钢管混凝土叠合柱在某超限高层办公楼中的应用.pdf

安徽建筑 2 0 1 1 年第4期【 总1 7 9 期) 钢管混凝土叠合柱在某超限高层办公楼中的应用 Con cr et e-Fi l led St e el Tubu l ar Lam i na t ed Col umns Tr eat m en t of a Ul t r a-Li m i t High Ri s e Bu i l di ng 李 澄 ( 中 建国 际 ( 深 圳) 设 计 顾问 有 限 公 司， 广 东 深 圳 5 1 8 0 4 8 ) 摘要： 钢管混凝土叠合柱具有延性好、 承压能力强、 防火性和耐久性强的特点， 目 前已在许多高层建筑中得到使用。文章分析了叠合柱的受力特 点 ， 对典型 的节点构造进行 了设计介绍 。 关键词 ： 叠合柱； 轴压比； 节点设计 中图分类号： T U 3 9 2 3 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 1 3 1 0 3 1 工程概况 项 目位于深圳市中心商务区， 建筑面积 5 X 1 0 4 I 1 ， 地下 3层 ， 地上 4 2层 ， 平面尺寸 4 6 2 m X 3 4 2 m，结构主体总高度 1 6 5 5 m， 为 高度超限结构。根据建筑功能及结构受力体 系， 采用框架 一核心简结构体系， 楼面梁板采 用钢筋混凝土楼盖体系。建筑效果图如图 1 所示 。 本项 目抗震设防烈度 7 度 0 1 0 g ，场地 类别为二类， 地震分组为第一组。 框架及核心 筒的抗震等级均为一级。5 0年基本风压为 0 7 5 k N m ， l O 0年基本风压为 0 9 0 k N m 。 根据 广东省实施 ( J G J 3 2 0 0 2 ) 补充规定 ， 按 5 0年重现期 基本风压( 0 7 5 k N m z ) i t 算结构的水平位移 ， 按 1 0 0年重现期基本风压( 0 9 0 k N m ) 计算 图 1 效果图 收稿 日期 ： 2 0 1 卜 ( ) 5 2 6 作者简介： 李澄( 1 9 8 0 一 ) ， 女 ， 广 东深圳人， 毕业于 华南理工大学， 硕士， 工程师， 国家注册一级结构 工程师。 叠合柱截面尺寸要求 表 1 注： 表中B 、 H为叠合柱截宽、 柱高； D为 钢管外径； t 为钢管壁厚。 各段截面验算结果 表2 结构承载力。 没计初期 ， 采用混凝土柱方案 ， 底层柱截面尺寸达到 1 4 0 0 m m1 4 0 0 m m， 影 响了建筑有效使用面积， 而且柱因层高只有 4 m ， 形成了剪跨 比 小于 2 的短柱 ， 对 抗震不利。 与业主沟通并综合考虑后， 最终确定结构下部采用钢管混凝土叠合柱 ( 以下简称“ 叠合柱” ) ， 结构上部采用普通钢筋混凝土柱， 采用叠合柱底层柱截面 可减小至 1 l O O mm X 1 1 0 0 m m。结构标准层平面布置图如下图 2 所示。 叠合柱是由核心区的钢管混凝土和钢管外的钢筋混凝土叠合而成 ( 如图 3 所示) 。 核心区由钢管及钢管内混凝土组成， 具有钢管混凝土柱的特点， 承载能力 高、 延性好 ， 能充分发挥高强混凝土的承载能力。外包区为混凝土内设纵筋和箍 筋组成 ， 能承担部分轴压力 ， 同时对核心区钢管提供约束 ， 改善了钢管的局部稳 定性。 因钢管外包混凝土， 钢管表面无需作防火 、 防腐防锈处理， 具有良好的防火 性和耐久性。对于钢筋混凝土楼盖体系， 采用叠合柱能提供较好的锚固， 形成良 好的节点连接和结构整体性。 进行结构整体弹性内力和位移计算时，由于 s A T WE软件中不能指定圆形 钢管叠合柱截面， 仅有矩形钢管叠合柱截面 ， 需将叠合柱截面刚度进行等效， 转 换成方形钢管叠合柱截面， 以获得叠合柱的设计轴力、 弯矩、 剪力等内力。 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 匿 2 0 1 1年第 4期( 总 1 7 9期 ) 安徽建筑 结 构 设 计 与 研 究 厘 用 冒 垒 Q Q 9 6 0 0 7 50 8 2 5 0 1 4 0 0 3 6 0 0 4 0 0 0 4 2 0 0 40 5 0 75 0 8 jI l 8 i l I l l I I I It l l i lI 冲 萨埘1i 8 Il ll l 铲 U i r 一 l l I i 一 I 几 翌 姻 0 m l 芦 l - _ 一 I 上_ Il 警 l ll 中 静 Il L 【一 lI L 图 2 标准层结构 平面图 I Q Q l 柱纵筋及箍筋 图 3 叠合柱截面 I LlI L ； 型钢 定位与 尺寸 ( a ) 方案 一 钢管中在梁端部位开一个完整洞 ( b ) 方案二 钢管中在梁端部位开两个洞 图4 钢管开洞方案 为便于现场施工， 钢管内外混凝土的强度等级取相同。 本项 目采用的 叠合柱截面尺寸如表 1 所示。 本项目采用同期施工叠合柱 ， 根据参考文献 ， 叠合柱的截面设 计及验算主要内容如下。 对叠合柱中的钢管混凝土承受的轴压力进行验算 ， 小震时截 面利用率 N N u 应不大于0 9 ；对叠合柱全截面进行轴力和弯矩下 的正截面承载力验算， 轴力取钢管外混凝土承担的轴力设计值， 弯矩 取全截面弯矩设计值； 不考虑钢管作用， 按钢筋混凝土构件验算钢 管外混凝土轴压比； 对叠合柱进行斜截面受承载力验算。 地下一层及以上抗震等级为一级， 地下二层及以下抗震等级取 三级。对各段截面进行上述验算， 主要计算结果如表 2所示。 o o 1 0 0 叠台枉 中8 6 02 8 钢管柱 环梁上筋 梁上部纵筋伸人环粱满足锚固要 I l P - 环粱箍筋 主 箍筮 - l - 1 T 睡 筋 伸 人 环 粱 固 要 求 囊 - 幼 箍 中 l 6 I 环梁腰筋 环 梁 下 筋 1 粱 恤 纵 箭 伸 人 ：粱 满 足 错 固 要 6 0 0 6 0 0 注： 环 梁高度 取固 边最大 梁高+ 5 0 m m 1 1剖面 图 7 带柱帽节点大样 虽 安 徽 建 筑 安徽建筑 2 0 1 1年第 4期( 总 1 7 9期 ) 1 1 0 o 1 r ， 、 。 2 e 多 霞r l ， 哪 劲板 学 鼋 1 l注 ：hl，h2 由 梁 纵 筋 排 数 确 定 1 1剖面 图 6 三边有梁的节点大样 度 图 8施工现场照片 截面纵筋及箍筋配置按计算并满足规范最小配筋率、最小体积配箍率 的要求。 经验算 ， 柱截面均为大偏压构件， 按最小配筋率配筋并对截面按大偏 压构件进行验算， 均能满足要求。 斜截面受剪承载力远大于剪力设计值， 此处 不再赘述 。 3 叠合柱梁柱节点构造分析 抗震概念设计强调“ 强节点、 弱构件” ， 可见节点设计对整个结构的抗震 性能至关重要。 节点构造主要考虑施工方便 ，受力合理。由于本项 目采用钢筋混凝土 梁， 存在梁钢筋尤其是支座负筋在叠合柱中如何有效锚固的问题。如果对应 每根钢筋都单独在叠合柱钢管中钻孔使钢筋通过， 对钢管的削弱效果是最小 的， 但是存在钢管下料困难 、 施工精度要求高不易实现的问题， 尤其是支座负 筋较密集的情况。为了施工方便 ， 特别是为了便于施工中钢筋的施工， 在钢管 中开洞更有效方便。不过开洞意味着对钢管削弱， 如果处理不好 ， 很可能导致 节点弱于构件 ， 为此进行了节点开洞方案的分析和比选。 节点开洞方案主要有两种： 第一种是直接按梁的尺寸在贯通柱中开洞 ， 使梁的钢筋完全能顺利穿过钢管柱而无须别的辅助措施； 第二种是择要型开 洞， 即在梁的上下边缘附近受力钢筋较多的部位开洞， 梁中的腰筋则通过钻 孔锚入钢管柱内。显然第一种方案对施工更为方便 ， 但由于其对节点削弱比 较明显， 故对两种开洞方案进行对比分析， 如图4所示。 上述两种方案进行加载分析，得到节点构件的荷载 一变形关系曲线及 节点应力分布( 图 5 ) 。 由图 5分析可知， 方案二的节点承载力有比较明显的提 高， 尤其在屈服后阶段其延性性能要优于方案一。且根据应力分析结果 ， 方案 一 的应力集中要比方案二严重得多 ， 高应力区域也较方案二大得多， 所以采 用方案二作为本塔楼钢管混凝土叠合柱、 梁节点设计方案。 4 典型节点大样 为了便于钢管柱的施工下料 ， 设计过程中， 对于每种不同的叠合柱梁柱 节点均应根据叠合柱相连的梁数量 、 梁截面尺寸及梁配筋等情况分别进行节 点开洞方案设计。典型的节点大样如图6所示。 对于周边梁截面较大、 梁纵筋较大的情况， 如对钢管开洞会造成钢管削 弱太多， 且梁纵筋难以实现有效锚固。此时， 应采用在带柱帽的节点大样， 在 梁柱节点处设环梁 ， 如 图 7所示 。 5 结论 钢管混凝土叠合柱因其 自身特点 ， 应用于高层框架 一核心筒结构中， 既 能有效减小柱截面， 增大建筑使用面积， 又能增加结构延性。 叠合柱的设计除 了考虑柱子本身的受力性能外 ， 还应对节点构造进行详细分析， 采用受力合 理、 强度符合性能要求、 施工简便的节点形式。 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 北京 ： 中国计划出版社， 2 0 0 5 2 J G J 3 2 0 0 2 ， 高层建筑混凝土结构技术规程 s 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 2 3 李惠 高强混凝土及其组合结构 M E 京： 科学技术出版社， 2 0 0 4 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 墨 匡