钢管混凝土叠合柱在深圳卓越·皇岗世纪中心项目中的应用.pdf

第7 期 2 0 0 8 年7 月 广东土 木与 建筑 GUANCD0NG ARCHI T E C TU RE C I VI L E NGI NE ERI NG 卜 7 J U L 2 O 0 8 钢管混凝土叠合柱在深圳卓越 皇岗世纪中心项目中的应用 黄用军 尧 国皇 宋宝 东 彭肇 才 ( 中建国际( 深圳) 设计顾 问有限公 司 -,Y - N 5 1 8 0 4 8 ) 摘 要 ： 钢 管混凝土 叠合柱是 由钢 管混凝土及钢管外的钢 筋混凝土叠合 而成 ， 既具有钢管混凝土的优点 ， 钢 管外 的混凝土还具有 良好 的耐 火性 ， I k 4 _ -T - 装修 ， 故适 用于非抗震和抗震地 区的建筑结构 ， 尤其是抗震设 防地 区的高 层 结构 ， 文 中以深圳卓越 皇岗世 纪中心 项 目为例介 绍该构件的设计计算及梁柱节点的处理方 法， 供设计参 考。 关键词 ： 超 高层 ；钢管混凝土叠合柱 ；设计 ；应用 1工程概 况 深圳卓越 皇岗世纪中 心 位 于 深 圳 市 福 田 中心 商 务区 建成后将成为市中心 区的标志性建筑群 折射着 该 区域成 为整 座城市 发展 的核心和商务前沿 本项 目 位于益 田路 与金 田路之间 占地面积 3 0 6 6 8 m 2 总建筑 面积 达 4 2 4万 m 由 4座 塔楼及裙房 、地下室组成 。 其 中 1 、 2 、 4 塔楼为超高层 图1 建筑效果图 建筑 ，建筑高度分别为 2 8 0 。 2 6 8 ， 1 5 0 m， 3 塔楼为高 层建筑。裙房地面以上共 4层 ， 总高 2 0 5 m 作为商 业用 途 总建筑 面积约 4 6万 m 2 ： 地下 室 3层 ， 负 3 层 板面标高一 1 4 5 m 建筑面积约 8 7 2 0 0 m 2 主要用作停 车场 部分为设备用房 。本项 目由我公司与美 国 L e o a d a l v 建筑师事务所共 同设计完成 其建筑效果 如图 1 所示 。 本工程地处深圳市 风载作用较大 地震作用相 对较小 根据 以上特点和建筑功能的要求 钢筋混凝 土框 架 一 核 心 筒 结 构 体 系 应 是 较 佳 选 择 且 经 济 可 行 ， 故将其作为塔楼的结构形式。 对于该结构体系， 外 框架体系是主要的竖 向承重体系之一由于结构层 数较多 ， 外框架柱需承受很大的竖向荷载 为了减小 框架柱的截面面积 。 增大有效使用面积 我们考虑采 用钢一 混凝土组合柱。在组合柱的选型方面 我们对 型钢混凝土柱 、 钢管混凝土柱和钢管混凝土叠合柱 1 _ ( 以下简称“ 叠合柱” ) 进行了深入 比较和论证 由于 叠合柱同时具有钢管混凝 土和型钢混凝土的优点 ， 且具有刚度和强度大 、 耐火性能好等优点 故决定将 其用于外框架部分 C E C S 1 8 8 ： 2 0 0 5 ( 钢管混凝土叠合柱结构技术规 程 ( 以下简称 规程 ) 使得叠合柱在实际工程中 的应用更具可操作性 目前钢管叠合柱已有不少成 功 的工程应用实例 ， 如辽宁邮政枢纽大楼( 2 3层 ) 、 沈 阳和泰大厦( 2 2层 ) 和沈 阳电力花 园双塔 ( 3 3层) 等 但在超过 2 0 0 m的超高层建筑中的应用则较为 少见。本文 以深圳卓越 皇岗世纪中心项 目为例 主 要介绍钢管混凝土叠合柱的设计计算及其与钢筋混 凝土梁的节点的处理方法等 有关的方法和结论可 为同行们提供参考 2钢管 混凝 土叠 合柱 的计算 目前高层结构设计中常用 的计算分析软件 如 国产 的 S A T WE和美国 C S I 公司的 E T A B S 。均未给 出钢管混凝土叠合柱 的截面形式。采用轴压刚度和 弯 曲刚度等效的方法 将叠合柱等效成钢筋混凝土 输入到以上软件 中 计算叠合柱的弹性内力 然后再 根据 规程 中的有关公式进行轴压比和承载力的 验算 。 需特别说明的是 叠合柱的轴压 比是指钢管外 钢 筋混凝 土 的轴压 比 叠合柱 的轴压 刚度 ( ) 和弯曲刚度 ( E I ) 的计 算公式如下 ： E A= A 。 。 + A + E A ( 1 ) EI = E l + E I + Ea l a 2 1 式中： 、 、 E分别为钢管外、 内混凝土及钢管的弹 性模量 ； A A 、 A 分别为它们的截面面积 ； 、 、 ， a 分别为各截面在计算方向对其形心轴的惯性矩 3 2 0 0 8 年7 月 第7 期 黄 用军等： 钢管混 凝土 叠合 柱在深 圳卓 越 i：1 P qt1a ， L 、 的应 用 J U L 2 0 0 8 N o 7 在叠合柱钢管截面计 f 靳 6 3 5 喜 l I l 条 有 关 叠 合 柱 中 含 管 一I 茗 霎 纂 柔 曼j i 限 值 要 求 ， 本 工 程 叠 合 柱 的典型截 面配筋 如 图 2 I 1枷 I 本工 程 由于 建 筑 功 能 图2 典型的叠合柱 的要求 还 出现了很多钢 截面配筋 管混凝土叠合柱跨层柱 一般计算程序在整体结构 计算时 对跨层柱的分析不太准确 为了更清楚地 了解钢管混凝土叠合柱跨层柱的工作性能并更合理 地 设计 这类 构 件 我们 采用 大 型 的商用 有 限元 软 件 A B A Q U S 6 7对这类构件 的工作性能进行全过程非 线性分析， 具体分析过程参见文献 2 根据 有 限元 计算 获得 的典 型 的钢管混凝 土叠 合 柱跨层柱承载力的全过程曲线( 略 ) 可见相对于弹 性大震时对应的竖向荷载 钢管混凝土叠合柱跨层 柱具有较充裕 的安全储备 且超过极限承载力后仍 具有较好的后期延性 同时我们也关注到对应的 钢 管混 凝土叠 合柱 中钢 筋 、钢管 的 M i s e s 屈服 应 力 和 钢管 内核 心混 凝 土沿 中线 剖 面 的纵 向应 力 对结 构设 计起 到 了很 好 的指导作用 3叠合柱 节点 设计 叠合柱节点的设计应符合传力明确、 构造简单 、 整体性好 、 安全可靠 、 节约材料和施工方便的原则 ， 规程 中提供了几种钢管混凝土叠合柱与钢筋混凝 土梁节点的处理方法 但施工上略显复杂 本工程 根据 钢 筋混凝 土梁 的实 际配 筋 开创 性 地在 钢 管上 开 矩形 孑 L 洞 使梁 中纵 向钢筋 可 以顺 利通 过 ( 管 壁开 孔 的截 面损 失 率不超 过 5 0 ) 极大 地方 便 了施 T ， 并可 缩短丁 期 典 型的叠 合柱 节点构造 如 图 3所示 16 7 l 誊 l 量 l 星 一 广 为 善 l L 謇 f 4 0 0 x 9 0 0 4 g 7f 】【)I l 7 00 6 7 a L L 工 盟 4 为了保证这种新型叠合柱节点受力性能可靠 实现 “ 强 节点 弱构 件 ” 的设 计 原则 同样也 采 用有 限 元 软件 A B A Q U S对这 种 节 点 的受 力 性 能 和T 作 机 理进 行深入 的分 析研究 将来有 条件 时也将进行 一 些这种新型叠合柱节点的静力和动力性能的实验研 究 ， 以进 一步 验证这 种新 型节点 的受力可 靠性 图 4 为 钢管 混 凝 土 叠 合柱 中钢 管 吊装就位施 - 过程。 ( a )吊装 ( b )浇灌管 内混凝土 图 4 钢管混凝土叠合柱施工 对 于在节 点处 与钢管混凝 土叠 合柱相 交 的梁较 多或者管壁开孔截面损失率超过 5 0 韵情况 ( 一般 位于地下室) ， 在不影响建筑功能的情况下 ， 我们采 用环梁节点 其设计方法参照 钢管混凝土结构构造 图集 ： 的原 则 ， 即环 梁上 、 下 主筋 截 面 面积分 别 不 应小 于框架 梁 的 0 7倍 ：环 梁 宽度 不小 于框 架梁 宽 度： 环梁高度比相交的钢筋混凝土框架最大高度高出 5 0 mm： 箍筋按 照文献 的计算 方法进 行计算 配置 。 以上计算方法大都是基于实验结果而得出 为了 进 一步确保节点设计可靠 并 了解这种环梁节点 的工 作性能 在选择合理的材料本构关系模型基础上 采 用通用有限元软件 A B AQ U S 6 7对环梁节点的受力 性 能进行 全过程 非线性 有 限元 分析 图 5给 出了典 型的环梁节点有 限元分析模型结果表明按照以上 原则设 计 的钢管混 凝土叠 合柱 环梁节点 的破坏 始 于梁端 纵 向钢筋 的屈 服 节点 具有 较好 的延性性能 。 30 ： l 7 0 0 7 0 0 钢 管混凝 土 叠合 柱一 钢 筋混凝 土环梁 节 点 可实现 “ 强节点 弱构件 ” 的抗 震设计要 求 。 图 5典型 的环 梁 节 点 有 限 元分 析 模 型 2 0 0 8 年7 月 第7 期 广东土 木与建 筑 叠 合柱主 筋 J U L 2 O 0 8 7 图 6为 钢 管混 凝 土 叠 合 柱一 钢 筋 混 凝 土环 梁节 点制作 和 安装 施工 现场 由于 环 梁 的环 向主筋直 径一 般 较大 因此 均 在 工厂采用机械弯好并绑扎好箍筋 运至现 场后 再 绑扎环 梁腰 筋和安 装 就位 考虑到个别节点采用环梁会 影响建 筑功能 故对这些节点采用钢管混凝土叠 合柱一劲性节点 即在钢管中焊接型钢牛 腿 钢筋混凝土框架梁的纵向钢筋再与型 钢 的上 下翼 缘焊 接 同时钢 管 内设加 劲 钢 板 并 留设 混凝土 浇灌 孑 L 。 由于 目前还 没有 这类 节点 的设 计方 法或 图集可 作参 考 ， 为 了保 证这类 节 点安全 可靠 ， 同 样采用有限元软件 A B A Q U S 6 7进行全过程非线性 有限元分析 ， 以确定钢骨的截面。 4结 论 本文以深圳卓越 皇 岗世纪 中心项 目塔楼结构 为 例 主要 介绍 钢 管混 凝 土 叠合 柱 的设 计 计 算 和叠 合柱与钢筋混凝土梁节点的处理方法 可供设计 和 施工 人员参 考 随着对钢管混凝土叠合柱工作性能研究的进一 步深人 以及对叠合柱在实 际工程中应用的成功经 验的不断积累 笔者相信钢管混凝土叠合柱今后具 有较广阔的发展应用前景 ( a )环梁节点 ( b )环梁安装就位 图 6叠合柱一钢筋混凝土环梁节点施工 参考文献 1 C E C S 1 8 8 ： 2 0 0 5 钢管混凝土叠合柱结构技术规程 S 2 黄用军 ， 宋宝东 ， 尧国皇等深圳卓越 皇 岗世纪中心项 目 二号塔楼结构设计与研究 J ， 建筑钢结构进展 ( 待发表 ) 3 钢 管混凝土结 构构造 ， 国家 建筑标准 图集 0 6 S G 5 2 4 中 国建筑标准设计研究 院 2 0 0 6 4 卓越 皇岗世纪 中心项 目超 限结构初步设计抗震设 防专 项审 查 申报表 与超 限可行 性论 证 报告 R 中建 国际 ( 深圳 ) 设计顾 问有 限公司 ( 2 0 0 7 ) 5 H i b b i t t ， K a r l s o n ， S o r e n s o n A B A Q U S V e r s i o n 6 7 ： T h e o r y ma n u a l ， u s e rs ma n u a l ， v e r i f i c a t i o n ma n u a l a n d e x a mp l e p r o b l e ms ma n u a 1 Hi b b i t t ， Ka r l s o n a n d S o r e n s o n I n c ， 2 0 0 7 ( 上接第 7页) 该工程于 2 0 0 7年 l 2月完成 主体结构施工 经 历了一个冬季的降温过程后 现场楼板及纵 向墙体 均未 见 任何 温 度收 缩裂 缝 从 而 验证 了本 文 分 析方 法的适用性与可靠性。 5 结 论 5 1 超长结构必须进行合理的结构布置以减小楼板 的温度及收缩应力。 长方向的侧移刚度应尽量减小 特别是边角部位的竖 向构件 5 2 本文提出的考虑时间参数的材料非线性及结合 施 工模 拟 的温度 、收缩 应力 计算 方法 在实 践 中得 到 了检验 ， 并取得较好的成效 ， 该法分析精度较高 。 具 有一定的科研价值 并能指导设计人员合理设计结 构的薄弱部位 ， 具有较高的工程应用价值 参考文献 1 王铁梦工程结构裂缝控制 M 北京 ： 中国建筑工业 出 版社 2 0 0 3 2 J T G D 6 2 2 0 0 4 公 路钢筋混凝土及 预应力混凝 土桥涵 设计规范 f S 3 C o mp u t e rs a n d S t r u c t u r e s ， I n c B e r k e l e y ，C al i f o r n i a ： C S I An a l y s i s Re f e r e n c e Ma n u a l f o r S AP 2 0 0 0， 2 0 0 4 5