载 一般为设计轴力的 1 4 1 2 以形成早期应变 然后在核心的外围浇筑外围混凝土 新老混凝土 叠合形成新的组合截面 早期荷载全部由核心部 分承担 叠合后加上的荷载按组合截面上新老混 凝土的竖向刚度比分配 由截面共同承担 由于 核心部分已全部承担早期荷载 加上设计时有意 识地增大核心部分的竖向刚度比 使核心部分承 受的总轴力比值大为增加 外围混凝土分担的轴 力明显减少 有效地达到控制边缘压应变的目的 进而达到缩小柱截面的尺寸 某一工程实例 若 用 C60 混凝土 柱截面需 1 3m x 1 3m 改用叠 合柱 中央加 560mm 14mm 钢管内灌 C80 混凝 土 管外后叠合浇灌 C60 混凝土 则柱截面仅需 1m x 1m 节省 69 表 1 为辽宁地区采用组合柱 结构的工程情况 我们在实践中体会到 钢管混凝土组合柱和 钢管混凝土相比 除掉防火 耐腐蚀较好 用钢 量少 钢管直径较小容易加工安装 与混凝土楼 盖的连接节点易处理外 还有以下几个优点 7 两者都以混凝土材料为主 前者钢材用量更 少 混凝土又分为管内和管外两部分 管内 可用超高强混凝土 虽单价较贵 但用量少 管外可用一般高强混凝土 C50 C60 其 性能和质量较好控制 造价也低 钢管混凝土组合柱的抗侧移刚度大 阻尼比 大 可增加结构刚度 减少地震时的侧向变 形 增加超高层建筑抗风的舒适感 表 1 中 提到的我们正在设计的大连边业大厦 主塔 楼平面呈长条形板式布局 高宽比已接近 7 0 设计采用组合结构 配合顶部两个减震 装置和部分阻尼墙的设置 使该建筑的抗风 抗震性能得到有效控制 钢管混凝土组合柱核心处的超高强混凝土 受到其外圈钢管及管外的钢筋混凝土的双重 约束 提高了套箍作用 试验分析表明 配 箍率足够的外围混凝土对核心混凝土和核心 钢管的套箍作用也很明显 使管中混凝土的 脆性更得抑制 强度更加提高 为管中采用 C100 级以上混凝土提供有利条件 表 1 中 所列沈阳富林广场工程成功地在底部 8 层核 心钢管中泵送浇筑了 C100 级商品混凝土 设计为 C90 实际建成并通过检测鉴定认 为全部指标均达到 C100 级 钢管混凝土短柱的承载力是很大的 当柱高 与管径之比 H D 4 时 要进行稳定系数和偏心 距影响系数折减 这两个折减很厉害 往往把钢 管混凝土提供的短柱承载力成倍地被减掉 而外 包钢筋混凝土的组合柱其截面尺寸比钢管混凝土 适量增大 所用钢管直径反而可减小 可以按钢 筋混凝土构件确定稳定系数 一般组合柱的 H b 均可控制在 8 以内 所以采取组合柱后 核心钢 管混凝土的承载力可按短柱计算 使其承载潜力 充分发挥出来 4 钢管混凝土组合柱的成功应用 不仅发展了 高层建筑 也大大地扩展了钢管混凝土柱的应用 范畴 使钢材和混凝土的组合更趋完美 随着科 研和实践的不断丰富 这种造价低 施工方便 更充分发挥材料性能 抗震性能好 以混凝土承 载为主的新结构 由于它更切合我国的国情 将 在高层建筑 大跨度拱桥 桥墩 工业厂房的支 柱等场合得到应用 4 结语结语 钢材和混凝土两种现代材料的 组合 促 进了高层建筑的发展 是今后结构研究的重要方 向 随着组合技巧的完善 设计概念的提高 理 论研究的深入和施工实践的丰富 组合结构将有 长足的发展 将在更多类型的建筑上得到应用 表 1 辽宁地区采用钢管高强混凝土组合柱工程 工程名称层 数 高度 m 建筑面积 万 m2 钢管内 混凝土 强度 钢管外 混凝土 强度 备 注 沈阳日报大厦241052 2C60C601995 年地下柱采用钢管混凝土叠合柱 辽宁省邮政枢纽2396 93 38C60C60已建成 1996 年完成叠合柱施工 辽宁物产大厦281004 0C80C80已建成 1995 年完成核心柱施工 沈阳和泰大厦2275 61 7C80C50已建成 1997 年完成叠合柱施工 沈阳和平区地税局2176 81 8C80C50已建成 1997 年完成叠合柱施工 沈阳电力花园双塔331107 5C80C50已建成 1999 年完成叠合柱施工 沈阳方圆大厦2499 84 83C80C60已建成 1999 年完成叠合柱施工 沈阳富林广场301258 0C100C602000 年完成叠合柱施工 营口大石桥立德大厦1762 41 6C60C402001 年完成叠合柱施工 鞍山移动通讯大楼1246 21 3C65C402001 年完成叠合柱施工 辽宁美术印刷厂8452 16C60C60已建成 2000 年完成核心柱施工 抚顺公安局大楼1870 52 4C80C60建设中 大连边业银行大厦