钢管混凝土叠合柱结构的研究和应用

【摘要】本文介绍近20年来由我国自主创新的钢管混凝土叠合柱结构从概念形成到原理探讨，从理论和方法逐渐成熟，到编制《规程》， 从辽宁到全国的工程应用及主要研究成果，展望进入“十二五”期间，钢管混凝土叠合柱的应用趋势。

关键词：叠合柱 组合柱 理论与试验研究 工程应用及成果推广

1、钢管混凝土叠合柱概念的提出

我们感到对这种新的结构逐渐有了信心。为了稳妥起见，于1997和1998年请国内一些著名专家在大连和沈阳两地举行技术论证会，先后参加的专家有赵国藩、容柏生、钱稼茹、胡庆昌、蔡绍怀、方鄂华、吴学敏、吴波、李惠等。在大连的论证会着重研讨现代高性能砼在高层柱子中的应用；在沈阳的论证会着重研讨叠合柱概念的可行性和应用前景。该课题（钢管高强混凝土叠合柱结构）研究成果荣获1998年建设部科技进步二等奖。

专家的研讨论证，对钢管混凝土叠合柱这一课题给予充分的肯定，认为它符合我国国情，准确把握组合结构这一大方向，以超前的战略思维，顽强的科研钻劲，在短短的两三年内就搞出多幢叠合柱试点工程，每项工程起点都很高，均有所创新，结果都很成功；从概念的提出到原理的探讨，再到设计施工方案的制订都很令人满意。

2、项目实施的几个阶段

这阶段将本课题的许多理论问题分成专题，请高等院校进行专题研究，有钢管高强混凝土叠合柱的受力特点、抗震性能、受力变形特点、压弯构件的全过程分析以及构件（含节点）的设计方法等。期间各高等学校的许多著名专家都参加本课题研究并带出水平很高的博士研究生，如赵国藩院士及王清湘教授培养出陈周煜、张德娟等博士；王光远院士与李惠教授培养出王震宇、刘克敏等博士；钱稼茹教授培养出多名硕士后又培养出康洪震、江枣等博士。他们的研究成果和论文都取得了很高的水平。

这期间我国的钢管混凝土研究也进入总结成熟阶段，如蔡绍怀的极限平衡理论和钟善铜的统一理论都在这期间出版总结性专著，为本课题的基础核心构件的研究打下坚实的理论基础。

在编制规范有丰富经验的钱稼茹教授的领导下，在编制过程中又进行了许多理论研究，明确证明了钢管混凝土叠合柱较钢筋混凝土和钢骨混凝土（也称型钢混凝土）柱具有更优良的抗压性能和抗震性能。同时进行了设计方法研究；补充了轴向受压试验，在轴压力和反复水平力作用下的试验、梁柱节点核芯区抗剪性能试验和钢管混凝土剪力墙试验等。

2.3 2006年―2010年 从辽宁走向全国，成果推广阶段

2.4 2011年―今 成果扩展阶段

进入“十二五”，本课题研究的前期工作告一段落，将进入新的阶段，展望今后更美好的明天，有以下几项工作需要做：

2.4.2钢管混凝土叠合柱已被认定为“我国自主创新的一种结构体系”。在此基础上继续深入研究，发展创新结构理论，完善设计方法，扩大应用范围，创造更先进的性能指标，争取达到国际领先水平。

2.4.3进一步探讨在超高层建筑的重载柱中应用钢管混凝土叠合柱来替代“组合巨型柱”。建筑的高度不断提高，近来出现一些高度超过400m的超高层建筑，对超大承载力和超大刚度柱的性能要求很高，希望利用现代混凝土的卓越性能和与高性能钢管的组合、约束、叠合作用，做到柱子断面合理缩小，技术经济指标更加先进。

2.4.4随着国家新《抗震规范》的颁布，加上18年来叠合柱发展过程中总结起来的经验，为更好地发展这一新结构，急需修订新《规程》。各地涌现出一批有强烈开拓创新精神，能克服困难有顽强干劲的新人，应吸收其中造诣卓越者参加本规程的修订。

据文献记载，目前我国部分老专家已开始对叠合柱结构感兴趣，如陈肇元院士、魏琏研究员、容伯生院士、程文教授、江欢成院士、汪大绥设计大师、傅学怡设计大师、李国胜教授等都曾经在其主持或参与审查的工程项目中积极支持叠合柱方案。

3、主要研究成果

研究成果包括试验研究报告、钢管混凝土叠合柱结构技术规程、发表的论文，以及各地采用本《规程》设计的工程。这两大部分，详见“钢管混凝土叠合柱结构工程实录及论文摘引[2]”，这里仅对工程应用部分略作介绍。

叠合柱结构分两种，钢管内、外混凝土同期施工的也可简称为组合柱，不同期施工的则简称为叠合柱，本文分别介绍这两种柱的应用情况。

叠合柱诞生于沈阳，先后有15个塔楼采用混凝土不同期施工的叠合柱，沈阳以外后期有两个工程（分别在广州和大连）也采用叠合柱，其中超过100m高度的塔楼有四座，都是采用框架核心筒结构，分别是：

3.5 我国高层建筑发展快的城市也开始采用钢管混凝土组合柱。除辽宁省外，比较有代表性的工程如下（均由各地设计院设计，截至2011年资料）：

3.5.1重庆环球金融中心大厦 框筒结构，地上70层，地下6层，高338.9m。

3.5.2重庆重宾保利国际广场 框筒结构，地上59层，地下6层，高259.5m。

3.5.3重庆联合国际 框筒结构，地上70层，地下5层，高270m。

3.5.4重庆天成大厦 框筒结构，地上60层，地下5层，高280m。

3.5.5重庆朝天门滨江广场 框支剪力墙结构，地上53层，高204.8m，获2006年全国建筑结构优秀设计一等奖。

3.5.6成都国金中心办公大楼 框筒结构，地上50层，地下5层，高236.6m。

3.5.8深圳卓越皇岗世纪中心

3.5.10南京新世纪广场 筒中筒结构，地上51层，地下3层，高186m，已建成。

4、 “十二五”期间，钢管混凝土叠合柱的应用发展趋势

4.1现代混凝土将向高强、高弹性模量、高性能方向发展。如何与钢材组合，形成更高效的结构，应是今后继续研究的方向；

4.2引导设计和施工人员将柱截面由“组合”向“叠合”提升，能充分发挥核心钢管混凝土的承载能力和轴向刚度；

4.3核心筒和剪力墙中也开始应用钢管混凝土叠合柱，可提高筒和墙的延性和抗剪性能；

4.4由于叠合柱具有竖向刚度大、轴压比小、延性大、长细比合格和截面小、自重轻的优点，非常适用于框筒或筒中筒混合结构中。最近重庆、天津、沈阳和上海等地又有一批超高层建筑采用叠合柱。这些工程，都在积极研究探索更有效的组合、叠合方式和节点构造做法，叠合柱的应用将登上新高峰；

4.5叠合柱不仅用于超高层，用于中高层甚至低层（如6层的装配式住宅工程，也可用预制250×250mm柱，内设Φ150钢管）也能显示其优越性。辽宁省的沈阳方圆大厦、和泰大厦、营口立德大厦、鞍山移动通讯大厦等工程都是一般高层，同样有效益；最近，我国交通部门在超高混凝土桥墩设计中采用钢管混凝土叠合柱，以提高桥梁结构的抗震性能；在超大跨度的拱桥设计中采用钢管混凝土叠合拱，分期施工拱肋和拱架，最后施工包混凝土，大大提高桥梁的刚度和承载性能。

4.6当前我国各地建筑业空前繁荣，各种结构体系、构件和做法呈现出激烈竞争的态势。“钢管混凝土叠合柱”作为自主创新的新兴结构体系，要不断完善自我，勇于面临竞争，迎接新的挑战。

我国现行的各种混凝土结构和钢与混凝土的组合结构体系，自己创新的东西不多，大都在国外的研究成果上作些修修改改加以应用。钢管混凝土叠合柱”既然已被认为“是我国自主开拓的结构体系”，近二十年的研究及应用也证明它有广阔的发展前景，就应当继续搞下去。我们曾在一些国际会议上宣读介绍了我们的研究成果，现在日本、台湾、新加坡、香港等地也已经开始关注我们的经验。沈阳市曾经是叠合柱结构的发祥地，曾在上世纪末热衷于设计叠合柱的单位而今已经很少搞叠合柱设计了，诞生于100年前的型钢混凝土结构，自上世纪80年代末期起欧美日等西方发达国家已经很少设计了，然而，型钢混凝土结构目前在辽宁省尤其是沈阳市作为新技术大量推广应用，这与国际先进设计理念形成很大反差。然而，在我国国内其他地方（如重庆、深圳、天津、大连等地），叠合柱结构设计正在不断创新和取得突破，获得了显著的经技术济效益。这一我们应抓住机遇，不断开拓进取，使我国钢管混凝土叠合柱结构体系的研究和应用继续保持国际领先水平。