鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：貴陽城鄉規劃展覽館位于貴陽市金陽新區，是未來貴陽市的一座重要建筑，主要用于展示貴陽乃至貴州省城鄉規劃、建設成就及各類建設展覽。本建筑采用了較多創新結構形式比如懸掛式鋼桁架、核心筒內嵌鋼管混凝土柱框架、方鋼管混凝土疊合柱應用等。本文主要介紹方鋼管混凝土疊合柱在本項目的應用。
關鍵詞：貴陽城鄉規劃展覽館；方鋼管混凝土疊合柱；鋼結構
鋼管混凝土疊合柱是較為新型的結構形式，在各種建筑結構中有大量的應用，比如橋梁、超高層，近年以來在我國大量的超高層建筑中應用甚廣，比如深圳卓越皇崗世紀中心1號塔樓(280m)、2號塔樓(260m)、4號塔樓(185.5m)[1],均采用了鋼管混凝土疊合柱作為結構中的重要豎向構件。在現實工程中，以圓鋼管混凝土疊合柱應用最為廣泛。對方鋼管混凝土疊合柱，國內的相關研究應用相對較少[2，3，4]。本文試圖通過方鋼管混凝土疊合柱柱的設計應用，探索這一工程技術的設計方法、技術特點及工程應用的前景。
相比普通鋼筋混凝土柱，鋼管混凝土疊合柱主要有如下優點：1）剛度、強度均較大，鋼管混凝土疊合柱除擁有型鋼特點外，同時對管內混凝土形成約束混凝土，管內混凝土強度越高此效應越明顯；2）延性好，由于采用鋼管混凝土芯柱，因此鋼管混凝土疊合柱的延性比鋼筋混凝土柱提高很多；3）施工簡便，由于鋼管混凝土中的鋼管可以與樓面鋼梁等首先形成框架作為結構的一部分臨時支撐系統，同時，鋼管內外混凝土澆筑可以分別進行（也有在外模完成后同時澆筑的處理），這樣既可以減少結構系統所需模板，利用鋼結構易于成形的優勢加快施工速度，又兼顧混凝土部分的施工安裝。
與普通鋼管混凝土相比，鋼管混凝土疊合柱還具有防火性能好、與混凝土構件更加易于搭接的優點，當然其強度、剛度比同尺寸鋼管混凝土略差。
根據文獻[2]，鋼管混凝土疊合柱有三種截面類型，即圓套圓（圓鋼管混凝土疊合圓柱）、方套圓、方套方。作為鋼管混凝土疊合柱的一種重要截面形式，由于采用方鋼管，因此其與樓面鋼梁、混凝土梁的連接、就位更方便，有利于施工、安裝。在對強度要求不是特別高的工程中其應用性更靈活。
1 方鋼管混凝土疊合柱(CFBT-RC)算法
1.1 結構剛度計算假定
目前，國內與鋼管混凝土疊合柱有關的主要規范包括：鋼管混凝土疊合柱結構技術規程、福建省標準：鋼管混凝土結構技術規程、矩形鋼管混凝土結構技術規程等[3,5]，這些規范規定了鋼管混凝土疊合柱的計算假定、設計方法、構造措施等等,對規范鋼管混凝土疊合柱設計、施工具有重要指導意義。然而可以看到，一些特殊截面、特殊構造需要進一步的研究、試驗。
根據文獻[2]，以及規范[3]，初步確定了本工程中方鋼管混凝土疊合柱的研究方法。
參照參考文獻[3]的精神，本文采用的方鋼管混凝土疊合柱的彈性等效剛度計算方法如下：
式中Ec0、Ecc、Ea—分別為鋼管外混凝土、鋼管內混凝土和鋼管的彈性模量;
Gc0、Gcc、Ga—分別為鋼管外混凝土、鋼管內混凝土和鋼管鋼材剪變模量;
Ac0、Acc、Aa—分別為鋼管外混凝土、鋼管內混凝土和鋼管的截面面積;
Ic0、Icc、Ia—分別為鋼管外混凝土、鋼管內混凝土和鋼管截面在所計算方向對其形心軸的慣性矩 。
結合有關文獻做法，并不考慮約束混凝土的剛度強化效應無有關試驗數據支持。設計上在構建結構分析模型時，由于截面剛度計算公式為各組成項的簡單疊加，因此在設計中只需要定義好構件各組成材料的彈性模量、截面特性即可。而采用等效截面法主要針對分析程序無法模擬兩種材料截面模型的情況，此時只需要將等效截面界定為單一材料（鋼或混凝土），并以其彈性模量作為等效材料模量，從而換算出等效截面面積。在本工程應用中，采用了按照截面實際材料組成的方法輸入構件截面進行結構分析計算。
在計算樓面鋼梁的剛度時，因采用與鋼梁緊密連接的鋼筋桁架樓承板體系，故考慮了樓面板效應下的梁剛度放大系數。而對于混凝土核心筒墻內連梁則考慮風荷載與地震作用下的剛度折減系數。
通過上訴假設，即可完成結構整體模型的建立與分析，在本工程中，利用了Midas Gen、3D3S、PKPM等軟件分別建立獨立模型進行了對比計算分析并完成構件設計。
由于3D3S主要用于鋼構件的設計，因此主要與Midas Gen模型的鋼結構部分的構件內力、變形進行了比對，結果表明兩種模型結果比較接近。同時，也對Midas Gen和PKPM模型進行了整體性能表現的比對，結果也比較接近。通過上述模型比對，確保了模型假設、模擬的正確性。
1.2 CFBT-RC柱驗算假定
方鋼管混凝土疊合柱的設計驗算主要參考了規范[3]、[4]、[5]、參考文獻[2]。構件驗算分兩部分進行，即鋼管混凝土柱與管外混凝土。按照鋼管混凝土部分主要承受軸壓力作用，剩余少量軸壓力與彎矩由管外鋼筋混凝土承擔的原則進行軸壓與抗彎驗算。因此，計算上可以分別采用[4]計算芯柱截面，本文認為構件截面設計時應該適當考慮鋼管的套箍效應,同時參考方鋼管混凝土柱規程的有關規定，并按疊合柱結構技術規程計算管外鋼筋混凝土截面及配筋。
截面驗算主要分以下幾個方面：
（1）軸壓驗算
本著安全同時不失經濟的原則，本工程采用方鋼管混凝土截面軸壓公式[4]如下：
其中，
N為軸壓力設計值； 
為軸心受壓穩定系數，考慮鋼管外混凝土的約束作用，該穩定系數可以按照截面外包尺寸混凝土截面計算后較大值，盡管如此，該取值也是偏于安全的；Nu為截面抗壓承載力設計值；Aac＝Aa+Acc
，為鋼管混凝土疊合柱的約束效應系數（或稱套箍系數），其中 為鋼管鋼材的抗拉、拉壓和抗彎強度設計值; 為鋼管內混凝土軸心抗壓強度設計值。
從上述公式的解構分項看，有： 這也就意味著本套公式考慮了方鋼管對混凝土的套箍效應，同時由于方鋼管自身面積等所占整個截面的比例，其強度的發揮是可變的。比如鋼材5％，則其材料性能發揮大約為90％（不同含鋼率該值有所不同），這從側面證明了方鋼管混凝土柱的性能比圓鋼管混凝土柱差。
通常情況下未作角部卷邊冷彎處理的方鋼管約束效應比作角部卷邊處理的方鋼管略低，這類影響因素在本項目設計中暫未考慮。此處不深入展開探討二者差異。
（2）其他驗算項
對方鋼管混凝土柱，仍然考慮套箍效應對混凝土的有益影響，因此,根據參考文獻[4]，對方鋼管混凝土柱的受彎、偏壓/偏拉以及抗剪驗算均以該規程有關章節的規定進行。此時，管外混凝土的抗彎、抗剪、壓彎（不考慮拉彎）驗算則以文獻[3]的有關規定進行。
上述驗算需先根據文獻[3]確定管外混凝土與鋼管混凝土的剛度分配比例、強度分配比例、是否同期施工等因素確定各部分可以承擔的荷載比例，再進行有針對性的校核。本文正是基于此概念對本項目的CFBT-RC柱進行了設計校核。結論表明按上述思路處理的柱截面不僅承載力較高，同時也能有效抵抗模型計算得到的柱內力。
2 本項目CFBT-RC柱的應用情況
2.1 項目概況
貴陽城鄉規劃展覽館（以下簡稱展覽館）位于貴陽市金陽新區林城東路,國際會議展覽中心西側，占地面積31572m2，建筑面積20222 m2，地下一層，地上四層。地下部分采用混凝土結構，地上部分采用鋼－混凝土混合結構體系。由于采用了大跨度純鋼結構屋蓋，本建筑結構地上部分主要依靠相對均衡的四組SRC核心筒組成豎向和水平傳力系統。又由于本項目東、北側在三層樓面（13.7m標高）以上均有16m懸挑，因此自屋蓋鋼桁架向下采用懸掛式結構，形成以下各樓層結構，懸掛結構通過懸掛柱、懸掛斜撐與樓面梁及屋蓋大桁架共同組成傳力系統。建筑外形與結構組成如圖1(a～h)所示。屋蓋鋼桁架的支撐柱位于B、C、G軸（南北向）以及3、4、10、11（東西向）軸上，支撐柱全部采用CFBT－RC柱截面。四個核心筒在角部則采用方鋼管混凝土芯柱外包混凝土的處理方法，以保證與屋蓋桁架、樓面梁的有效連接。
圖1a：展覽館三維效果圖(貴陽城鄉規劃展覽館)
圖1b：展覽館典型立面圖（南北向一：桁架與核心筒）
圖1c：展覽館典型立面圖（南北向二：桁架與框架柱）
圖1d：展覽館典型立面圖（東西向一：桁架與核心筒）
圖1e：展覽館典型立面圖（東西向二：桁架與框架柱）
圖1f：展覽館平圖（平面圖一：首層）
圖面下方為東方，上方為西方，左側為南方，右側為北方
圖1g：展覽館平圖（平面圖二：三層，13.700m標高）
從圖中可知，四個核心筒內部區域由下部框架梁柱支撐，自本層往上該區域框架柱則不再上升，形成本層大空間展示區。
圖1h：展覽館平圖（平面圖三：屋蓋，32.200m標高）(方鋼管混凝土疊合柱)
2.2 CFBT－RC柱設計
本項目根據前節設定的驗算方法對所有CFBT－RC柱進行了設計驗算。這里僅給出一典型位置柱的驗算結果。
根據模型計算結果，取最大柱底內力計算。最大柱底軸力Nmax＝15500kN，Vmax＝250kN，Mmax＝550kN.m。上述包絡值不一定同時出現，因此計算上按簡單單項考慮，不考慮耦合作用。假定Nmax與Mmax同時出現，則偏心矩近似在35～55mm區間，因此可認為本項目框架柱以軸心受壓為主。
根據本文確定的計算方法，典型CFBT－RC柱長為層高5.75m，截面為1000x1000，方鋼管尺寸為600x600x20，管內外混凝土均按C30，采用Q345C級鋼材。
對管內混凝土及鋼管，穩定系數 ＝0.91，ξ0=3.0, fac=53.4MPa。故Nu＝19202kN＞Nmax＝15500kN。滿足。
2.3 CFBT－RC柱-梁節點
本項目的CFBT－RC柱-梁節點有如下幾種情況：一、與鋼筋混凝土梁相連；二、與鋼梁相連；與型鋼-混凝土梁相連。此外，柱腳節點也是CFBT－RC柱節點的一種重要節點，該類柱腳節點有直接與基礎相連、與下部構件相連兩種情形。各類CFBT－RC柱節點見圖2(a,b)所示。
圖2a： CFBT－RC柱-梁節點（SRC梁-柱節點）(貴陽城鄉規劃展覽館)
圖2b： CFBT－RC柱腳節點(方鋼管混凝土疊合柱)
梁柱節點設計中，對鋼梁與CFBT－RC柱相連情況，根據計算假定條件，如為剛接節點則按圖所示進行節點區加強及連接。對與混凝土相連情況，考慮梁上鋼筋與柱相連并不容易，根據相關分析研究，確定按文獻[6]所推薦的方法，在柱上開適量鋼筋孔，方便梁上部分鋼筋穿越鋼柱，根據結構設計結果，以及梁端加腋情況，將梁中部鋼筋穿越鋼筋孔，梁邊鋼筋則穿越鋼柱兩側各200mm厚的管外混凝土。
2.4 構造
針對本項目CFBT－RC柱及其梁柱節點的構造措施有如下幾個方面。
1)柱身栓釘。為確保方鋼管柱與管外混凝土的有效連接，對柱身全高應用了栓釘，并在節點區加密；
2)節點區加強。節點區加強通過兩種方式，一種是普通節點加強方式，這種情況主要確保在節點區相連的梁柱支撐在柱內、梁上形成等強節點加勁板（肋板）；另一種情況是節點各相連構件尺寸較大、強度較高，受力比較復雜，難以通過普通節點形式實現節點加強，因此采用鑄鋼節點進行加強。本項目對鑄鋼節點與鋼構件連接時，采取了過渡段的做法。由于鑄鋼節點區壁厚較厚，通常比普通鋼構件壁厚厚一倍左右，因此在連接鑄鋼節點與鋼構件時，連接部位由于厚度差太大易造成天然缺陷，因此設置適當長度的過渡段，使鑄鋼節點與鋼構件相連時逐漸從較厚壁厚過渡到與所連接鋼構件壁厚相同的厚度，這樣的過渡段可以與鑄鋼件同時制作。
3)混凝土或型鋼混凝土梁縱筋穿越鋼筋孔及鋼筋孔開孔原則，鋼筋混凝土梁與CFBT－RC柱相連，節點區鋼筋穿孔是形成這類節點的關鍵，由于柱四面相連的梁可能隨著截面大小、是否懸挑、受力配筋等因素影響從而對節點區強度造成影響，因此為保證節點區的整體性，對本項目的所有混凝土梁-鋼柱相連部位均考慮為梁縱筋預留穿孔。開孔的優先原則如下：a懸挑梁頂鋼筋孔開在上側；b相交框架梁按截面較大的開孔在上側；c相交框架梁截面相同時按配筋較大的開孔在上側。
通過上述構造措施，有效的保證了結構的整體性與穩定性，同時在對結構無明顯削弱的情況下，方便了結構施工，使鋼結構安裝、混凝土工程交叉施工得到了適當簡化，提高了施工效率，適當保證了施工質量。
3 結論與展望
本文詳細的介紹了方鋼管混凝土疊合柱的算法、節點、構造等，從設計、施工角度解答了這類構件截面形式的優點即結構簡單、連接方便、構造簡單、易于施工等。相信在越來越多的項目中這類截面形式的結構將會得到更加廣泛的應用。本文可作為類似工程項目的一個參考。
參考文獻
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[2] 廖飛宇，韓林海，方形鋼管混凝土疊合柱的力學性能研究，工程力學，2010年4月，第27卷第4期
[3] 錢稼茹，林立巖等，鋼管混凝土疊合柱結構技術規程，CECS 188 :2005，中國計劃出版社，:中國工程建設標準化協會，2005年8月31日
[4] 陶忠，陳華等，福建省標準：鋼管混凝土結構技術規程，DBJ/T13-51-2010，福建省住房和城鄉建設廳，2010年2月10日
[5] 沈祖炎，呂西林等，矩形鋼管混凝土結構技術規程，CECS 159:2004，國工程建設標準化協會，2005年8月31日
[6] 黃用軍，堯國皇，宋寶東等，鋼管混凝土疊合柱的計算與設計，鋼結構，2008年7月，第7期第23卷總第109期
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