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【摘要】以变暖为特征的气候变化是国际社会普遍关注的重大全球性问题, 并成为世界各国共同面临的危机和挑战。城市低碳已经受到了社会普遍的关注，土木工程，作为与人们的住、行息息相关的生命线工程，应更好为建设低碳城市服务。本文主要以钢管混凝土为主要研究对象，阐述钢管混凝土的结构特点在低碳城市建设中相较其他结构形式的优势以及工程应用，最后介绍钢管混凝土在未来低碳城市建设中的巨大前景。
【关键词】低碳城市；钢管混凝土；结构特点
0.引言
当前, 全球正发生着以变暖为主要特征的气候变化, 并已成为世界各国共同面临的严重危机和挑战。城市作为我国经济社会活动的中心, 已成为节能减排的重点[1]。低碳城市Low-Carbon City，是指以低碳经济为发展模式及方向、市民以低碳生活为理念和行为特征、政府公务管理层以低碳社会为建设标本和蓝图的城市。低碳城市以低碳经济为发展模式，为节能减排、发展循环经济、构建和谐社会提供了操作性诠释。土木工程作为民生工程在低碳城市建设方面必然起着不可磨灭的作用。人类建筑史上传统的结构形式主要有：木结构、砖石（砌体）结构、钢筋混凝土结构和钢结构等四类。随着建筑科学技术的发展，出现了第五种结构类型，即钢-混凝土组合结构。该种新型建筑结构，充分发挥了钢材和混凝土的材料特性及优点，按其组合方式又可分为：钢管混凝土结构、钢-混凝土组合梁、外包钢组合结构和劲性钢筋混凝土结构等四种。它们具有施工简便、工期短、结构性能好且节约建筑材料的优点。
钢-混凝土组合结构之一的钢管混凝土（Concrete Filled Steel Tube,简写为CFST）是在钢管中充填混凝土而制成，并承担受压荷载的建筑构件。它具有承载力高、抗震性能好、节约钢材和施工简捷等突出优点，在高层（超高层）建筑、城市桥梁、大跨度结构中得到了日益广泛的应用。
1.钢管混凝土结构的分类和特点
1.1分类
钢管混凝土结构有很多种，大致可以按以下分类。
1.1.1按受力状态分为：（a）钢管混凝土，即钢管和混凝土在受荷初期即共同受力；（b）钢管套箍混凝土，即荷载仅作用在核心混凝土上，钢管对核心混凝土仅起套箍作用。
1.1.2按截面形式分为：（a）圆形钢管混凝土；（b）方形钢管混凝土；（c）矩形钢管混凝土；（d）多边形钢管混凝土。
1.1.3按混凝土中是否配筋分为：（a）钢管混凝土；（b）钢管配筋混凝土；（c）钢管型钢管混凝土；（d）复式钢管混凝土[2]，即大钢管套小钢管。
1.1.4按截面是否空心分为：（a）钢管混凝土；（b）离心钢管混凝土；（c）中空夹层钢管混凝土[3]。
1.1.5按混凝土是否振捣分为：（a）钢管混凝土；（b）钢管自密实混凝土，即在满足钢管混凝土力学性能的基础上，具有优越的施工性能。
1.1.6按含钢率分为：（a）钢管混凝土（20≤D/t≤100）；（b）薄壁钢管混凝土（D/t≥100 ）。
以上众多类型钢管混凝土中，其中圆形钢管混凝土受力性能和经济性等优点最为突出，本文所论述的钢管混凝土是在我国应用最广泛的、不配筋的圆钢管混凝土，包括薄壁钢管混凝土和钢管自密实混凝土，为论述方便，简称为钢管混凝土。
1.2特点
钢管混凝土在高层建筑工程中，主要是作为受压柱使用，与钢梁（或钢-混凝土组合梁、钢筋混凝土梁）和梁柱节点等共同构成建筑物的框架结构体系。
钢管混凝土因其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质，且充分发挥了钢材和混凝土各自材料的优点。其基本原理有二：（1）借助钢管对混凝土的套箍约束作用，是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；（2）借助内填核心混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态，从而提高其承载能力。正是这种结构力学性质的根本变化，决定了钢管混凝土的基本性能和特点，并作为新型的第五种建筑结构显示出巨大的生命力和发展前景，也因此成为城市低碳建筑中日渐被人们青睐的新宠。
钢管混凝土的特征与优势如下。
1.2.1抗压承载力高
钢管混凝土由于钢管和核心混凝土的相互贡献、协同互补、共同工作，充分发挥了彼此的长处，从而使其具有很高的承载力，大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之和。因此实际工程中，钢管混凝土结构可以减小柱子的截面尺寸，减轻自重，有利于结构抗震并扩大建筑物的使用空间和面积，减轻地基承受的荷载，相应减低地基基础造价；当核心混凝土采用高强混凝土时，不仅承载力大大提高，而且能有效克服高强混凝土的脆性，效果更加明显。
1.2.2塑性和韧性好
通常情况下混凝土的破坏属于脆性破坏，尤其是高强混凝土。但核心混凝土在钢管约束下，具有三向受压特性，延性大为改善，在破坏时产生很大的塑性变形。
由于钢管混凝土的抗压强度高、抗变形能力强，即使在高轴压比条件下，仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”，不存在受压区先破坏的问题，也不像钢柱那样的受压翼缘屈曲失稳的问题[3]。因此，从保证截面的转动能力而言，无需限定轴压比值。就这个意义而言，钢管混凝土柱的抗震性能比钢柱和钢筋混凝土柱都强。
1.2.3经济效益好
根据计算，与钢筋混凝土柱相比，可节约混凝土60～70%，同时降低造价。若与全钢结构的钢柱相比，则可节约钢材50%，其工程造价也可降低45%。
在高层建筑设计中，钢管混凝土柱可以放宽轴压比限值，与钢筋混凝土柱相比，截面设计可以减少60%以上。此外因其整体性能好，好克服了普通钢结构钢柱存在的局部失稳的缺点。
1.2.4施工方便
钢管混凝土柱中钢管壁薄便于选材、制造与现场焊接，施工比钢柱简便。目前，很多高层钢结构项目使用了厚钢板（60mm～130mm），使材质检验和焊接方面带来很大困难，并屡有质量事故发生。而采用钢管混凝土柱，钢管厚度一般不超过40mm（目前实际工程中选用的最大厚度为30mm）。
钢管混凝土中采用自密实混凝土，既方便施工，又保证工程质量。
1.2.5耐火性能較好
钢管混凝土柱内的混凝土可大量吸收热能，因而在遭受火灾时，钢管混凝土柱温度场的分布很不均匀，因此提高了柱子的耐火时间，其耐火性优于钢柱。
2.钢管混凝土结构的工程应用与应用前景
钢管混凝土结构以其优越的受力性能，良好的综合效益，必将成为本世纪解雇体系的重要发展方向。当前我国基本建设发展很快，土木结构正在向轻型大跨方向发展，对于新型结构的要求越来越高。钢管混凝土组合结构正好能够满足现代结构对“轻型大跨、预制装配、快速施工”的要求，也符合城市低碳建设的需要，在建筑及桥梁结构等领域具有广阔的应用前景。
工程实践表明，钢管混凝土结构既是一种使用高强、高性能材料的结构，也是种具有高效施工技术的结构。无论是从节省建筑材料方面，还是施工技术方面，在满足强度要求的同时，都十（下转第73页）（上接第63页）分符合低碳的要求，它必将为新世纪的国家建设和土建工程的技术进步发挥积极作用。■
【参考文献】
[1]付允，汪云林，李丁.低碳城市发展路径研究.科学对社会的影响，2008（２）.
[2]蔡绍怀，焦占拴.复试钢管混凝土的基本性能和承载力计算.建筑结构学报，1997,18（6）：20-25.
[3]陶忠．方中空夹层钢管混凝土偏心受压柱力学性能的研究.土木工程学报，2003,36（2）：33-40,51.
[4]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构.北京：人民交通出版社，2003.
[5]韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践.北京：科学出版社，2003.
【关键词】低碳城市；钢管混凝土；结构特点
0.引言
当前, 全球正发生着以变暖为主要特征的气候变化, 并已成为世界各国共同面临的严重危机和挑战。城市作为我国经济社会活动的中心, 已成为节能减排的重点[1]。低碳城市Low-Carbon City，是指以低碳经济为发展模式及方向、市民以低碳生活为理念和行为特征、政府公务管理层以低碳社会为建设标本和蓝图的城市。低碳城市以低碳经济为发展模式，为节能减排、发展循环经济、构建和谐社会提供了操作性诠释。土木工程作为民生工程在低碳城市建设方面必然起着不可磨灭的作用。人类建筑史上传统的结构形式主要有：木结构、砖石（砌体）结构、钢筋混凝土结构和钢结构等四类。随着建筑科学技术的发展，出现了第五种结构类型，即钢-混凝土组合结构。该种新型建筑结构，充分发挥了钢材和混凝土的材料特性及优点，按其组合方式又可分为：钢管混凝土结构、钢-混凝土组合梁、外包钢组合结构和劲性钢筋混凝土结构等四种。它们具有施工简便、工期短、结构性能好且节约建筑材料的优点。
钢-混凝土组合结构之一的钢管混凝土（Concrete Filled Steel Tube,简写为CFST）是在钢管中充填混凝土而制成，并承担受压荷载的建筑构件。它具有承载力高、抗震性能好、节约钢材和施工简捷等突出优点，在高层（超高层）建筑、城市桥梁、大跨度结构中得到了日益广泛的应用。
1.钢管混凝土结构的分类和特点
1.1分类
钢管混凝土结构有很多种，大致可以按以下分类。
1.1.1按受力状态分为：（a）钢管混凝土，即钢管和混凝土在受荷初期即共同受力；（b）钢管套箍混凝土，即荷载仅作用在核心混凝土上，钢管对核心混凝土仅起套箍作用。
1.1.2按截面形式分为：（a）圆形钢管混凝土；（b）方形钢管混凝土；（c）矩形钢管混凝土；（d）多边形钢管混凝土。
1.1.3按混凝土中是否配筋分为：（a）钢管混凝土；（b）钢管配筋混凝土；（c）钢管型钢管混凝土；（d）复式钢管混凝土[2]，即大钢管套小钢管。
1.1.4按截面是否空心分为：（a）钢管混凝土；（b）离心钢管混凝土；（c）中空夹层钢管混凝土[3]。
1.1.5按混凝土是否振捣分为：（a）钢管混凝土；（b）钢管自密实混凝土，即在满足钢管混凝土力学性能的基础上，具有优越的施工性能。
1.1.6按含钢率分为：（a）钢管混凝土（20≤D/t≤100）；（b）薄壁钢管混凝土（D/t≥100 ）。
以上众多类型钢管混凝土中，其中圆形钢管混凝土受力性能和经济性等优点最为突出，本文所论述的钢管混凝土是在我国应用最广泛的、不配筋的圆钢管混凝土，包括薄壁钢管混凝土和钢管自密实混凝土，为论述方便，简称为钢管混凝土。
1.2特点
钢管混凝土在高层建筑工程中，主要是作为受压柱使用，与钢梁（或钢-混凝土组合梁、钢筋混凝土梁）和梁柱节点等共同构成建筑物的框架结构体系。
钢管混凝土因其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质，且充分发挥了钢材和混凝土各自材料的优点。其基本原理有二：（1）借助钢管对混凝土的套箍约束作用，是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；（2）借助内填核心混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态，从而提高其承载能力。正是这种结构力学性质的根本变化，决定了钢管混凝土的基本性能和特点，并作为新型的第五种建筑结构显示出巨大的生命力和发展前景，也因此成为城市低碳建筑中日渐被人们青睐的新宠。
钢管混凝土的特征与优势如下。
1.2.1抗压承载力高
钢管混凝土由于钢管和核心混凝土的相互贡献、协同互补、共同工作，充分发挥了彼此的长处，从而使其具有很高的承载力，大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之和。因此实际工程中，钢管混凝土结构可以减小柱子的截面尺寸，减轻自重，有利于结构抗震并扩大建筑物的使用空间和面积，减轻地基承受的荷载，相应减低地基基础造价；当核心混凝土采用高强混凝土时，不仅承载力大大提高，而且能有效克服高强混凝土的脆性，效果更加明显。
1.2.2塑性和韧性好
通常情况下混凝土的破坏属于脆性破坏，尤其是高强混凝土。但核心混凝土在钢管约束下，具有三向受压特性，延性大为改善，在破坏时产生很大的塑性变形。
由于钢管混凝土的抗压强度高、抗变形能力强，即使在高轴压比条件下，仍可形成在受压区发展塑性变形的“压铰”，不存在受压区先破坏的问题，也不像钢柱那样的受压翼缘屈曲失稳的问题[3]。因此，从保证截面的转动能力而言，无需限定轴压比值。就这个意义而言，钢管混凝土柱的抗震性能比钢柱和钢筋混凝土柱都强。
1.2.3经济效益好
根据计算，与钢筋混凝土柱相比，可节约混凝土60～70%，同时降低造价。若与全钢结构的钢柱相比，则可节约钢材50%，其工程造价也可降低45%。
在高层建筑设计中，钢管混凝土柱可以放宽轴压比限值，与钢筋混凝土柱相比，截面设计可以减少60%以上。此外因其整体性能好，好克服了普通钢结构钢柱存在的局部失稳的缺点。
1.2.4施工方便
钢管混凝土柱中钢管壁薄便于选材、制造与现场焊接，施工比钢柱简便。目前，很多高层钢结构项目使用了厚钢板（60mm～130mm），使材质检验和焊接方面带来很大困难，并屡有质量事故发生。而采用钢管混凝土柱，钢管厚度一般不超过40mm（目前实际工程中选用的最大厚度为30mm）。
钢管混凝土中采用自密实混凝土，既方便施工，又保证工程质量。
1.2.5耐火性能較好
钢管混凝土柱内的混凝土可大量吸收热能，因而在遭受火灾时，钢管混凝土柱温度场的分布很不均匀，因此提高了柱子的耐火时间，其耐火性优于钢柱。
2.钢管混凝土结构的工程应用与应用前景
钢管混凝土结构以其优越的受力性能，良好的综合效益，必将成为本世纪解雇体系的重要发展方向。当前我国基本建设发展很快，土木结构正在向轻型大跨方向发展，对于新型结构的要求越来越高。钢管混凝土组合结构正好能够满足现代结构对“轻型大跨、预制装配、快速施工”的要求，也符合城市低碳建设的需要，在建筑及桥梁结构等领域具有广阔的应用前景。
工程实践表明，钢管混凝土结构既是一种使用高强、高性能材料的结构，也是种具有高效施工技术的结构。无论是从节省建筑材料方面，还是施工技术方面，在满足强度要求的同时，都十（下转第73页）（上接第63页）分符合低碳的要求，它必将为新世纪的国家建设和土建工程的技术进步发挥积极作用。■
【参考文献】
[1]付允，汪云林，李丁.低碳城市发展路径研究.科学对社会的影响，2008（２）.
[2]蔡绍怀，焦占拴.复试钢管混凝土的基本性能和承载力计算.建筑结构学报，1997,18（6）：20-25.
[3]陶忠．方中空夹层钢管混凝土偏心受压柱力学性能的研究.土木工程学报，2003,36（2）：33-40,51.
[4]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构.北京：人民交通出版社，2003.
[5]韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践.北京：科学出版社，2003.