鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：貴陽(yáng)城鄉規劃展覽館位于貴陽(yáng)市金陽(yáng)新區，是未來(lái)貴陽(yáng)市的一座重要建筑，主要用于展示貴陽(yáng)乃至貴州省城鄉規劃、建設成就及各類(lèi)建設展覽。本建筑采用了較多創(chuàng )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(guān)鍵詞：貴陽(yáng)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(lái)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(shí)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(guān)研究應用相對較少[2，3，4]。本文試圖通過(guò)方鋼管混凝土疊合柱柱的設計應用，探索這一工程技術(shù)的設計方法、技術(shù)特點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)：1）剛度、強度均較大，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(jiǎn)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(shí)支撐系統，同時(shí)，鋼管內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），這樣既可以減少結構系統所需模板，利用鋼結構易于成形的優(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、與混凝土構件更加易于搭接的優(yōu)點(diǎn)，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(lèi)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(guān)的主要規范包括：鋼管混凝土疊合柱結構技術(shù)規程、福建省標準：鋼管混凝土結構技術(shù)規程、矩形鋼管混凝土結構技術(shù)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(jìn)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(guān)文獻做法，并不考慮約束混凝土的剛度強化效應無(wú)有關(guān)試驗數據支持。設計上在構建結構分析模型時(shí)，由于截面剛度計算公式為各組成項的簡(jiǎn)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(wú)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。在本工程應用中，采用了按照截面實(shí)際材料組成的方法輸入構件截面進(jìn)行結構分析計算。
在計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(fēng)荷載與地震作用下的剛度折減系數。
通過(guò)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(jìn)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(jìn)行了比對，結果表明兩種模型結果比較接近。同時(shí)，也對Midas Gen和PKPM模型進(jìn)行了整體性能表現的比對，結果也比較接近。通過(guò)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(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的原則進(jìn)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(shí)應該適當考慮鋼管的套箍效應,同時(shí)參考方鋼管混凝土柱規程的有關(guān)規定，并按疊合柱結構技術(shù)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(gè)方面：
（1）軸壓驗算
本著(zhù)安全同時(shí)不失經(jīng)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(chēng)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(zhù)本套公式考慮了方鋼管對混凝土的套箍效應，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(lèi)影響因素在本項目設計中暫未考慮。此處不深入展開(kāi)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(guān)章節的規定進(jìn)行。此時(shí)，管外混凝土的抗彎、抗剪、壓彎（不考慮拉彎）驗算則以文獻[3]的有關(guān)規定進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(yáng)城鄉規劃展覽館（以下簡(jiǎn)稱(chēng)展覽館）位于貴陽(yáng)市金陽(yáng)新區林城東路,國際會(huì )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(guò)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(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(yáng)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(gè)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(jìn)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(luò )值不一定同時(shí)出現，因此計算上按簡(jiǎn)單單項考慮，不考慮耦合作用。假定Nmax與Mmax同時(shí)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(cháng)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(mǎn)足。
2.3 CFBT－RC柱-梁節點(diǎn)
本項目的CFBT－RC柱-梁節點(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，柱腳節點(diǎn)也是CFBT－RC柱節點(diǎn)的一種重要節點(diǎn)，該類(lèi)柱腳節點(diǎn)有直接與基礎相連、與下部構件相連兩種情形。各類(lèi)CFBT－RC柱節點(diǎn)見(jiàn)圖2(a,b)所示。
圖2a： CFBT－RC柱-梁節點(diǎn)（SRC梁-柱節點(diǎn)）(貴陽(yáng)城鄉規劃展覽館)
圖2b： CFBT－RC柱腳節點(diǎn)(方鋼管混凝土疊合柱)
梁柱節點(diǎn)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(diǎn)則按圖所示進(jìn)行節點(diǎn)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(guān)分析研究，確定按文獻[6]所推薦的方法，在柱上開(kāi)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(diǎn)的構造措施有如下幾個(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，對柱身全高應用了栓釘，并在節點(diǎn)區加密；
2)節點(diǎn)區加強。節點(diǎn)區加強通過(guò)兩種方式，一種是普通節點(diǎn)加強方式，這種情況主要確保在節點(diǎn)區相連的梁柱支撐在柱內、梁上形成等強節點(diǎn)加勁板（肋板）；另一種情況是節點(diǎn)各相連構件尺寸較大、強度較高，受力比較復雜，難以通過(guò)普通節點(diǎn)形式實(shí)現節點(diǎn)加強，因此采用鑄鋼節點(diǎn)進(jìn)行加強。本項目對鑄鋼節點(diǎn)與鋼構件連接時(shí)，采取了過(guò)渡段的做法。由于鑄鋼節點(diǎn)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(diǎn)與鋼構件時(shí)，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(cháng)度的過(guò)渡段，使鑄鋼節點(diǎn)與鋼構件相連時(shí)逐漸從較厚壁厚過(guò)渡到與所連接鋼構件壁厚相同的厚度，這樣的過(guò)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(kāi)孔原則，鋼筋混凝土梁與CFBT－RC柱相連，節點(diǎn)區鋼筋穿孔是形成這類(lèi)節點(diǎn)的關(guān)鍵，由于柱四面相連的梁可能隨著(zhù)截面大小、是否懸挑、受力配筋等因素影響從而對節點(diǎn)區強度造成影響，因此為保證節點(diǎn)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(kāi)孔的優(yōu)先原則如下：a懸挑梁頂鋼筋孔開(kāi)在上側；b相交框架梁按截面較大的開(kāi)孔在上側；c相交框架梁截面相同時(shí)按配筋較大的開(kāi)孔在上側。
通過(guò)上述構造措施，有效的保證了結構的整體性與穩定性，同時(shí)在對結構無(wú)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(jiǎn)化，提高了施工效率，適當保證了施工質(zhì)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(diǎn)、構造等，從設計、施工角度解答了這類(lèi)構件截面形式的優(yōu)點(diǎn)即結構簡(jiǎn)單、連接方便、構造簡(jiǎn)單、易于施工等。相信在越來(lái)越多的項目中這類(lèi)截面形式的結構將會(huì )得到更加廣泛的應用。本文可作為類(lèi)似工程項目的一個(gè)參考。
參考文獻
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