钢管结构因其具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性,在现代工业厂房、仓库、大型场馆、航站楼、高铁站及商业中心、宾馆、居民住宅等建筑中得到了广泛的应用,如早期的上海体育场、上海科技城、首都机场T2航站楼、广州新白云及航站楼、广州国际会展中心、上海新国际博览中心等;近十年来的应用如上海世博会中国馆、广州电视塔、首都博物馆新馆和广州新白云机场、首都新机场、青岛新机场等均采用了钢管结构。工程实际表明,钢管结构既可以很好地满足建筑要求,又能够使结构达到安全、适用、经济等性能指标,符合钢结构的最新设计观念。
钢管结构在建筑领域里主要的应用包括:高层结构、大跨度空间结构、轻型钢结构、钢管和混凝土组合结构等。钢管结构分为三大类,即圆管结构、方矩形管结构、其他形状(如异形管结构)。
在不同的建筑结构中,不同管形的钢管使用占比也不同。在大型建筑主体钢管结构中,无缝钢管用量占比约为25%,规格≤Φ500mm;直缝埋弧焊管用量约占65%,规格≤φ800mm;高频直缝焊管用量约占10%,规格≤φ219mm;牌号一般为Q345~Q390。钢管强度级别已从过去的Q235、Q345逐步向Q345、≤φ219mQ390、Q420和Q460级的强度转变,下面举例说明钢管在典型建筑结构中的应用。
无缝钢管在大型建筑钢结构中应用。例如北京新机场:航站楼钢网架结构分核心区、指廊两大部分,均由支撑系统和屋盖钢结构组成,总用钢量约为4万多吨,核心区屋盖钢结构面积达18万平方米,以8根C型柱为主要支撑,C型柱间距达200m,整个核心区屋顶由63450根杆件(钢管)和12300个球节点拼装而成。指廊钢网架为不规则自由曲面,采用桁架和网架混合结构,最大跨度41.6m,网架最大高差约5m。钢结构杆件采用圆钢管截面和方钢管截面,节点为相贯节点或焊接球,5个指廊屋面钢网架一共由8472个焊接球、55267根杆件(钢管)拼装而成。C型柱由钢管和方形钢管柱组成,双层处钢管为φ219mmmm×12mm~φ800mm×30mmm,单层处钢管为φ800mmm×30mm~φ1500mm×4040mm,材质:大规格为Q460GJC,小规格为345B。上海世博会中国馆建筑用钢管约6000t,其中无缝钢管1200t,规格为φ450mm×42mm、φ435mm、φ299m9mm×25mm16mm、φ245mnm×20n0mm、φ114mm×10mm等,材质为Q345B、Q345GJC。成都双流机场:钢管桁架上弦管φ273mm×(16~20)nmm,下弦管(跨中部位)51mm×(16~20))mm,悬挑段下弦管 φ299mm×16mm,水平腹杆φ114mm×8mm,竖向腹杆φ159~140×φ351m10mm,材质Q345C。另外,该建筑还采用了100mm×100mm×3mm、260mm×180mm×8mm 方矩形焊管。图8-31为北京新机场采用无缝钢管制作的网架结构;图8-32为广州新白云机场钢管结构幕墙;图8-33为长沙黄花机场钢管桁架。
热轧方矩形管应用于大型场馆钢结构。例如,首都博物馆新馆和广州新白云机场主航楼、连接桥、指廊等钢管结构,采用的方形管规格为500mm×500mm×22、16mm,矩形管为500mm×300mm×16mm;广州正佳商业广场的主桁架弦杆为450mm×450mm×25mm、35mm,直腹杆为450mm×450mm×20mm、30mm,x16mm、20mm、25mm、35mm,腹杆为450mm×350mm×16mm、20mm、次桁架弦杆为450mm×350mm×25mm、35mm;北京奥运会国家游泳中心(“水立方”)钢结构用热轧方矩形管最大壁厚达到40mm,如450mm×300mm×40mm。以上钢结构建筑在建造时采用的无缝方矩形钢管均从国外引进。图8-34是国家游泳中心“水立方”方矩形钢管结构。
焊管在钢结构中的应用也很广泛。例如,上海世博会中国馆中,直缝埋弧焊管用量为2800t,典型规格有φ750mm×35mm,钢级Q345B,单根长度约32m,9根组成一根柱子,4根柱子支撑起近万吨的“东方之冠”。矩形斜支撑钢管1200t,800mm×1500mm×35mm Q345B;方管1000余吨8800mmx800mm×(25~50)mm Q345B Q345GJC。贵阳奥体中心的体育场大量采用高频直缝焊管,从材质Q345、规格6mm、ф219mm×8mm,一直到材质Q390、规格φ377mm×12mm,达几十个品种。广州新电视塔总高610m,主塔高454m,天线高156m。其中24根钢管混凝土柱,底部钢管直径2m,顶部直径减小到1.2m,壁厚最大为50mm,材质为Q345GJC、Q390GJC。这部分钢管主要采用辊弯式成形,由钢结构厂制造;环梁、斜支撑、天线采用直缝埋弧焊管制造,详细规格、牌号见表8-16所示。该工程共使用钢结构5.5万吨,其中24根柱16940t,环梁、斜支撑、天线超过12000t。图8-35为广州电视塔主柱、环梁、斜支撑形成的钢管结构。