高强钢管混凝土柱在高层剪力墙结构中替代钢筋混凝土柱的优化应用

高强钢管混凝土柱在高层剪力墙结构中替代钢筋混凝土柱的优化应用

李建功①，孔来丽②，杨周林③

①云南营造工程设计集团有限公司，云南 昆明 650000；②西北综合勘察设计研究院云南分院，云南 昆明 650000；③昆明通泰置业有限公司，云南 昆明 650000

【摘要】  钢管混凝土柱具有一系列力学性能和施工性能等方面的优点，具有很好的应用前景。工程实例表明，在建筑中采用钢管混凝土柱替代钢柱，可以大大节约钢材，替代钢筋混凝土柱，则可以减少柱截面面积约50%左右。本文通过工程实例简单介绍了高强钢管混凝土柱在高层剪力墙建筑中替代钢筋混凝土柱作为抗侧力构件的优势。

【关键词】 高强钢管混凝土柱  高层住宅建筑  优化

一、引言

在国家经济稳步发展的今天，建设事业拓展了发展空间。近几十年来，钢管混凝土柱在工业建筑、桥梁结构等诸多领域展示出自身优势，实际应用的成果获得了广泛认可，如天津地铁交通枢纽站台柱、山系太一电厂输煤栈桥柱、葛洲坝水电站电杆塔、莲沱大桥、雅泸高速公路干海子特大桥、南京禄口国际机场航站楼、武汉国际证券大厦、北京财富中心写字楼、广州新电视塔等。某些新型钢管混凝土结构构件被运用至相关项目建设中，比如钢管缓凝土叠合柱以及钢筋钢管混凝土等等。

钢管混凝土柱的基本工作实质是在钢管与混凝土的共同作用下确保钢管混凝土体现出优越的力学性能，保证在工程技术领域展现出十足优势。

二、钢管混凝土柱的特点

本文重点探讨钢管混凝土柱，其主要是在钢管中适当填充混凝土，由此形成钢管和混凝土可以共同承受外荷载作用的结构构件。方形、圆形等截面较为常见，多是运用在项目建设的环节。

钢管混凝土柱适当的展示出钢管与混凝土两种材料的共同作用，也就是保证钢管对混凝土的约束效果体现出来，促使混凝土在复杂应力状态下也能强化基本强度，基本的韧性以及塑性等得以优化。因为混凝土本身的性能较为特殊，所以能够科学防范钢管的局部屈曲问题，这样便可维护材料实际性能，使其充分体现出来。钢管混凝土柱施工环节，钢管也能展示出自身的效用，也就是当做浇筑核心混凝土的模板，在一定程度上能够节省成本支出，也能推动施工进程，提升施工的实效。钢管混凝土柱的承载力较强，施工过程极为便捷，经济效果绝佳。

实际结构中，钢管混凝土柱可能处于压（拉）、弯、扭、剪及其组合的受力状态。诸多研究者采用理论与试验相结合的方法对此进行了大量的研究，如汤关祚和招炳泉等[1]、安建利和姜维山[2]、钟善桐[3]、韩林海[4]、康洪震[5]等，为高强钢管混凝土柱在工程技术领域的发展及应用提供了科学依据。

钢管混凝土柱的受力性能主要与以下几个参数有关：

1）长径比L/D，它是划分钢管混凝土柱为长柱或短柱的标准，两种柱在荷载作用下，其应力-应弯曲线及破坏形态有很大的不同。

2）径厚比D/t，其属于划分薄壁钢管混凝土与厚壁钢管混凝土的实际指标。通常来说，薄壁钢管高强混凝土的经济效益理想，所以成为优先选择的对象。

3）套箍指标θ，其能反映出钢管对核心混凝土的实际约束效力，将此作为基本的参数指标加以分析。

三、高强钢管混凝土柱在高层剪力墙建筑结中的替代钢筋混凝土柱的优化实例

1、项目基本情况

云南某高层住宅建筑高度为94.5米，地下2层，地上30层，抗震设防烈度8度0.2g，场地类别Ⅲ类，设计地震分组第三组，项目所处地区烈度较高，结构型式采用剪力墙结构。端部客厅与转角阳台建筑使用功能要求，需对客厅转角处剪力墙进行优化设计，建筑户型图详图一。

图一  建筑户型详图（优化前）

图二  建筑户型详图（优化后）

本项目依据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（以下简称《高规》）第3.2.1条进行优化设计。条文指出减小柱截面尺寸通常有采用型钢混凝土柱、钢管混凝土柱、高强度混凝土这三条途径；型钢混凝土柱截面含型钢一般为5％～8％，可使柱截面面积减小30％左右；钢管混凝土可使柱混凝土处于有效侧向约束下，形成三向应力状态，因而延性和承载力提高较多，钢管混凝土柱如用高强混凝土浇筑，可以使柱截面减小至原截面面积的50％左右。

2、结构的整体计算分析

本工程整体建模、计算所采用的计算软件为北京盈建科软件股份有限公司编制的计算程序（YJK 3.0.2版），将客厅转角处剪力墙修改为钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱、钢管混凝土柱，分别计算后对柱截面及直接材料费用进行对比分析，其结果详表一（柱底设计轴向力N=13718.2KN，V=1018.6KN，M=162.7KN·m，层高3150mm，混凝土强度等级均采用C55）。

因客厅转角区域的剪力墙修改成框架柱，所以在水平力度直接影响下能够发生变化，结构底层框架实际承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值在10%以下，依据《高规》第8.1.3条，本工程仍按剪力墙结构进行计算分析；当框架柱采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱时，与其相连结构梁仍采用钢筋混凝土框架梁，钢构件未组成结构抗震防线，依据《组合结构设计规范》JGJ138-2016（以下简称《组合规》）第4.3.5条条文说明，结构体系也不应定义为组合结构。设计时提高该钢管混凝土组合构件延性要求，进行性能化设计，满足中震弹性要求。

分析表一计算结果，结论与《高规》一致，型钢混凝土柱、钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱截面面积相比分别减小24%、48%，三种类型框架柱其直接材料费用相差6%以内，最终该位置结构抗侧力构件优化为钢管混凝土方形柱，优化后的建筑户型详图详图二。按此方案优化后，客厅与阳台空间连为一体，且因钢管混凝土柱截面尺寸仅600x600mm,大大提升空间舒适感。

3、钢管混凝土柱构件设计

因本项目钢管混凝土柱为方形，影响其受力性能的主要参数是钢管壁壁厚，根据结构整体计算结果，截面边长确定为B=600mm，壁厚t=28mm，满足《组合规》第7.1节构造要求。其构件承载力计算参照《组合规》第7.2.2~7.2.10条进行计算。

4、梁柱节点连接做法

遵循“强节点弱杆件”的设计原则，梁柱连接节点在结构传力中起着至关重要的作用。该项目结构梁属于钢筋混凝土框架梁，在实际运用的时候，还应该明确其与钢管混凝土柱连接方式，要遵循着《矩形钢管混凝土结构技术规程》（以下简称《矩形钢管混凝土规》）CECS159:2004第7.1.3条推荐的连接方式加以选择：环梁-钢承重销式连接、穿筋式连接。以往对这两类节点的研究也较多，如曲慧[6]、吕西林等[7]，穿心、半穿心承重销连接性能最好，但施工难度较大，承重销对节点核心区钢管壁会产生较大的应力集中，于抗震不利。本项目采用了《组合规》第7.5.6条给出的焊接牛腿式连接节点，节点连接大样详图三。

图三  钢管混凝土梁柱连接节点

其梁端抗剪及抗弯均由钢牛腿承担，梁柱刚性连接节点计算参考《高层民用建筑钢结构技术规程》（以下简称《高钢规》）JGJ99-2015第7.3.5~7.3.8条。

5、连接节点构造要求

采用钢牛腿焊接节点时，钢牛腿的高度应根据结构梁高，考虑框架梁纵筋与牛腿上下翼缘的连接确定，规程要求其高度不得小于0.7倍梁高；钢牛腿伸入钢筋混凝土框架梁内长度不小于1.5倍梁高；钢牛腿上下翼缘与腹板的两侧要适当的设置好栓钉，这样可以让钢牛腿和钢筋混凝土密切联系起来，真正形成统一的整体。抗剪栓钉直径规格的选择中，要结合具体的情况加以判断，应优先考虑19mm和22mm，长度不可小于4倍栓钉直径，水平方向和竖向间距都要大于6倍栓钉直径，但是也应该控制在200mm的范围内，栓钉中心到牛腿翼缘边缘的距离要保证在50mm以上，栓钉顶面的保护层厚度不宜小于15mm；为保证梁纵筋与钢牛腿的可靠焊接，钢牛腿工厂预焊钢套筒；同时钢管柱内对应牛腿翼缘位置设置横隔板且牛腿翼缘上下各100mm区域内钢管壁进行加厚。

6、钢管混凝土柱柱脚锚固

依据《矩形钢管混凝土规》第7.3条，柱脚可采用外包混凝土式柱脚和埋入式柱脚。外包混凝土式柱脚当有两层地下室时，柱底板可位于下层地下室梁顶面，地下室中的钢管混凝土柱全部采用钢筋混凝土外包，外包部分的柱身上设置栓钉，会导致地下室中该位置柱截面过大，对建筑功能影响较大；埋入式柱脚埋入基础的深度不小于柱截面高度的2倍。实际项目中应根据具体情况选用合理的柱脚锚固方式，两种柱脚锚固做法详图四、图五。柱脚计算参照《高钢规》8.6.3及8.6.4条进行计算。

图四  埋入式柱脚做法大样

图五  外包混凝土式柱脚做法大样

四、结语

本文通过工程实例，简单介绍了钢管混凝土柱在高层剪力墙住宅建筑替代钢筋混凝土柱的优化应用，因钢管混凝土柱较高的塑性和韧性，使构件截面减小约50%，大大节约了建筑使用空间。

近年来，国内外学者对钢管混凝土构件也进行了很多试验和理论研究，对其受力性能、破坏形态以及设计方法形成了较完善的系统理论和国家标准、规范，钢管混凝土柱应更多的应用于工程技术上。

【参考文献】

[1].汤关祚、招炳泉、竺惠仙、沈希明，钢管混凝土基本力学性能的研究[J]，建筑结构学报，第3卷，第1期，第13-31页，1982年03月。

[2].安建利、姜维山，钢管混凝土柱压、弯、剪强度的研究与理论解析[J]，工程力学，第9卷，第4期，第104-112页，1992年12月。

[3].钟善桐，钢管混凝土统一理论，哈尔滨建筑工程学院学报[J]，第27卷，第6期，第21-27页，1994年12月。

[4].韩林海，钢管混凝土结构-理论与实践（第三版）[M]，科学出版社，2016年8月。

[5].康洪震，钢管高强混凝土组合柱受力性能及设计方法[M]，中国建筑工业出版社，2014年3月。

[6].曲慧，钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁连接节点抗震性能的机理分析[J]，工程力学，第29卷，第7期，第235-243页，2012年7月。[7].吕西林、李学平、郭少春，矩形钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点设计方法[J]，建筑结构学报，第35卷，第1期，第10-12页，2005年1月

[7].吕西林、李学平、郭少春，矩形钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点设计方法[J]，建筑结构学报，第35卷，第1期，第10-12页，2005年1月。

作者信息：

①李建功，云南营造工程设计集团有限公司，高级工程师

②孔来丽，西北综合勘察设计研究院云南分院，工程师

③杨周林，昆明通泰置业有限公司,高级工程师