钢管在结构工程中的应用与发展

随着生产规模的扩大以及人类文明的不断进步，许多大空间、大跨度建筑如体育馆、展览馆、机场航站楼、地铁站、大型工业厂房等不断涌现出来，显然钢筋混凝土结构、木结构、砌筑结构等很难实现这种大跨度空间结构形式。由于钢材产量的快速增长、国家政策导向以及钢结构设计、科研、施工队伍日益强大等诸多有利因素的影响，钢管结构凭借其自身优越的性能，近年来其应用得到飞速发展，应用范围几乎涉及所有结构领域，包括房屋建筑、桥梁、堤坝、海洋平台和塔桅结构等。

自然界中的许多例子显示了圆管形状在受压、受扭以及多方向受弯下的卓越的结构性能，人们正是从这些风中芦苇、雨中翠竹中受到启发，将管结构优越的结构性能与极具魅力的建筑外形相结合形成钢管结构。钢管结构的最大优点是能将人们对建筑物的功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地结合在一起。

1 管结构的分类和特点

1.1 钢管结构的分类

目前工程中使用的钢管结构可按截面形状、结构形式和制作方法进行分类。按构件的截面形状可将钢管结构分为三大类：即圆管结构（CHS）、方（矩）形管结构（RHS）以及其他形状。由于外表和受力性能上的优越性，圆管结构和方管结构最为常见。按结构形式管结构可分为网架（网壳）、桁架、框架和钢管混凝土结构4种。而通常意义上，管结构是指采用圆管和方管作构件，管与管之间通过相贯焊接连接的结构。按制作方法来分，管结构可分为热轧钢管结构、冷轧钢管结构以及焊接钢管结构。热轧钢管壁厚可以较大、制作成本高，冷轧钢管壁厚相对较薄。

1.2 圆管和方（矩）形钢管结构的特点：

钢管结构的特点，大致可归纳如下：

1) 圆管和方（矩）形截面都具有双轴对称、截面形心和剪心重合等特点；圆管和方管截面，截面惯性矩对各轴相同，作为受弯和受压构件的优势突出。

2)截面闭合，抗扭刚度大、板件局部稳定好。尤其是圆管截面，抵抗扭转特别有效。

3）外观简捷、平滑，杆件可直接焊接于同一点，可不用节点板，以节省钢材。

4）相比开口截面而言，圆管和方（矩）形截面具有表面平整、无死角以及外表面积小等特点，有利于节省防腐和防火涂料，也便于除尘。

5）钢管截面的风阻力系数小，当暴露在流体（如风、水流）中时有着显著的优点。

6）钢管结构的内部空间可利用。钢管内填充混凝土（钢管混凝土结构）不仅能提高构件的承载力，而且还能延长构件的耐火极限（平均可达2h）；管内注水，可利用内部水循环进行防火；传输液体，如输油管线，排雨水管等；管内还可以放预应力索，施加体内预应力。

7)钢管结构的材料单价较普通开口截面形式的型钢高。

1.3 钢管截面与其他截面的性能比较

钢管结构较其他结构的优越性，可从构件的截面特性、受力性能、经济效益等几个方面对比得出。表1是几种常见钢结构构件截面和物理特性：H型钢、工字钢、方钢管、圆钢管，表1中各截面的单位质量相近。从表1中的对比可以看出，开口截面（H型钢和工字钢）的两个主轴方向的惯性矩和回转半径、截面抗弯模量相差较大，对于在主轴方向平面内单向受弯比较有利，但不宜单独作轴心受压构件或斜弯曲（双向弯曲）构件；而钢管截面的两个主轴方向的惯性矩和回转半径、截面抗弯模量相同，单一杆件的稳定性较好；双轴对称的圆、方（矩）形截面构件的截面形心和剪心重合，具有良好的抗扭特性；对于相同断面面积的管材（圆钢管、方（矩）形钢管）和开口截面型材（H型钢、工字钢），前者的外表面积约为后者的0.6倍，这表面钢管构件需要的防火和防腐材料要比开口截面型钢节约大约40%；方钢管与圆钢管的风阻体型系数也远小于开口型钢构件，适宜暴露在室外及流体中。方（矩）形钢管与圆钢管的性能也略有差异。在力学性能方面，方钢管的抗弯性能要好于圆钢管，抗扭性能要略逊于圆钢管。但方（矩）形截面构件表面平整，节点处的相贯线是直线，更便于制作安装。

2 国内外应用状况及设计标准

2.1 国内外应用状况

钢管结构起初用于海上或近海结构，如海洋平台结构。当时人们对焊接钢管节点的性能了解甚少，直到1947年世界上第一个现代化的海洋平台在墨西哥海湾建成后，人们才真正认识到钢管作为结构构件的优越性，从而促使人们开始探索钢管结构的性能。而后，在将近半个多世纪里，世界各国涌现出许多造型独特、构造优美、功能卓越的钢管结构，如德国Stuttgart机场候机大厅采用钢管构件铸钢节点的树形支承结构，具有造型独特、简捷明快的特点；日本大阪的Kansai机场航站楼屋面结构，采用了圆管截面的曲线三角桁架；英国伦敦布什来恩宫，外露式的圆管截面桁架把立面荷载传递到立柱里，管截面内注入水用于防火，正好弥补了钢结构建筑耐火性差的弱点；还有加拿大多伦多Skydome的开合屋盖、法国戴高乐机场的高速铁路火车站等都是著名的钢管结构建筑。

我国钢管结构的发展要晚于西欧、北美、日本等国，但在最近十年，钢管结构在我国也得到了快速发展。我国先后建成了一些大型的钢管结构建筑，如长春体育馆、上海体育馆、虹口体育馆、广州体育馆、首都机场新航站楼、成都双流机场新航站楼、广州新白云机场航站楼、沈阳桃仙机场、济南遥墙国际机场等。其中，长春体育馆是我国首次使用大截面方钢管的国内最大跨度的方钢管网壳工程；广州新白云国际航站楼屋盖（表2）是国内大型的圆管结构建筑，它的指廊和高架连廊则采用了方管结构^〔1〕。这些钢管结构的建成对管结构在我国的推广应用起着非常积极的作用。

表2 国内钢管结构应用情况

2.2 设计标准

钢管结构的应用起源于英国，在Sheffield大学对矩形管与圆管的焊接接头进行试验与理论研究后，Eastwood与Wood提出了非常重要的设计方法^〔2〕。第一个关于圆截面桁架节点的初步设计建议是1951年由Jamm给出的，随后在日本、美国和欧洲进行了若干研究。1962年国际钢管结构研究与发展委员会（CIDECT）成立，该组织将主要活动集中在对钢管结构及其连接节点性能的研究和结构开发应用研究方面，该组织的成立促进了世界各国对钢管节点的研究。1969年10月美国石油协会颁发了第一个有关海洋平台的建议（API-RP-2A），1972年美国焊接协会将钢管结构设计纳入新的焊接结构规范中（AWS AI.I）。从20世纪70年代之后，钢管结构的研究发展较快，很多研究成果已经成功地应用于工程实践中，相继形成一些国际技术文件或规范，如：美国焊接学会焊接结构规范（AWS）、美国石油学会规范（API）、CIDECT指南、日本建筑学会规范（AIJ）、欧洲钢结构设计规范（EUR）等。

在国内，大连理工学院于1982～1983年研究了各国规范并筛选了309个节点数据，统计分析综合评估了公式精度、离散度及适用范围，认为日本规范与试验符合较好且适用范围广，因此以日本规范为基础，综合了API、EUR及大连理工学院、同济大学两套计算结果，并结合材质焊接工艺、制造水平，以使安全度与之相当的原则，形成了我国《钢结构设计规范》（GBJ 17-88）第十章的有关平面圆管结构的设计条文。此后，同济大学、哈尔滨工业大学以及国内许多科研院校对钢管结构进行了更深入广泛的研究和总结，在新版的《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中增加了空间圆管节点的强度计算公式，增补了方矩形管结构平面管节点强度计算方法及有关的构造要求。

钢管结构设计指南可分为两大种类。其中之一是IIW（国际焊接协会）的规范，它已被西欧各国、加拿大、澳大利亚等国所采用。IIW的规范附加了易于理解的说明－－CIDECT Design Guide，已经被翻译成英语、德语、法语、西班牙语、中文等多种语言，在国际上获得了广泛的认可。另一种是API（美国石油协会）及AWS（美国焊接学会）的规范。这些规范中，对于方（矩）形钢管的节点来说基本上是相同的，但是对于圆形钢管节点设计公式则与上述IIW有所不同。美国规范在其提出建议当初没有采用IIW和CIDECT等获得的研究成果。其中主要是因为美国规范是以海洋平台结构为其主要对象，而海洋平台结构与建筑结构相比在管件尺寸、径厚比范围、疲劳特性等方面有很大的差异。

管节点是钢管结构中最关键的问题，包括管节点局部应力集中、失效机制、不同形式支管约束、疲劳寿命、节点加强措施等。美国焊接学会（AWS）、石油学会（API）规范公式是建立在冲剪模型基础上的，而日本建筑学会规范（AIJ）公式是建立在极限强度法基础上的。比较结果表明，日本建筑学会规范（AIJ）与我国规范的试验值相差较小，AWS精度较差但离散度小，安全度大，因为AWS主要用于海洋平台结构，以机械疲劳强度为设计标准。从大量试验获知，支管受拉时局部变形承载力比支管受压时大。日本建筑学会规范（AIJ）和我国规范将节点拉、压两种承载方式分开是合理的，而AWS把拉压统一，对于受拉节点偏于保守。我国规范对搭接型节点没有专门的公式，仅规定g < 0（g为腹杆之间的间隙）时即按g=0时计算，这样就不能充分体现搭接节点承载力的提高。

欧洲钢结构设计规范（EUR）、CIDECT指南、日本建筑学会规范（AIJ）和我国钢结构规范等的计算公式形式上相似，但在概念上略有差别。例如上述前3种设计规范中，在其余参数相同的条件下，K型节点承载力低于Y型节点承载力；而我国钢结构设计规范则相反。从试验数据的比较来看，我国钢结构设计规范Y型节点的计算公式吻合程度更好一些。但若考虑到Y型节点中有一根腹杆，减缓了K型节点由于拉压腹杆交界部位弦杆管壁变形导致的局部塑性变形，前3种规范公式在概念表达上似乎更准确一些。我国规范公式与试验吻合较好的一个原因，可能在于被加载的Y型节点试件在弦杆上有剪力及弯矩存在，这与计算公式只考虑轴力影响是有区别的。美国AWS规范和我国海洋平台规范的计算公式中考虑了冲剪破坏。AWS规范中抗剪切应力大小与弦杆管壁厚度、腹杆与弦杆的直径比、腹杆间相对间隙等有关。一些文献已建立空间节点计算公式，但目前采用的方式是将平面节点计算承载力乘以折减系数，尚未将有关空间节点特性的因素直接引入公式^〔5〕。

3 推广应用钢管结构的前景

钢管结构作为新型的结构形式，近几年来在世界各国得到了迅速发展。最近5年，欧洲的钢管用量增加了25%。来自北美钢铁研究所的统计数字证实，随着美国钢铁工业以底层商业建筑市场为开发目标，钢管结构的需求也呈上升之势，1999年的交货量为225万t，有替代露天结构材料的趋势。据美国LTV钢铁公司估计，在最近5年，美国结构管材的消耗量每年以5%～10%的速度增长。日本是一个多地震国家，建筑业采用H型钢结构比较多，所以，H型钢的产量占型钢总产量的50%～60%。但最近几年也在大力开发和应用钢管结构，且规格大型化，断面复杂化，现已生产边长为700mm，壁厚16～32mm的大型钢管结构，用于建筑结构柱^〔4〕。我国方矩管的发展空间很大，目前H型钢年产量约200万t，方矩管产量仅35万t，产量比为1:0.15，而在发达国家该比值一般为1:1。

近年来，随着我国钢铁产量的不断增长，钢结构以其自身的优势，在建筑中所占的比例越来越大，钢管结构也取得较大的突破。钢管结构中的管桁架结构以它独特的优势受到人们的青睐。管桁架整体性能好，扭转刚度大且外表美观，制作、安装、翻身、起吊都比较容易；由冷弯薄壁型钢制作的钢管屋架，具有结构轻、刚度好、节省钢材，并能充分发挥材料强度等优点，尤其是在由长细比控制的压杆及支撑系统中采用更为经济。目前采用这种结构的建筑物基本属于公共建筑，如美国匹兹堡新机场、英国伦敦第三国际机场、丝丹期戴德航空港、日本关西国际机场候机楼大厅等。我国现已采用这种结构的建筑物有近10个，其跨度为50～90m。该结构具有造型美观（可建成平板形、圆拱形、任意曲线形）、制作安装方便、结构稳定性好、屋盖刚度大、经济效果好等特点。与网架结构相比，管桁架结构省去下弦纵向杆件和网架的球节点，可满足各种不同建筑形式的要求，尤其是构筑圆拱和任意曲线形状比网架结构更有优势。从网架结构的受力特点可以看出，当其边长比大于1.5时，其受力特点从双向变为单向受力，因此对于大多数矩形平面建筑来说，主要是单向受力结构。钢管桁架结构类似于平面钢桁架，属于单向受力结构，但桁架的上弦由于增大宽度后，使原平面桁架起控制作用的上弦杆件的稳定性得到了提高，其各向稳定性相同，节省材料用量。钢管桁架结构是在网架结构的基础上发展起来的，与网架结构相比具有其独特的优越性和实用性，结构用钢量也较经济。目前这种结构主要应用在一些大型公共建筑中，在工业厂房柱及屋架、轻钢结构和住宅钢结构中的应用潜力也很大。

4 影响和制约钢管结构推广和应用的因素

钢管结构作为一种新型的结构形式，具有广阔的应用前景，但在目前的推广应用中仍然有诸多的不利因素，如：

1）已有的规范有待进一步完善。例如规范中的空间KK、KT、TT等节点承载力公式中，没有充分考虑到空间节点腹杆间的相互作用对节点承载力的影响；冷成型方管中截面圆角效应对节点承载力的影响；实际工程中，交错焊缝的影响；残余应力、疲劳破坏和节点的刚度问题等。

2）需要对新型管节点进行研究。新的结构形式不断产生新的节点形式，对于相当一部分工程中出现的管节点，缺乏设计规范的指导。例如主管为方管、支管为圆管的节点，方矩形主管旋转45°后斜置断面节点，双弦杆节点等。

3）冷弯成型管材的产品品种少，对冷弯后材质性能的研究还不够，产品之间未形成良好的搭配。生产厂家与工程设计应用人员沟通不够，生产与需求脱节。

4）热轧管材的成本和单价较高。冷轧或焊接管材生产成本低、价格较合理，且冷弯加工后冷作硬化钢材强度提高，具有推广应用价值。应尽早制订冷成型钢管结构的设计施工规程、规范。（钢结构）