鋼管結構因其具有優美的外觀、合理的受力特點以及優越的經濟性,在現代工業廠房、倉庫、大型場館、航站樓、高鐵站及商業中心、賓館、居民住宅等建筑中得到了廣泛的應用,如早期的上海體育場、上海科技城、首都機場T2航站樓、廣州新白云及航站樓、廣州國際會展中心、上海新國際博覽中心等;近十年來的應用如上海世博會中國館、廣州電視塔、首都博物館新館和廣州新白云機場、首都新機場、青島新機場等均采用了鋼管結構。工程實際表明,鋼管結構既可以很好地滿足建筑要求,又能夠使結構達到安全、適用、經濟等性能指標,符合鋼結構的最新設計觀念。
鋼管結構在建筑領域里主要的應用包括:高層結構、大跨度空間結構、輕型鋼結構、鋼管和混凝土組合結構等。鋼管結構分為三大類,即圓管結構、方矩形管結構、其他形狀(如異形管結構)。
在不同的建筑結構中,不同管形的鋼管使用占比也不同。在大型建筑主體鋼管結構中,無縫鋼管用量占比約為25%,規格≤Φ500mm;直縫埋弧焊管用量約占65%,規格≤φ800mm;高頻直縫焊管用量約占10%,規格≤φ219mm;牌號一般為Q345~Q390。鋼管強度級別已從過去的Q235、Q345逐步向Q345、≤φ219mQ390、Q420和Q460級的強度轉變,下面舉例說明鋼管在典型建筑結構中的應用。
無縫鋼管在大型建筑鋼結構中應用。例如北京新機場:航站樓鋼網架結構分核心區、指廊兩大部分,均由支撐系統和屋蓋鋼結構組成,總用鋼量約為4萬多噸,核心區屋蓋鋼結構面積達18萬平方米,以8根C型柱為主要支撐,C型柱間距達200m,整個核心區屋頂由63450根桿件(鋼管)和12300個球節點拼裝而成。指廊鋼網架為不規則自由曲面,采用桁架和網架混合結構,最大跨度41.6m,網架最大高差約5m。鋼結構桿件采用圓鋼管截面和方鋼管截面,節點為相貫節點或焊接球,5個指廊屋面鋼網架一共由8472個焊接球、55267根桿件(鋼管)拼裝而成。C型柱由鋼管和方形鋼管柱組成,雙層處鋼管為φ219mmmm×12mm~φ800mm×30mmm,單層處鋼管為φ800mmm×30mm~φ1500mm×4040mm,材質:大規格為Q460GJC,小規格為345B。上海世博會中國館建筑用鋼管約6000t,其中無縫鋼管1200t,規格為φ450mm×42mm、φ435mm、φ299m9mm×25mm16mm、φ245mnm×20n0mm、φ114mm×10mm等,材質為Q345B、Q345GJC。成都雙流機場:鋼管桁架上弦管φ273mm×(16~20)nmm,下弦管(跨中部位)51mm×(16~20))mm,懸挑段下弦管 φ299mm×16mm,水平腹桿φ114mm×8mm,豎向腹桿φ159~140×φ351m10mm,材質Q345C。另外,該建筑還采用了100mm×100mm×3mm、260mm×180mm×8mm 方矩形焊管。圖8-31為北京新機場采用無縫鋼管制作的網架結構;圖8-32為廣州新白云機場鋼管結構幕墻;圖8-33為長沙黃花機場鋼管桁架。
熱軋方矩形管應用于大型場館鋼結構。例如,首都博物館新館和廣州新白云機場主航樓、連接橋、指廊等鋼管結構,采用的方形管規格為500mm×500mm×22、16mm,矩形管為500mm×300mm×16mm;廣州正佳商業廣場的主桁架弦桿為450mm×450mm×25mm、35mm,直腹桿為450mm×450mm×20mm、30mm,x16mm、20mm、25mm、35mm,腹桿為450mm×350mm×16mm、20mm、次桁架弦桿為450mm×350mm×25mm、35mm;北京奧運會國家游泳中心(“水立方”)鋼結構用熱軋方矩形管最大壁厚達到40mm,如450mm×300mm×40mm。以上鋼結構建筑在建造時采用的無縫方矩形鋼管均從國外引進。圖8-34是國家游泳中心“水立方”方矩形鋼管結構。
焊管在鋼結構中的應用也很廣泛。例如,上海世博會中國館中,直縫埋弧焊管用量為2800t,典型規格有φ750mm×35mm,鋼級Q345B,單根長度約32m,9根組成一根柱子,4根柱子支撐起近萬噸的“東方之冠”。矩形斜支撐鋼管1200t,800mm×1500mm×35mm Q345B;方管1000余噸8800mmx800mm×(25~50)mm Q345B Q345GJC。貴陽奧體中心的體育場大量采用高頻直縫焊管,從材質Q345、規格6mm、ф219mm×8mm,一直到材質Q390、規格φ377mm×12mm,達幾十個品種。廣州新電視塔總高610m,主塔高454m,天線高156m。其中24根鋼管混凝土柱,底部鋼管直徑2m,頂部直徑減小到1.2m,壁厚最大為50mm,材質為Q345GJC、Q390GJC。這部分鋼管主要采用輥彎式成形,由鋼結構廠制造;環梁、斜支撐、天線采用直縫埋弧焊管制造,詳細規格、牌號見表8-16所示。該工程共使用鋼結構5.5萬噸,其中24根柱16940t,環梁、斜支撐、天線超過12000t。圖8-35為廣州電視塔主柱、環梁、斜支撐形成的鋼管結構。