钢管混凝土叠合柱的设计概念与技术经济性分析

1、第 38 卷 第 3 期 建 筑 结 构 2008 年 3 月 钢管混凝土叠合柱的设计概念与技术经济性分析 林立岩 李庆 钢 ( 辽宁 省建 筑设 计研 究院 沈 阳 110005 提 要 回顾 了钢 管混 凝土叠 合柱 技术的 发展 和取得 的 成就 。通 过一 项 具体 工程 的 柱子 设计 , 论述 钢 管混 凝 土叠合 柱的 特点与 设计 概念 , 对 成柱 过程 中 不 同组 成 材料 采 取强 化 、组合 、约束 、叠合 等 手 段 , 达 到 截 面优 化 。 同时分 析讨 论叠合 柱的 技术 经济性 和优 化设计 的目 标。 关 键词 叠合柱 强化 组合 约束 叠合 优化 De

2、sign Concept and Analysis of Technical Economy for Steel Tube 2 reinforced Concrete Column P Authors: Lin Liyan, Li Qinggang(Liaoning Provincial Building Design & Research Institute, Shenyang 110005, China Abstract : By means of the design procedure of a column in a project, the design concept o

3、f steel tube 2 reinforced concrete column is presented. During the shaping process of the column, measures of strengthening, combining, constraining and superposing different materials of which the column is consisted are taken to achieve the target of optimum column cross 2 section. In addition, th

4、e technical economy and optimizing design target for the steel tube 2 reinforced concrete column are analyzed and discussed. Keywords : steel tube 2 reinforced concrete column; strengthening; combining; constraining; superposing; optimization 1 前言 钢管混凝 土叠 合柱 ( 简称 叠合 柱 于 1995 年 首次 在沈阳日报大 厦地下 室工 程中应 用

5、 1 , 使自支 护半逆 作法施工地下 室获 得成功。 1996 年 , 辽 宁省邮 政枢纽 工程采用叠合 柱 , 成为 第一 幢采用 钢管 混凝土 叠合柱 结构的高层建筑 2, 3 。经过 10 年的 深化 研究 , 叠 合柱 结构体系已在 国内 不少高 层或地 下工 程中获 得应用 , 如某市的地铁车站 , 地下 4 层 , 地 上 16 层 , 以 叠合柱具 有良好的抗震、抗火、抗爆、抗 冲撞性 能以 及有利 于自 支护、半逆作法施工的优点加以应用。 清华大学、哈尔 滨工业大学、大 连理工 大学 等单位 进行 了大量 的结构 性能试验 , 使这种结构日趋成熟 , 已成为 我国自主开发 的

6、一种结构体系。由清华大学和辽宁省 建筑设计研究 院主编 的 5 钢 管 混 凝 土 叠 合 柱 技 术 规 程 6 ( CECS188: 2005 4 ( 简称 5 规 程 6 已 于 2005 年 11 月 1 日颁 布施 行。 钢管混凝土叠合柱是由截面中部的钢管混凝土柱 和钢管外的钢筋混凝土叠 合而成 的柱 ( 图 1 。 钢管外 的钢筋混凝土可 以滞 后 ( 不 同期 浇筑 , 也可以 和管内 混凝土同期浇筑 ( 但可以用不同的强度 等级 。叠合柱 的核心部分设 置钢管 混凝 土柱 , 让 它承 受总轴 力的约 3 P 4, 并提供主要 抗剪 承载 力 ; 外 围混 凝 土仅 承担 总轴

7、 力的 1 P 4 左右 , 让 它的 轴 压比 小 , 变 形 能力 大 , 并 承受 截面上的大部分弯矩。外围混凝土中的 纵筋尽量以直 径粗且根数少 的方式 布置 于截面 的角区 , 主筋 和箍筋 图 1 叠合柱截面 还应满足外围混凝土的最小配筋率要求。 5 规 程 6 应 用 之 初 , 有 的 技 术 人 员 对 该 种 结 构 体 系 的技术经济性掌 握不 好 , 对施 工的 难易程 度也 不甚理 解。几年来的试点工程表明 , 只要合理组 织 , 这种结构 的施工并不复杂 , 节点构造也很简单可靠 , 和普通混凝 土柱比较 , 由于后叠合部分的施工不占主 导工期 , 整体 施工进度要

8、 快 , 梁钢 筋的绑 扎和 定位精 度高。至 于柱 本身的技术经济性 , 与普通混凝土柱比较 , 首先表现在 可以明显 减小 柱断 面 上 , 建 筑 自 重减 轻 , 水泥 用 量减 少 , 建设能耗降低 ; 其次两者总用钢量基本 持平或略有 增加 ; 与相同荷载相同断面的型钢混凝土 柱比较 , 用钢 量要少得多。 几年来 , 随着高 强高 性能混 凝土的 推广 应用 和高 强厚壁直缝埋弧 焊管 的大量 供应 , 使叠合 柱的 设计可 以做到更加先 进合理、更加 经济。 尤其是 C80 级 以上 高强、高弹 性模 量、高施 工 性能 的 超高 强 混凝 土 的应 17 -Page 1- 用

9、 , 更使叠合柱 的优 越性得 以充 分发 挥。表 1 列 举了 来讨论钢管混凝土叠合柱的优越性。 沈阳市已成功 建成 并采用 C100 级混 凝土 的几个 工程 2 钢管混凝土叠合柱的成柱特点和设计概念 实例 , 均由一 般土建 施工 队伍施 工。这些 工程大 都是 通过商业开发 投资修 建 , 每 个工程 都要 和业主 一起作 详细的技术经济论证 , 让业主心服口 服。当然 , 分析论 证时一定要全面 , 不仅针对柱本身的造 价 , 还要考虑到 柱表面积减少 引起的 装修 造价的 降低 , 考虑到 增加使 用面积引起的综 合效 益等 , 如 表 1 中 第 5 项东大 科技 楼工程 由于柱

10、 断面由 1m 1m 减为 0 1 6m 0 1 6m, 使每 个标准教室都 能增设 一列 固定坐 席 ; 在 地下车 库中由 于柱断面减少 , 使柱间停车位由 2 个增加到 3 个等。 沈阳 市采 用 C100 级钢 管混 凝土叠 合柱 的工程 表 1 在高层重载柱 设计 时 , 增强 柱子承 载能 力和 抗震 性能的主要理念和方法有 : 1 强化 , 采用高 强高性能建 筑材料 ; 2 组合 , 将 不同 材料组 合到 一个构 件中 , 取长 补短 ; 3 约束 , 通过 对材 料间的 相互 约束 , 或 对弱 性材 料的约束改善其性能 ; 4 叠合 , 使内力在截 面中的分布 更趋合理

11、, 从 而增强 其抗力 和延 性。钢管混 凝土 叠合 柱兼容并蓄了以 上四 种增强 理念 , 优化配 置各 种成柱 材料 , 充分地发掘其潜力 , 大幅度减小成柱断面。 2 1 1 强化 提高建 筑 材料 的 材质。 目前 我 国已 能 生 产 高强 ( Q345 Q410 级钢材 、厚壁 ( 最厚可达 40 60mm 的结 序号 工程名称 地上层数 高度 (m 主体结构情况 备注 构用直缝埋弧焊 管 , 比 早期 使用 的 Q235 、壁 厚 12mm 建筑面积 ( 万 m 2 的螺旋卷管有了 长足 的进步 , 对管 内混凝 土可 以提供 框架筒体结构 , 外框 2001 年完成叠合 更大的

12、套箍指 标 ; 在混 凝土 材料方 面 , 高 强、高弹 性模 1 沈阳富 林广场 30 125 8 1 0 柱间距 层 8 以 上为 4 1 5m, 层 8 以下转换 为 9m, 采 用 框 支叠 柱施 工 , 为 我 国 第一次在钢管内 采 用 C100 自 密 量、可泵送、低收缩、低徐变、适量早强的混 凝土研制成 功 , 特别是有的 高强混 凝土的 后期 强度仍 有一 定的增 合柱 实混凝土 长 , 可以抵消由 于徐变 和材料 的非 线性引 起的 不良影 2 3 沈阳远 吉大厦 沈阳贵 和回迁 楼 28 96 1 1 2 1 43 28 89 1 45 5 1 1 地下室逆作法 , 从地

13、 下层 2 到 地 上层 5 为 框 支 层 , 用 叠 合 柱 , 地上层 6 以上为 剪力墙结构 大底盘上设双塔楼 , 塔楼为剪力墙结构 , 底部 4 层大 底 盘采 用框支叠合柱 2002 年完成叠合 柱施 工 , 2005 年 建成使用 2002 年完成叠合 柱施 工 , 2005 年 建成使用 响。由于叠合柱的特点在于其轴压承载力 主要来自性 价比较高的混凝土 , 而不主要靠钢材 , 这是 它在经济上 优于其它钢和混凝土组合柱结构的原因 所在。将超高 强混凝土用于钢管之中 , 可以抑制其自身 性能缺点 , 充 分发挥高强的特点 , 用量又少 , 是超高强混 凝土工程应 用的最佳场合。

14、辽 宁地 区已 有 20 多幢 高层 建筑 在管 内采用 C80 C100 级自 密实 混凝 土 , 其 配制 材料 已成 4 沈阳万 鑫大厦 框架 2 筒 体 结 构 , 塔 主塔 40, 副塔 34 楼均用叠合柱 , 最大 主塔 180, 副塔 148 柱边长 由 1 600 减为 19 1 8 1 200, 最 大 钢 管 < 864 22, Q345B 2005 年完成叠合 柱施 工 , 2006 年 结构 封 顶 , 为 沈 阳市目前最高建 筑 功实现国产化 5 。 2 1 2 组合 叠合柱基本上 是钢 和混凝 土的 组合 , 主 要靠 混凝 5 6 东北大 学科技 楼 沈阳宏

15、 发国际 茗城 16 66 1 1 3 1 99 32 110 5 1 0 框剪结构 , 带有 4 个 中庭 , 600 600 组合 柱 , 钢 管 为 < 377 16( 12, Q345B 框剪结构 , 每单元中 4 个受 力 最 大 的柱 为 1 200 1 200 叠合 柱 2005 年完成叠合 柱施 工 , 2006 年 上半 年结 构封 顶 , 2007 年 5 月 建成使用 2006 年完成叠合 柱施 工 , 2006 年 末主体建成 土承受轴 压力。钢 管内 用的 是高 强 素混 凝土 ( 如 C60 C100 级 , 钢管外用 的是一般 强度的 钢筋混凝 土 ( 如

16、C40 C60 级 。叠 合柱 基本 上 属于 混凝 土 结构 , 但由 于不同材料在截 面上 组合时 的分 布位置 合理 , 使核心 混凝土和核心钢 管一 起主要 起抗 压和抗 剪作用 , 外围 混凝土和 外围 钢 筋起 部 分抗 压 , 但主 要 起抗 弯 作用。 钢管主要起套箍约束作用 , 用量较少 , 用钢 量远远低于 注 : 钢 管 外 混 凝 土 均 为 C60 。 钢 管 内 混 凝 土 除 工 程 1 为 C90( 设 计 , C100( 施 工 外 , 其 余 工 程均 为 C100 。 表 1 中的几 个 已建 成实 例 均是 在 管内 采 用 C100 级混凝土 , 在管

17、外采用 C60 级混凝土 , 一 般柱断面的边 长可减少 400 600mm, 还有许多工程管内 采用 C80, 管 外用 C60 混凝土 , 也取 得了很 好的 经济 效益。辽 宁省 个别偏远地区的工程 , 管内用 C60, 管外用 C40 混凝土 , 也比全用 C40 级混凝土柱断面明显缩 小。下面通过对 叠合柱的成柱 特点 分析和 一项具 体工 程的柱 子设计 , 18 同样荷载的型钢混凝土柱和钢管混凝土柱。 2 1 3 约束 通过钢管约束 管内 素混凝 土 , 提高 其轴 压承 载力 和塑性 , 又通过 管外钢 筋混凝 土约 束核心 区的 钢管混 凝土 , 可充分利用钢管混凝土的短柱轴

18、压承载力。 关于钢管对管 内混 凝土的 约束 增强作 用 , 在 钢管 混凝土的文献中 已有详 细论述 6, 7 。下面 只讨 论管外 钢筋混凝土对核心钢管混凝土的约束增强作用。 管外钢筋混凝 土的 设置 , 一 方面使 钢管 壁不 会或 -Page 2- 推迟发生向外屈曲 , 提高钢管壁的轴压 极限强度 , 同时 由于管壁的增强 , 使之对管内混凝土的 约束作用增强 ; 另一方面管外 钢筋混 凝土 的存在 , 整体 上提高 了核心 钢管混凝土的受压稳定性和偏压时减小由于偏心距对 轴压强度的折减。 由文 8 可知 , 一般钢管混凝土柱的 承载力设计值 为其短柱的轴压承载力设 计值乘以 U 1

19、( 考虑 长细比影 工程的优化目标可以不同 , 如有的追求造 价最低 , 有的 追求断面最小 , 有的局限于用当地材料搞优 化设计 ( 如 利用当地现行的混凝土强度等级和可购到 的钢管规格 型号等 。这就 要求在 设计过 程中 因地制 宜地 控制调 整好各种设 计参数 , 总是能 达到 相对最 优的 目标。下 面结合一个柱子 的设 计过程 , 进一 步剖析 各种 设计参 数的影响和调整。 响的 承载力折 减系 数 和 U e ( 考 虑偏 心率 影响的 承载 3 一个柱子设计的技术经济性剖析 力折减系数 。只当柱的长细比 4 时 , U 1 才等于 1 1 0, 当长 细比 > 4 以后

20、 , U 1 急 剧减 少。 U e 的 折减 也很快。 试以一 个 < 508 的 钢管 混凝 土柱 为 例 , 其 计 算长 度为 4 1 2m, 则 U 1 = 0 1 76; 当偏心距 e = 100mm 时 , U e = 0 1 70, U 1 U e = 0 1 76 0 1 7= 0 1 532, 也就是说有接近一半 ( 47% 的短柱承载力 被折 减掉 了。所以 , 工程 界曾有 一种 议 论 , 认为钢管混凝土不适用于荷载很轻、弯矩较大的柱 , 管内也不必用强度等级大的混凝土 , 就是因为荷载过小 时 , 选的管径不能过小 , 致使其短柱承载力未能发挥。 叠合柱结构

21、是钢筋 混凝 土结构 , 柱子 的稳定 性宜 按钢筋混凝土柱 考虑 , 只当长 细 比 > 8 时才 进行 承载 力折减 , 当 柱中 钢 管居 中 时 , 外 围 混凝 土 承受 主 要弯 矩 , 也无需进行 U e 折减。因此只要控制好叠合柱的尺 寸 ( 实际工程中很容易做到长细比 8 , 其核心钢管不 论尺寸大小 , 其短柱的轴压承载力可以充分加以利用。 某高层建筑主体 28 层 , 地下 2 层 , 顶部塔楼另加 6 层 , 采用框架 2 核心筒结构 , 标准层平面见 图 2 。现设计 地面首层的柱子 , 在图 2 中标示的柱 A 轴力最大 , 则方 案设计阶 段取 该柱 进行设

22、 计剖 析。按 7 度 设 防 , 柱 A 的抗震等级为二级。 叠合柱具有 多重约 束作 用 : 钢管 壁约 束管内 混凝 土 , 钢管内、外混 凝土 约束钢 管壁 , 管 外钢 筋混凝 土又 图 2 标 准层 结 构 平 面 图 对核心钢管混凝土构成整体约束。在这 种相互多重约 束下 , 改善了各种材料的应力状态和工 作条件 , 使叠合 柱中各种材料的优点和性能都可以充分发挥出来。 2 1 4 叠合 利用时间差 进行截 面优 化组合 , 达到 竖向轴 向力 的合理分配。 混凝土 理论证 明 9 , 柱子的 抗震延 性控 制 , 实质上是控制 柱子 在设计 阶段 ( 小震 组合 的压应 变值不

23、应过大 ; 无论普通混凝土柱或组 合柱 , 在偏压破 坏时的最大压 应变均 发生 在截面 的边缘 , 大震 时当边 缘 混 凝 土 的 压 应 变 超 过 极 限 压 应 变 值 ( 0 1 003 0 1 003 3 时 , 则产生 压溃现 象 , 导致 截面 破坏。叠 合理 念是设法改变 设计阶 段轴 力在截 面上的 分布 , 减小外 围混凝土的边 缘压应 变值 , 使之与 极限 压应变 值相差 更大 , 达到增加截面 的转动 变形 能力 , 增 加延 性 , 并可 适当减小柱外围的截面积。而核心区的 钢管混凝土没 有控制轴压比 的要求 , 则通 过叠合 可分 担到更 多的轴 力 , 可充

24、分利用其短柱的承载力。 叠合柱设计理念正是综合利用以上 四种 ( 强化、组 合、约束、叠合 增强手段 , 使各种材料合 理巧妙地组合 于一个构件之中 , 实现优化配置。在具 体操作时 , 每个 3 1 1 轴力估算 2 15kN P m 2 , 设计荷载为 1 1 35 15= 20 1 25kN P m 2 , 受荷层数 28 层 , 总轴力设计值 N = 28 64 20 1 25= 36 288kN 。 柱 A 靠近核心筒体 , 与筒体间有梁板相连 , 电算时 将结构按弹性体分 析 , 柱 A 承受的 竖向力 要向 竖向刚 度大的筒体转移 , 故电 算算出 的柱 轴力比 上面 的估算 值

25、偏小。轴力大小及其在叠合柱中的分配 是叠合柱设 计中的一 个非 常敏 感 的问 题 , 力 求准 确 并偏 安 全 , 故 5 规程 6 6 1 2 1 6 条中规定 / 当框架抗震等级为 特一级和一 级时 , 应取电算 和按柱 实际受 荷面 积和荷 载情 况计算 所得两个轴压力设 计值中 的较大 者 0 。柱 A 抗 震等级 虽为二级 , 但由于它靠核心筒过近 , 故仍应 按受荷面积 估算 , 取 N = 36 288kN 进行截面设计。 3 1 2 初选断面 为了比较 , 先 按普通 混凝 土柱 设计 断面。沈 阳地 区在高层建筑 中已 普遍 使用 C60 级混 凝土 , 轴压 比 n 按

26、 0 1 8 控制 , 需截面积 A = N P nf c = 36 288 P ( 0 1 8 27 1 5 = 1 1 65m 2 , 取 1 1 3m 1 1 3m= 1 1 69m 2 , 配筋率暂按最小配 筋率 , 取构造值配 置 ( 图 3( a 。由 于底部 各层 层高为 19 柱 A 受 荷 面 积 为 64m P 层 , 平 均 标 准 荷 载 按 -Page 3- 4 1 8m, 当柱边 长为 1 1 3m 时均 系短柱 , 轴压比限 值应减 去 0 1 05, 则柱断 面应 改为 1 1 35m 1 1 35m, 现 仍按 1 1 3m 1 1 3m 与叠合柱进行比较。

27、在初选 叠合 柱断 面时 , 考虑 到沈 阳地 区采 用 C80 C100 级超 高强 混凝 土已有 成熟 经验 , C80 C100 级 混凝土的生产和配制技术已通过国家级鉴定并获部级 科技进步奖 , 同 时各种 规格 的厚壁 直缝 埋弧焊 管已批 量生产 , 可以代 替早期 应用 的壁厚 较薄 的螺旋 缝焊接 卷管。因此初步选 定如图 3( b ( d 所示三种 叠合柱 断面方案 , 经与 业 主沟 通 , 最后 取 断面 最 小为 优 化目 标 , 故下面均取方案 Ñ作进一步深化分析验算。 钢 管 的 材 质 取 Q345B, 早 期 设 计 叠 合 柱 常 用 Q235B,

28、前者比后者强度 提高约 50% , 而 价格仅 增加约 10% , 故当 前应 优 先选 用性 价 比优 越 的 Q345B 。 近年 来国内有的钢管 厂已开 始用强度 更高的 Q390 和 Q410 钢板生产厚壁直缝钢管 , 可提供更大的 套箍指标 , 性价 比更好 , 是今后发展的方向。 叠合柱 钢管 内 的混 凝 土一 般 采取 逐 层浇 筑 的方 法 , 每层为一浇筑段 , 由管的上口向下 浇灌。对高层建 筑而言 , 要求混凝土 的施工 性能 为 : 可泵 送、免振 自密 实、不发生泌水离析 现象 , 初 凝时 间不过 早 ; 从结 构角 度要求是 : 高强、高弹性模量、高耐久 性、低

29、收缩。管外 混凝土一般 占总 截面 积的 2 P 3 左右 , 当 采用 价格 较低 的 C60 及 C60 以下级 混凝 土时 , 可基 本控 制住柱 子的 造价。且 C60 及 C60 以下的混凝土具有 很好的抗火性 能 , 脆性比超高强混 凝土小 , 弹性 模量较 低 , 有利 于控 制轴向刚度使总轴力向核心钢管混凝 土分配。钢管的 外径 D , 一般取柱截 面边长减 去 300mm 左右。 这样既 有利于施工 , 又 保证核 心钢 管混凝 土获 得较大 的竖向 刚度。 3 1 3 核心钢管混凝土 钢管 的外径为 508mm, 壁 厚 30mm, 材质 为 Q345B, 管内灌 C100

30、 混凝土 , 钢管截面积 A a = 45 050 1 5mm 2 , 钢 管内混凝土面积 A cc = 157 633mm 2 , 套 箍指标按 5 规程 6 式 6 1 2 1 5 2 2 为 H = f a A a P f cc A cc = 295 45 050 1 5 P (43 1 9 157 633 = 1 1 92 核心钢管混凝土短柱 ( U 1 = 1 1 0 的轴 压承载力 , 依 5 规程 6 6 1 2 1 5 2 1 式为 N u = U 1 f cc A cc ( 1 + 1 1 8 H = 1 1 0 43 1 9 157 633( 1 + 1 1 8 1 1 9

31、2 = 30 836kN 如果分别计算空钢管的短柱承载力和 管内混凝土 的短柱承载力 则分别 为 295 45 050 1 5 = 13 289 1 9kN 和 43 1 9 157 633= 6 920 1 1kN, 二者 之和为 20 210kN, 远小 于 N u , 约束增强系数为 30 836 P 20 210= 1 1 53 。 钢管混凝土由 两种 材料组 合而 成 , 其轴 压力 不是 1+ 1= 2, 而是 ( 1+ 1 1 1 53= 3 1 06, 远 大于 2 。 反观目 前工程上常用的 型钢 混凝土 柱和 方钢管 混凝土 柱 , 它 们也是用两种同 样的 材料组 合而

32、成 , 但短 柱的 总轴压 承载力基本上都是 两种材料 轴压承 载力之和 , 即 1+ 1 = 2 。 试 以 方 钢 管 混 凝 土 柱 为 例 作 比 较 , 当 二 者 用 同 样 的 C100 混 凝土 和 Q345B 钢材 时 , 要达 到 与 < 508 30 圆钢管混凝土柱 同样 的轴压 承载 力 , 方钢 管的 边长应 取 550 550, 钢板 厚度 取 32 1 5mm 。 足见 , 后 者无 论截 面积、用钢量和混凝土用量 都分别比 < 508 30 圆钢管 混凝土柱大 49% , 59% , 70% 。 3 1 4 轴压力在叠合柱中的分配 叠合柱的 截面 轴

33、 向刚 度 , 按 5 规 程 6 式 5 1 2 1 3 2 1, 可 表达为 EA = E co A co + ( E cc A cc + E a A a 。 这种表达方法 是一 般组合 结构 的通用 表达 方法 , 后两项为核心钢管混凝土的轴向刚度。考 虑到管内混 凝土受钢管的约 束后 呈三向 受力 状态 , 其 弹性 模量明 显提高 ; 钢管壁在混凝土的约束下刚度亦 有提高 , 组合 后二者组合刚度的提高随钢管混凝土组合 强度的提高 而 同 比 例 提 高 , 则 核 心 钢 管 混 凝 土 的 轴 向 刚 度 应 按 5 规 程 6 6 1 2 1 3 条 的规定 , 仍取管内 混凝

34、 土 的弹性刚 度乘以 约束提高系数 , 表示为 E cc A cc ( 1+ 1 1 8 H 。 本例为 4 1 1 10 4 157 633 ( 1 + 1 1 8 1 1 92 = 280 1 97 10 8 N, 外围 混 凝 土 面积 A co = 800 800 - P 508 2 P 4= 437 317mm 2 , 外围混 凝土的轴向 刚度 E co A co = 3 1 6 104 437 317 = 157 1 43 10 8 N, 叠合 柱 轴 向 刚度 EA = 157 1 43 10 8 + 280 1 97 10 8 = 438 1 4 10 8 N 。 20 图

35、3 柱 截 面 方 案 比较 外围混凝土的轴向刚度占总刚度的比例 : -Page 4- K 0 = E co A co P EA = 157 1 43 10 8 P ( 438 1 4 10 8 = 0 1 36 核心钢 管混 凝土 轴向 刚度占 总刚 度的 比例 : K c = 1- 0 1 36= 0 1 64 。 叠合成 整体后 , 新加 上的轴力将 按 K 0 和 K c 的比 例分配到外围混凝土和核心钢管混凝 土中。根据一些 试点工程的 经验 , K c 值 应 控制 在 0 1 6 以上 才更 有利。 由于核心钢管混凝土的轴压强度可以得到最充分的发 挥利用 , 提高它的刚 度比例

36、, 让它 多承担 轴向 力 , 是经 济合理的。这也是叠合柱的突出特点。 3 1 5 确定叠合比 按 5 规程 6 式 6 1 2 1 2, 叠合比 m = N i P N , 式中 N 为叠 合柱的轴 压力 设计值 , N i 为 浇筑 钢管外 混凝 土前 , 钢 管混凝土柱已承受的轴压力设计值。可 按该柱的受荷 面积 , 已支承楼板的层数 , 按实际的活荷 载标准值和静 荷载标准值乘以各自的分项系数计算出。 叠合比 m 是叠合柱设计时非常 重要的 设计参数 , 是促使核心钢管混凝土的轴压强度得以充分利用和调 控外围钢筋混 凝土轴 压比 值的最 主要手 段 , 也 是影响 叠合柱经 济性 的

37、 重要 参 数。 m 取值 一 般在 0 1 2 0 1 6 之间 , 试点工 程中最 小的 m 曾 取过 0 1 15, 最大 取 0 1 6 。 当 m = 0 时 , 为管内外混凝土 同期浇 筑的叠合 柱 ( 又称 组合柱 , 宜在承载力较小 ( N 20 000kN 的柱中使用。 承载力 N 很 大时 , 柱断 面较 大 , 相 应核 心钢 管混 凝土 的截面和承载力也大 , 为充分利用其短柱承载力 , m 可 取大些。 m 一般通过 试算 优化确 定 , 但 要首先 满足以 下三个约束条件 : 1 钢 管混 凝土承 受的轴 压力 设计值 N cc < 0 1 9 N u , 见

38、 5 规 程 6 式 6 1 2 1 4; 2 钢 管混 凝土的 轴压 比 n = N co P f co A co 轴 压 比 限 值 n , 见 5 规 程 6 式 6 1 2 1 14; 3 无地震作用组合时 ( 5 规程 6 式 6 1 2 1 7 2 1 : N 0 1 9 U ( f co A co + f c y A ss + f cc A cc ( 1 + 1 1 8 H 有地震作用组合时 ( 5 规程 6 式 6 1 2 1 7 2 2 : N 0 1 9 U ( f co A co + f c y A ss + f cc A cc ( 1 + 1 1 8 H P C RE

39、当 m 取 0 1 3 时 , 本例能满足以上三个条件 , 具体验 算如下。条件 1: N i = mN = 0 1 3 36 288= 10 886 1 4kN N cc = ( N - N i K c + N i = 27 143kN< 0 1 9 N u = 27 752kN( 可 条件 2: n = ( N - N cc P f co A co = ( 36 288 000- 27 143 000 P (27 1 5 437 317 = 0 1 76< 0 1 8( 可 柱的长细比 l 0 P b = 5 1 4 P 0 1 8= 6 1 75< 8, 故 取 U =

40、 1 1 0, 则 5 规 程 6 式 6 1 2 1 7 2 1 的 右 端 项 为 0 1 9 1 1 0 ( 27 1 5 437 317+ 300 5 890 1 8 + 43 1 9 157 633 ( 1+ 1 1 8 1 1 92 = 40 167kN> 36 288kN( 满足规程要求 。 除以上三个主 要约 束条件 外 , 叠合 柱设 计还 应验 算偏 压 承 载 力 ( 规 程 6 1 2 1 9 条 , 抗 剪 承 载 力 ( 6 1 2 1 10 条 , 偏心受拉时的斜截面抗剪承载力 ( 6 1 2 1 11 条 等以 及检验一些构 造要 求 , 如含 管率、纵

41、筋配 筋率、配 箍率 等。以上各项较容易得到满足 , 可在 m 确定之 后逐一 检验。 3 1 6 整体复核和偏压验算 m 确定之后 , 柱子截 面基本确 定。这时可 以根据 5 规程 6 5 1 2 1 3 2 2 条求出柱的弯 曲刚度 , 再按等效 刚度的 原则 , 换算 为单 一混 凝 土材 料 ( 强 度等 级 同管 外 混凝 土 的截面尺寸 , 重新输入计算机进行全 结构分析。这 时可得出结构的各项变形指标 , 并得出每 个柱的内力 , 可再次进行前 述诸项 复核。只 是柱轴 力 N , 根 据前面 3 1 1 节中的规定 , 仍 取估算 值 ; 偏压 验算采 取近 似且偏 安全的方

42、法 : 弯矩取上述电算结果 M ( 全截面弯矩 , 叠 合柱的截 面尺 寸 ( 本例 为 800 800 按 单 一混 凝 土材 料 , 其强度等 级同 管外 混凝 土 ( 本例 为 C60 , 按 5 混凝 土结构设计规范 6 ( GB50010 关于钢筋混凝 土柱正截面 承载力的公式 计算。本 例在 7 度 区 , 计 算结 果仍 然是 构造配筋。 4 结论 由实例分析可知 , 通过优化设计的叠 合柱 , 其截面 积 ( 800 800 仅 为 普 通 混 凝 土 柱 ( 1 300 1 300 的 38% , 柱边长减小 500mm, 每个柱子周围可 增加 1 1 05m 2 的有效 使

43、 用 面 积 , 柱每 延 长 米 高 度 的装 饰 面 积 减 少 2m 2 。叠合柱的用钢量 ( 包括钢管和管外混 凝土中的钢 筋、钢箍 与普通混凝土柱的用钢量可以做 到基本持平 ( 本 例由于 采用较大 的套箍 指标 , 所 以钢管壁 较厚 , 用 钢量稍多一点 。为了更有效地改善叠合 柱的性能 , 用 钢量稍多一点是 完全 值得的 , 总比 其它类 型组 合柱有 更大的优越性。 本例叠合柱 截面中 , 占总 截面积 31 1 7% 的核 心钢 管混凝土承担 75% 的总 轴力 , 充分 利用了 钢管 混凝土 的短柱承载力 ; 占总截面 68 1 3% 的外围混凝土 , 仅仅承 担 25

44、% 的总轴力 , 可以控 制柱的 延性。不 少试 点工程 表明 , 这种分 配比例 是基本 合理 的。整个截 面中 仍然 是由管内、外 的混凝 土起主 要承 载作用。叠 合柱 结构 仍然 属于钢筋混凝土结构。 叠合柱在成柱 过程中 , 通过 / 强 化、组 合、约 束、叠 条 件 3: 外 围 混 凝 土 纵 筋 实 配 12 o L 25, A ss = 合 0 等 增强手 段的 综合应 用 , 将各 种建 筑材料 实行 优 2 ( 下转第 41 页 21 5 890 1 8mm , 含筋率 大于 1 1 2% 外围 混 凝土 面积 , 叠合 -Page 5- 状态。从图 ( c 可 见 ,

45、 直至 试件 破坏 , 芯钢 管也仅 在应 力集中的边缘 处和中 心局 部刚达 到屈服 , 而其 他大部 小。环向钢筋只 有最上 和最 下两根 屈服 , 其 余应 力值 均还远低于屈服应力 , 与试验结果吻合。 分区域应力 值未 达屈服 , 与试验 现象 相同。这一 现象 4 结论 说明节点还有较大的承载潜力。 3 1 节点混凝土应力分析 节点试件发 生破坏 时 , 芯 管内混 凝土 的 z 向 应力 分布云图如图 8 所示。由 图可 见 , 芯 管内 混凝土 的应 力分布和芯钢管的相似 , 呈上下对称 , 两端小、中间大 , 但应力值都不大。芯管外环箍约束的 混凝土 z 向应力 分布云图如图

46、 9 所示。除了梁上下钢筋 所在位置由于 应力集中 , 混凝土的应力值较大外 , 其它 部位应力分布 均匀 , 绝大部分混凝土的应力值都低于 峰值应力 , 约束 混凝土还有承载潜力。 ( 1 节点模型 的承载 力取决 于钢 管混凝 土柱 的承 载力。梁的破坏对节点的影响很小。柱达 到极限承载 力时 , 节点区 基本 完好。证明 节点 模型符 合 / 强 柱、弱 梁、节点更强 0 的抗震设计原则 , 节点构造 合理 , 受力性 能良好。 ( 2 节点区 的芯 钢管、环 箍、竖向 钢筋 和混凝 土在 模型破坏时应力值较小。绝大部分尚未达 到屈服强度 或极限强度 , 说 明节点 的承载 力高 于所连

47、 接构 件的承 载力。节点的承载力有待通过专门的节点破坏研究。 ( 3 节点在梁柱连接的区域局部中断 了外钢管 , 但 分析结果显示 , 上下钢 管受 力对称 , 芯钢 管、竖筋 和环 筋形成的骨架及节点区与上下柱连为一体 的混凝土很 好地起到 了 传递 和承 受 节 点荷 载 的作 用。节 点 的强 度、刚度和钢管混凝土柱的连续性良好。 图 8 芯 管 内 混 凝 土 z 向应 力 云 图 ( 4 有限元分析结果与模型试验结果 吻合良好 , 互 相验证了试验和分析结果的正确性。该种 节点用于工 程 , 可一定程度 上解决 目前节 点中 存在节 点传 递弯矩 能力弱和节点刚度弱、构造复杂、施工不便等问题。 参 考 文 献 1 王 毅 红 , 汤 文 锋 . 芯 钢 管 连 接 的 钢 管 混 凝 土 中 柱 节 点 试 验 研 究 J . 建 筑 结 构 1 2004,