中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：貴陽城鄉(xiāng)規(guī)劃展覽館位于貴陽市金陽新區(qū)，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(xiāng)規(guī)劃、建設(shè)成就及各類建設(shè)展覽。本建筑采用了較多創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式比如懸掛式鋼桁架、核心筒內(nèi)嵌鋼管混凝土柱框架、方鋼管混凝土疊合柱應(yīng)用等。本文主要介紹方鋼管混凝土疊合柱在本項(xiàng)目的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：貴陽城鄉(xiāng)規(guī)劃展覽館；方鋼管混凝土疊合柱；鋼結(jié)構(gòu)
鋼管混凝土疊合柱是較為新型的結(jié)構(gòu)形式，在各種建筑結(jié)構(gòu)中有大量的應(yīng)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(yīng)用甚廣，比如深圳卓越皇崗世紀(jì)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(jié)構(gòu)中的重要豎向構(gòu)件。在現(xiàn)實(shí)工程中，以圓鋼管混凝土疊合柱應(yīng)用最為廣泛。對方鋼管混凝土疊合柱，國內(nèi)的相關(guān)研究應(yīng)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(shè)計(jì)應(yīng)用，探索這一工程技術(shù)的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)特點(diǎn)及工程應(yīng)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(yōu)點(diǎn)：1）剛度、強(qiáng)度均較大，鋼管混凝土疊合柱除擁有型鋼特點(diǎn)外，同時(shí)對管內(nèi)混凝土形成約束混凝土，管內(nèi)混凝土強(qiáng)度越高此效應(yīng)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(jié)構(gòu)的一部分臨時(shí)支撐系統(tǒng)，同時(shí)，鋼管內(nèi)外混凝土澆筑可以分別進(jìn)行（也有在外模完成后同時(shí)澆筑的處理），這樣既可以減少結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所需模板，利用鋼結(jié)構(gòu)易于成形的優(yōu)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(gòu)件更加易于搭接的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然其強(qiáng)度、剛度比同尺寸鋼管混凝土略差。
根據(jù)文獻(xiàn)[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(qiáng)度要求不是特別高的工程中其應(yīng)用性更靈活。
1 方鋼管混凝土疊合柱(CFBT-RC)算法
1.1 結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算假定
目前，國內(nèi)與鋼管混凝土疊合柱有關(guān)的主要規(guī)范包括：鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程、福建省標(biāo)準(zhǔn)：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程、矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程等[3,5]，這些規(guī)范規(guī)定了鋼管混凝土疊合柱的計(jì)算假定、設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造措施等等,對規(guī)范鋼管混凝土疊合柱設(shè)計(jì)、施工具有重要指導(dǎo)意義。然而可以看到，一些特殊截面、特殊構(gòu)造需要進(jìn)一步的研究、試驗(yàn)。
根據(jù)文獻(xiàn)[2]，以及規(guī)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(xiàn)[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(jì)算方法如下：
式中Ec0、Ecc、Ea—分別為鋼管外混凝土、鋼管內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)混凝土和鋼管截面在所計(jì)算方向?qū)ζ湫涡妮S的慣性矩 。
結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)做法，并不考慮約束混凝土的剛度強(qiáng)化效應(yīng)無有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。設(shè)計(jì)上在構(gòu)建結(jié)構(gòu)分析模型時(shí)，由于截面剛度計(jì)算公式為各組成項(xiàng)的簡單疊加，因此在設(shè)計(jì)中只需要定義好構(gòu)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(shí)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(yīng)用中，采用了按照截面實(shí)際材料組成的方法輸入構(gòu)件截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。
在計(jì)算樓面鋼梁的剛度時(shí)，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(yīng)下的梁剛度放大系數(shù)。而對于混凝土核心筒墻內(nèi)連梁則考慮風(fēng)荷載與地震作用下的剛度折減系數(shù)。
通過上訴假設(shè)，即可完成結(jié)構(gòu)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(dú)立模型進(jìn)行了對比計(jì)算分析并完成構(gòu)件設(shè)計(jì)。
由于3D3S主要用于鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)，因此主要與Midas Gen模型的鋼結(jié)構(gòu)部分的構(gòu)件內(nèi)力、變形進(jìn)行了比對，結(jié)果表明兩種模型結(jié)果比較接近。同時(shí)，也對Midas Gen和PKPM模型進(jìn)行了整體性能表現(xiàn)的比對，結(jié)果也比較接近。通過上述模型比對，確保了模型假設(shè)、模擬的正確性。
1.2 CFBT-RC柱驗(yàn)算假定
方鋼管混凝土疊合柱的設(shè)計(jì)驗(yàn)算主要參考了規(guī)范[3]、[4]、[5]、參考文獻(xiàn)[2]。構(gòu)件驗(yàn)算分兩部分進(jìn)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(dān)的原則進(jìn)行軸壓與抗彎驗(yàn)算。因此，計(jì)算上可以分別采用[4]計(jì)算芯柱截面，本文認(rèn)為構(gòu)件截面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該適當(dāng)考慮鋼管的套箍效應(yīng),同時(shí)參考方鋼管混凝土柱規(guī)程的有關(guān)規(guī)定，并按疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程計(jì)算管外鋼筋混凝土截面及配筋。
截面驗(yàn)算主要分以下幾個(gè)方面：
（1）軸壓驗(yàn)算
本著安全同時(shí)不失經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)值； 
為軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)，考慮鋼管外混凝土的約束作用，該穩(wěn)定系數(shù)可以按照截面外包尺寸混凝土截面計(jì)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(shè)計(jì)值；Aac＝Aa+Acc
，為鋼管混凝土疊合柱的約束效應(yīng)系數(shù)（或稱套箍系數(shù)），其中 為鋼管鋼材的抗拉、拉壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; 為鋼管內(nèi)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。
從上述公式的解構(gòu)分項(xiàng)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(yīng)，同時(shí)由于方鋼管自身面積等所占整個(gè)截面的比例，其強(qiáng)度的發(fā)揮是可變的。比如鋼材5％，則其材料性能發(fā)揮大約為90％（不同含鋼率該值有所不同），這從側(cè)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(yīng)比作角部卷邊處理的方鋼管略低，這類影響因素在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中暫未考慮。此處不深入展開探討二者差異。
（2）其他驗(yàn)算項(xiàng)
對方鋼管混凝土柱，仍然考慮套箍效應(yīng)對混凝土的有益影響，因此,根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，對方鋼管混凝土柱的受彎、偏壓/偏拉以及抗剪驗(yàn)算均以該規(guī)程有關(guān)章節(jié)的規(guī)定進(jìn)行。此時(shí)，管外混凝土的抗彎、抗剪、壓彎（不考慮拉彎）驗(yàn)算則以文獻(xiàn)[3]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。
上述驗(yàn)算需先根據(jù)文獻(xiàn)[3]確定管外混凝土與鋼管混凝土的剛度分配比例、強(qiáng)度分配比例、是否同期施工等因素確定各部分可以承擔(dān)的荷載比例，再進(jìn)行有針對性的校核。本文正是基于此概念對本項(xiàng)目的CFBT-RC柱進(jìn)行了設(shè)計(jì)校核。結(jié)論表明按上述思路處理的柱截面不僅承載力較高，同時(shí)也能有效抵抗模型計(jì)算得到的柱內(nèi)力。
2 本項(xiàng)目CFBT-RC柱的應(yīng)用情況
2.1 項(xiàng)目概況
貴陽城鄉(xiāng)規(guī)劃展覽館（以下簡稱展覽館）位于貴陽市金陽新區(qū)林城東路,國際會議展覽中心西側(cè)，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(jié)構(gòu)，地上部分采用鋼－混凝土混合結(jié)構(gòu)體系。由于采用了大跨度純鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，本建筑結(jié)構(gòu)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(tǒng)。又由于本項(xiàng)目東、北側(cè)在三層樓面（13.7m標(biāo)高）以上均有16m懸挑，因此自屋蓋鋼桁架向下采用懸掛式結(jié)構(gòu)，形成以下各樓層結(jié)構(gòu)，懸掛結(jié)構(gòu)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(tǒng)。建筑外形與結(jié)構(gòu)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(gè)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(xiāng)規(guī)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(cè)為南方，右側(cè)為北方
圖1g：展覽館平圖（平面圖二：三層，13.700m標(biāo)高）
從圖中可知，四個(gè)核心筒內(nèi)部區(qū)域由下部框架梁柱支撐，自本層往上該區(qū)域框架柱則不再上升，形成本層大空間展示區(qū)。
圖1h：展覽館平圖（平面圖三：屋蓋，32.200m標(biāo)高）(方鋼管混凝土疊合柱)
2.2 CFBT－RC柱設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目根據(jù)前節(jié)設(shè)定的驗(yàn)算方法對所有CFBT－RC柱進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)算。這里僅給出一典型位置柱的驗(yàn)算結(jié)果。
根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，取最大柱底內(nèi)力計(jì)算。最大柱底軸力Nmax＝15500kN，Vmax＝250kN，Mmax＝550kN.m。上述包絡(luò)值不一定同時(shí)出現(xiàn)，因此計(jì)算上按簡單單項(xiàng)考慮，不考慮耦合作用。假定Nmax與Mmax同時(shí)出現(xiàn)，則偏心矩近似在35～55mm區(qū)間，因此可認(rèn)為本項(xiàng)目框架柱以軸心受壓為主。
根據(jù)本文確定的計(jì)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(nèi)外混凝土均按C30，采用Q345C級鋼材。
對管內(nèi)混凝土及鋼管，穩(wěn)定系數(shù) ＝0.91，ξ0=3.0, fac=53.4MPa。故Nu＝19202kN＞Nmax＝15500kN。滿足。
2.3 CFBT－RC柱-梁節(jié)點(diǎn)
本項(xiàng)目的CFBT－RC柱-梁節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)也是CFBT－RC柱節(jié)點(diǎn)的一種重要節(jié)點(diǎn)，該類柱腳節(jié)點(diǎn)有直接與基礎(chǔ)相連、與下部構(gòu)件相連兩種情形。各類CFBT－RC柱節(jié)點(diǎn)見圖2(a,b)所示。
圖2a： CFBT－RC柱-梁節(jié)點(diǎn)（SRC梁-柱節(jié)點(diǎn)）(貴陽城鄉(xiāng)規(guī)劃展覽館)
圖2b： CFBT－RC柱腳節(jié)點(diǎn)(方鋼管混凝土疊合柱)
梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，對鋼梁與CFBT－RC柱相連情況，根據(jù)計(jì)算假定條件，如為剛接節(jié)點(diǎn)則按圖所示進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)加強(qiáng)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(jù)相關(guān)分析研究，確定按文獻(xiàn)[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(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)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(cè)各200mm厚的管外混凝土。
2.4 構(gòu)造
針對本項(xiàng)目CFBT－RC柱及其梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施有如下幾個(gè)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(yīng)用了栓釘，并在節(jié)點(diǎn)區(qū)加密；
2)節(jié)點(diǎn)區(qū)加強(qiáng)。節(jié)點(diǎn)區(qū)加強(qiáng)通過兩種方式，一種是普通節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方式，這種情況主要確保在節(jié)點(diǎn)區(qū)相連的梁柱支撐在柱內(nèi)、梁上形成等強(qiáng)節(jié)點(diǎn)加勁板（肋板）；另一種情況是節(jié)點(diǎn)各相連構(gòu)件尺寸較大、強(qiáng)度較高，受力比較復(fù)雜，難以通過普通節(jié)點(diǎn)形式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)，因此采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)。本項(xiàng)目對鑄鋼節(jié)點(diǎn)與鋼構(gòu)件連接時(shí)，采取了過渡段的做法。由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)區(qū)壁厚較厚，通常比普通鋼構(gòu)件壁厚厚一倍左右，因此在連接鑄鋼節(jié)點(diǎn)與鋼構(gòu)件時(shí)，連接部位由于厚度差太大易造成天然缺陷，因此設(shè)置適當(dāng)長度的過渡段，使鑄鋼節(jié)點(diǎn)與鋼構(gòu)件相連時(shí)逐漸從較厚壁厚過渡到與所連接鋼構(gòu)件壁厚相同的厚度，這樣的過渡段可以與鑄鋼件同時(shí)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(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋穿孔是形成這類節(jié)點(diǎn)的關(guān)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(jié)點(diǎn)區(qū)強(qiáng)度造成影響，因此為保證節(jié)點(diǎn)區(qū)的整體性，對本項(xiàng)目的所有混凝土梁-鋼柱相連部位均考慮為梁縱筋預(yù)留穿孔。開孔的優(yōu)先原則如下：a懸挑梁頂鋼筋孔開在上側(cè)；b相交框架梁按截面較大的開孔在上側(cè)；c相交框架梁截面相同時(shí)按配筋較大的開孔在上側(cè)。
通過上述構(gòu)造措施，有效的保證了結(jié)構(gòu)的整體性與穩(wěn)定性，同時(shí)在對結(jié)構(gòu)無明顯削弱的情況下，方便了結(jié)構(gòu)施工，使鋼結(jié)構(gòu)安裝、混凝土工程交叉施工得到了適當(dāng)簡化，提高了施工效率，適當(dāng)保證了施工質(zhì)量。
3 結(jié)論與展望
本文詳細(xì)的介紹了方鋼管混凝土疊合柱的算法、節(jié)點(diǎn)、構(gòu)造等，從設(shè)計(jì)、施工角度解答了這類構(gòu)件截面形式的優(yōu)點(diǎn)即結(jié)構(gòu)簡單、連接方便、構(gòu)造簡單、易于施工等。相信在越來越多的項(xiàng)目中這類截面形式的結(jié)構(gòu)將會得到更加廣泛的應(yīng)用。本文可作為類似工程項(xiàng)目的一個(gè)參考。
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