250米超高层建筑框架柱的选型研究.doc

250米超高层建筑框架柱的选型研究蔡文杰（广东省南方电信规划咨询设计院有限公司 深圳 518000）摘要提出250米超高层框架-核心筒结构中框架柱的选型需要考虑的因素，阐述了框架柱主要分类及优缺点，并结合实际工程，对几种主要的框架柱选型进行了技术经济性对比分析，对今后工程设计和建设方判断方案的经济合理性具有参考价值。关键词钢筋混凝土柱 型钢混凝土柱 钢管混凝土柱 钢管混凝土叠合柱 钢管约束混凝土柱 技术经济对比0 前言随着经济增长的放缓，各行各业面临经济结构调整的压力。房地产首当其冲迎来巨大的调整，建设工程量在下降，利润率在降低，逼迫建设方降低成本，以求生存。土建成本中，结构的设计优化占据相当的比例。而优化设计重中之重是在结构选型，此应该高于施工图设计的精细化管理的重要性。本文就250米超高层建筑框架柱的选型做一些探讨。经初步统计，250米超高层建筑在平立面比较规则的情况下，大部分为框架-核心筒结构体系。超过250米则可能需要设置加强层，以控制位移。核心筒一般为钢筋混凝土剪力墙结构，少数项目因为截面厚度的限制或超限审查需增加构件延性，设置型钢，以提高轴压比的限制条件。只有框架柱面临多项选择，需要从各方面进行经济技术性对比分析，权衡利弊，找到最适合项目自身的结构形式。目前框架柱主要的结构形式分为以下几种：（1）钢筋混凝土柱；（2）型钢混凝土柱；（3）钢管混凝土柱；（4）钢管混凝土叠合柱；（5）钢管约束混凝土柱。1常用框架柱的结构类型和特点1.1钢筋混凝土柱钢筋混凝土柱是结构设计中最常见的结构类型。（1）柱尺寸较大，影响建筑功能和美观，如底部尺寸过大影响建筑立面效果，地下室影响停车位和行车路线等；（2）造成结构易形成超短柱，抗震性能差；（3）钢筋混凝土梁与柱节点连接施工简单，常规施工即可；（4）需要支模拆模；（5）造价低廉。 1.2型钢混凝土柱 型钢混凝土柱是对钢筋混凝土柱的改进类型。（1）截面尺寸比钢筋混凝土柱缩小，但仍然较大；（2）抗震性能好，各国对其受力性能的研究很充分，并且在日本高层建筑广泛应用，并经受了实际地震的检验；（3）混凝土梁与柱节点连接施工复杂；（4）需要支模拆模；（5）造价较高。1.3钢管混凝土柱钢管混凝土柱也是比较成熟的结构类型。（1）截面尺寸适中；（2）抗震性能好，各国对其受力性能的研究很充分，据有关资料介绍，美国现在最大的钢管混凝土柱直径已经做到了2米多；（3）混凝土梁与柱节点连接施工复杂；（4）不需要支模拆模。柱内混凝土浇注较为方便；（5）造价较高；（6）需涂防火防腐涂料，后期维护费用较高。1.4钢管混凝土叠合柱钢管混凝土叠合柱是在钢管混凝土柱基础上的改良。（1）截面尺寸适中；（2）抗震性能好（3）混凝土梁与柱节点连接施工复杂；（4）需要支模拆模。柱内混凝土浇注较为方便，柱外混凝土浇注较困难；（5）造价较高；（6）不需涂防火防腐涂料。1.5钢管约束混凝土柱钢管约束混凝土柱是周绪红、刘界鹏提出的新型结构形式。（1）截面尺寸较小；（2）抗震性能极好（3）混凝土梁与柱节点连接施工简单；（4）不需要支模拆模，柱内混凝土浇注较为方便；（5）造价较低；（6）需要防火和防腐；（7）工程应用历史不长。2工程实例本工程位于深圳福田科技园片区，为多层裙房商业、塔楼超高层办公楼一体的大型城市综合体。地下室4层，裙房7层，塔楼56层，塔楼最高为249.90米。选取其中一个塔楼，最低一层标准层的边柱进行对比设计。此柱的抗震等级为特一级，柱所在层高为4.3m，选取其整体计算模型的最大轴力N=71000KN，构造上选取规范限制设计。造价按混凝土650元/ m3，钢筋5000元/ 吨，钢管11000元/吨，型钢10000元/吨计算。2.1钢筋混凝土柱钢筋混凝土柱采用混凝土强度等级C60，钢筋采用HRB400，轴压比采用0.7，全部纵筋最小配筋率为1.4%，柱箍筋加密区箍筋的体积配箍率为1.45%。依据以上条件设计得到的柱截面为2mX2m。详见大样1。造价统计：混凝土：17.2m3，计1.118万元钢筋：3979Kg，计1.990万元模板：计0.172万元共计：3.28万元2.2型钢混凝土柱型钢混凝土柱采用混凝土强度等级C60，钢材采用Q345B，钢筋采用HRB400，轴压比采用0.65，型钢的含钢率不小于4%，不大于10%，全部纵筋最小配筋率为0.8%，柱箍筋加密区箍筋的体积配箍率为1.23%。依据以上条件设计得到的柱截面为1.6mX1.6m。详见大样2。造价统计：混凝土：10.5m3，计0.683万元型钢：3862Kg，计3.862万元钢筋：1880Kg，计0.940万元模板：计0.1376万元共计：5.623万元2.3钢管混凝土柱钢管混凝土柱采用混凝土强度等级C60，钢材采用Q345B，钢筋采用HRB400，轴压比采用0.65，型钢的含钢率不小于4%，不大于10%，全部纵筋最小配筋率为0.8%，柱箍筋加密区箍筋的体积配箍率为1.23%。依据以上条件设计得到的柱截面为直径1.7m。详见大样3。造价统计：混凝土：8.97m3，计0.583万元型钢：6177Kg，计6.795万元防火防腐：计0.528万元共计：7.906万元2.4钢管混凝土叠合柱钢管混凝土叠合柱采用混凝土强度等级C60，钢材采用Q345B，钢筋采用HRB400，轴压比（管外钢筋混凝土）采用0.7，型钢的含钢率不小于4%，全部纵筋最小配筋率（按钢管外混凝土截面面积计算）为1.3%，柱箍筋加密区箍筋的体积配箍率（按外围箍筋内皮与钢管之间混凝土的体积计算）为1.45%。不同期施工的叠合柱施工难度较大，为保证施工质量和工期，一般情况下均选择同期施工的叠合柱。依据以上条件设计得到的柱截面为1.5mX1.5m。详见大样4。造价统计：混凝土：9.17m3，计0.596万元型钢：3949Kg，计4.344万元钢筋：1571Kg，计0.786万元模板：计0.129万元共计：5.855万元2.5钢管约束混凝土柱钢管约束混凝土柱采用混凝土强度等级C60，钢材采用Q345B，钢筋采用HRB400，轴压比采用1，型钢的含钢率不小于4%，全部纵筋最小配筋率为0.8%，柱箍筋加密区箍筋的体积配箍率为1.45%。依据以上条件设计得到的柱截面为直径1.3m。详见大样5。造价统计：混凝土：5.44m3，计0.354万元型钢：2041Kg，计2.245万元钢筋：933Kg，计0.467万元共计：3.066万元类型造价（万元）尺寸（m2）防火防腐抗震性能施工难易（混凝土浇筑质量和节点施工）支模钢筋混凝土柱3.284 不需要差容易需要型钢混凝土柱5.6232.56不需要好较难需要钢管混凝土柱7.9062.27需要极好较容易不需要钢管混凝土叠合柱5.8552.25不需要好较难需要钢管约束混凝土柱3.0661.33需要极好容易不需要综上所述，综合效益从优到次排序为：1.钢管约束混凝土柱，2.钢管混凝土叠合柱，3.钢管混凝土柱，4. 型钢混凝土柱，5. 钢筋混凝土柱。本工程框架柱在下部约1/2区段轴力较大，选用钢管混凝土叠合柱，上部约1/2区段轴力较小，采用钢筋混凝土柱。3结论和建议钢筋混凝土柱，造价低廉、施工方便，但限于截面尺寸较大，底部轴力较大部位建筑专业不会同意使用。宜用于上部1/2区域轴力较小部位。钢管混凝土柱多用在楼层梁为钢结构的体系中，施工速度较快。型钢混凝土柱和钢管混凝土叠合柱现在在深圳的应用都比较成熟了。从深圳地区的调查资料， 250米超高层建筑框架柱的选型中，型钢混凝土柱和钢管混凝土叠合柱各占一半。随着钢管混凝土叠合柱施工经验的积累和节点设计的完善，钢管混凝土叠合柱有增多的趋势。钢管约束混凝土柱成本最低，但节点承载力计算与防火性能存在一定争议，实际工程应用经验不多，故本工程未采用。但其是一种新型的结构，随着理论研究的深入和工程经验的积累，相信会成为超高层结构的一种选择。在具体项目中应综合各方面因素，如建筑尺寸要求、材料供应、设计能力、施工质量等，选取符合项目实际需求的框架柱类型，使结构设计达到经济适用、安全合理的要求。参考文献：（1）建筑抗震设计规范 GB5001