钢管混凝土叠合柱的设计和施工方法研究1.docx
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钢管混凝土叠合柱的设计和施工方法研究1
论文题目：
钢管混凝土叠合柱的设计和施工方法研究
学院：
___ 金山学院_______
专业年级：
__ 土木工程 2008级____
学号：
__ 082236108____
姓 名：
_____ 李东海________
指导教师、职称：
___ 廖飞宇 讲师____
2012年5月
Steelpipeconcretelaminatedcolumndesignandconstructionmethodof
College：
GoldenHillCollege
SpecialtyandGrade：
CivilEngineering2008
Number：
082236108
Name：
lidonghai
Advisor：
lecturer.LiaoFei-yu
Submittedtime:
May,2012
目录
摘要………………………………………………………………………………………………1
Abstract…………………………………………………………………………………………1
1引言…………………………………………………………………………………………2
2钢管混凝土叠合柱力学特性与优缺点……………………………………………………4
2.1钢管混凝土叠合柱力学特性……………………………………………………4
2.2钢管混凝土叠合柱在普通结构中应用的优点……………………………………………6
2.3钢管混凝土叠合柱在高层建筑中应用的优点……………………………………………6
2.4相比其它类型构件…………………………………………………………………………8
2.5钢管混凝土叠合柱的缺点………………………………………………………………8
2.6钢管混凝土叠合柱研究现状文献综述…………………………………………………10
3钢管混凝土叠合柱的施工方法…………………………………………………………11
3.1钢管混凝土叠合柱柱管制作……………………………………………………………11
3.2钢管混凝土叠合柱柱管安装……………………………………………………………12
3.3钢筋混凝土梁柱与钢管混凝土叠合柱连接技术………………………………………15
3.4混凝土施工………………………………………………………………………………18
3.5钢管混凝土叠合柱施工方法现状文献综述………………………………………………19
4结束语………………………………………………………………………………………19
参考文献………………………………………………………………………………………20
致谢……………………………………………………………………………………………22
钢管混凝土叠合柱的设计和施工方法研究
摘要:
钢管混凝土叠合柱是由截面中部钢管混凝土和钢管外侧钢筋混凝土叠合而成的柱,它具有强化（采用高强高性能建筑材料）、组合（将不同材料组合到一个构件中）、约束（通过对材料间的相互约束、或对弱性材料的约束改善性能）、叠合（使内力在截面中的分布更趋合理、增强抗力与延性）四种增强理念,通过有效组合增强结构承载能力和抗震性能,适用于我国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建筑,且截面积比普通混凝土柱明显减小,是一种具有广阔发展前景的结构体系。
关键词：
钢管混凝土叠合柱高强混凝土施工分析
Abstract:
Concretesteeltubecompositecolumnsiscomposedofconcretefilledsteeltubeandsteeltubeoutercentralsectionreinforcedconcretesuperposedcolumn,itisaggrandizement（usinghighperformancebuildingmaterials）,combinationofdifferentmaterialsintoamember）,bound（throughthematerialbetweenthemutualconstraint,orweakmaterialconfinementimprovingperformance）,laminated（theinternalforceinthecrosssectionofamorereasonabledistribution,strengthentheresistanceandductility）fourreinforcedconcept,througheffectivecombinationofreinforcedstructurebearingcapacityandseismicbehavior,applicabletoourcountrynonseismicandaseismicareasofthebuildingstructure,especiallythehigh-risebuildingintheregionofseismicfortification,andcross-sectionalareathanordinaryconcreteisobviouslyreduced,isabroaddevelopmentprospectsofthestructuresystem.
Keywords:
ConcretesteeltubecompositecolumnsHighstrengthconcreteConstructionAnalysis
1引言
钢管混凝土叠合柱（简称叠合柱）于1995年首次在沈阳日报大厦地下室工程中应用，使自支护半逆作法施工地下室获得成功。
1996年，辽宁省邮政枢纽工程采用叠合柱，成为第一幢采用钢管混凝土叠合柱结构的高层建筑。
经过10年的深化研究，叠合柱结构体系已在国内不少高层或地下工程中获得应用[1]，如某市的地铁车站，地下4层，地上16层，以叠合柱具有良好的抗震、抗火、抗爆、抗冲撞性能以及有利于自支护、半逆作法施工的优点加以应用。
清华大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学等单位进行了大量的结构性能试验，使这种结构日趋成熟，已成为我国自主开发的一种结构体系。
由清华大学和辽宁省建筑设计研究院主编的《钢管混凝土叠合柱技术规程（CECS188:
2005）[2]（简称《规程》）已于2005年11月1日颁布施行。
钢管混凝土叠合柱是由截面中部的钢管混凝土柱和钢管外的钢筋混凝土叠合而成的柱（图1）。
钢管外的钢筋混凝土可以滞后（不同期）浇筑，也可以和管内混凝土同期浇筑（但可以用不同的强度等级）。
叠合柱的核心部分设置钢管混凝土柱，让它承受总轴力的约3/4，并提供主要抗剪承载力;外围混凝土仅承担总轴力的1/4左右，让它的轴压比小，变形能力大，并承受截面上的大部分弯矩。
外围混凝土中的纵筋尽量以直径粗且根数少的方式布置于截面的角区，主筋和箍筋还应满足外围混凝土的最小配筋率要求。
（a）（b）
图1叠合柱截面
《规程》应用之初，有的技术人员对该种结构体系的技术经济性掌握不好，对施工的难易程度也不甚理解。
几年来的试点工程表明，只要合理组织，这种结构的施工并不复杂，节点构造也很简单可靠，和普通混凝土柱比较，由于后叠合部分的施工不占主导工期，整体施工进度要快，梁钢筋的绑扎和定位精度高。
至于柱本身的技术经济性，与普通混凝土柱比较，首先表现在可以明显减小柱断面上，建筑自重减轻，水泥用量减少，建设
能耗降低;其次两者总用钢量基本持平或略有增加;与相同荷载相同断面的型钢混凝土柱比较，用钢量要少得多。
几年来，随着高强高性能混凝土的推广应用和高强厚壁直缝埋弧焊管的大量供应，使叠合柱的设计可以做到更加先进合理、更加经济。
尤其是C80级以上高强、高弹性模量、高施工性能的超高强混凝土的应用，更使叠合柱的优越性得以充分发挥。
表1列举了沈阳市已成功建成并采用C100级混凝土的几个工程实例，均由一般土建施工队伍施工。
这些工程大都是通过商业开发投资修建，每个工程都要和业主一起作详细的技术经济论证，让业主心服口服。
当然，分析论证时一定要全面，不仅针对柱本身的造价，还要考虑到柱表面积减少引起的装修造价的降低，考虑到增加使用面积引起的综合效益等，如表1中第5项东大科技楼工程由于柱断面由1m×1m减为0.16m×0.16m，使每个标准教室都能增设一列固定坐席;在地下车库中由于柱断面减少，使柱间停车位由2个增加到3个等。
付表1沈阳市采用C100级钢管混凝土叠合柱的工程
序号
工程名称
地上层数
高度（m）
建筑面积（万m2）
主体结构情况
备注
1
沈阳富
林广场
30
125
810
框架筒体结构，外框柱间距层8以上为415m，层8以下转换为9m，采用框支叠合柱
2001年完成叠合柱施工，为我国第一次在钢管内采用C100自密实混凝土
2
沈阳远
吉大厦
28
9611
2143
地下室逆作法，从地下层2到地上层5为框支层，用叠合柱，地上层6以上为剪力墙结构
2002年完成叠合柱施工，2005年建成使用
3
沈阳贵
和回迁
楼
28
89145
511
大底盘上设双塔楼，塔楼为剪力墙结构，底部4层大底盘采用框支叠合柱
2002年完成叠合柱施工，2005年建成使用
4
沈阳万
鑫大厦
主塔40，副塔34
主塔180，副塔148
1918
框架2筒体结构，塔楼均用叠合柱，最大柱边长由1600减为1200
2005年完成叠合柱施工，2006年结构封顶，为沈阳市目前最高建筑
5
东北大
学科技
楼
16
6611
3199
框剪结构，带有4个中庭，600×600组合柱，
2005年完成叠合柱施工，2006年上半年结构封
顶，2007年5月建成使用
注:
钢管外混凝土均为C60。
钢管内混凝土除工程1为C90（设计），C100（施工）外，其余工程均为C100。
表1中的几个已建成实例均是在管内采用C100级混凝土，在管外采用C60级混凝土，一般柱断面的边长可减少400～600mm，还有许多工程管内采用C80，管外用C60混凝土，也取得了很好的经济效益。
辽宁省个别偏远地区的工程，管内用C60，管外用C40混凝土，也比全用C40级混凝土柱断面明显缩小。
2钢管混凝土叠合柱的力学特性与优缺点
2.1钢管混凝土叠合柱的力学特性
在高层重载柱设计时，增强柱子承载能力和抗震性能的主要理念和方法有:
1）强化，采用高强高性能建筑材料;2）组合，将不同材料组合到一个构件中，取长补短;3）约束，通过对材料间的相互约束，或对弱性材料的约束改善其性能;4）叠合，使内力在截面中的分布更趋合理，从而增强其抗力和延性。
钢管混凝土叠合柱兼容并蓄了以上四种增强理念，优化配置各种成柱材料，充分地发掘其潜力，大幅度减小成柱断面。
2.1.1强化
提高建筑材料的材质。
目前我国已能生产高强（Q345~Q410级钢材）、厚壁（最厚可达40~60mm）的结构用直缝埋弧焊管，比早期使用的Q235、壁厚12mm的螺旋卷管有了长足的进步，对管内混凝土可以提供更大的套箍指标;在混凝土材料方面，高强、高弹性模量、可泵送、低收缩、低徐变、适量早强的混凝土研制成功，特别是有的高强混凝土的后期强度仍有一定的增长，可以抵消由于徐变和材料的非线性引起的不良影响。
由于叠合柱的特点在于其轴压承载力主要来自性价比较高的混凝土，而不主要靠钢材，这是它在经济上优于其它钢和混凝土组合柱结构的原因所在。
将超高强混凝土用于钢管之中，可以抑制其自身性能缺点，充分发挥高强的特点，用量又少，是超高强混凝土工程应用的最佳场合。
辽宁地区已有20多幢高层建筑在管内采用C80~C100级自密实混凝土，其配制材料已成功实现国产化[3]。
2.2.2组合
叠合柱基本上是钢和混凝土的组合，主要靠混凝土承受轴压力。
钢管内用的是高强素混凝土（如C60~C100级），钢管外用的是一般强度的钢筋混凝土（如C40~C60级）。
叠合柱基本上属于混凝土结构，但由于不同材料在截面上组合时的分布位置合理，使核心混凝土和核心钢管一起主要起抗压和抗剪作用，外围混凝土和外围钢筋起部分抗压，但主要起抗弯作用。
钢管主要起套箍约束作用，用量较少，用钢量远远低于同样荷载的
型钢混凝土柱和钢管混凝土柱。
2.3.3约束
通过钢管约束管内素混凝土，提高其轴压承载力和塑性，又通过管外钢筋混凝土约束核心区的钢管混凝土，可充分利用钢管混凝土的短柱轴压承载力。
管外钢筋混凝土对核心钢管混凝土的约束增强作用。
管外钢筋混凝土的设置，一方面使钢管壁不会或推迟发生向外屈曲，提高钢管壁的轴压极限强度，同时由于管壁的增强，使之对管内混凝土的约束作用增强;另一方面管外钢筋混凝土的存在，整体上提高了核心钢管混凝土的受压稳定性和偏压时减小由于偏心距对轴压强度的折减。
一般钢管混凝土柱的承载力设计值为其短柱的轴压承载力设计值乘以U1（考虑长细比影响的承载力折减系数）和Ue（考虑偏心率影响的承载力折减系数）。
只当柱的长细比4时，U1才等于110，当长细比>4以后，U1急剧减少。
Ue的折减也很快。
试以一个<508的钢管混凝土柱为例，其计算长度为412m，则U1=0176;当偏心距e=100mm时，Ue=0170，U1/Ue=0176@017=01532[4]，也就是说有接近一半（47%）的短柱承载力被折减掉了。
所以工程界曾有一种议论，认为钢管混凝土不适用于荷载很轻、弯矩较大的柱，管内也不必用强度等级大的混凝土，就是因为荷载过小时，选的管径不能过小，致使其短柱承载力未能发挥。
叠合柱结构是钢筋混凝土结构，柱子的稳定性宜按钢筋混凝土柱考虑，只当长细比>8时才进行承载力折减，当柱中钢管居中时，外围混凝土承受主要弯矩，也无需进行Ue折减。
因此只要控制好叠合柱的尺寸（实际工程中很容易做到长细比8），其核心钢管不论尺寸大小，其短柱的轴压承载力可以充分加以利用。
叠合柱具有多重约束作用:
钢管壁约束管内混凝土，钢管内、外混凝土约束钢管壁，管外钢筋混凝土又对核心钢管混凝土构成整体约束。
在这种相互多重约束下，改善了各种材料的应力状态和工作条件，使叠合柱中各种材料的优点和性能都可以充分发挥出来。
2.4.4叠合
利用时间差进行截面优化组合，达到竖向轴向力的合理分配。
混凝土理论证明[5]，柱子的抗震延性控制，实质上是控制柱子在设计阶段（小震组合）的压应变值不应过大;无论普通混凝土柱或组合柱，在偏压破坏时的最大压应变均发生在截面的边缘，大震时当边缘混凝土的压应变超过极限压应变值（01003~010033）时，则产生压溃现象，导致截面破坏[6]。
叠合理念是设法改变设计阶段轴力在截面上的分布，减小外围混凝土的边缘压应变值，使之与极限压应变值相差更大，达到增加截面的转动变形能力，增加延性，并可适当减小柱外围的截面积。
而核心区的钢管混凝土没有控制轴压比的要求，则通过叠合可分担到更多的轴力，可充分利用其短柱的承载力。
叠合柱设计理念正是综合利用以上四种（强化、组合、约束、叠合）增强手段，使各种材料合理巧妙地组合于一个构件之中，实现优化配置。
在具体操作时，每个工程的优化目标可以不同，如有的追求造价最低，有的追求断面最小，有的局限于用当地材料搞优化设计（如利用当地现行的混凝土强度等级和可购到的钢管规格型号等）。
这就要求在设计过程中因地制宜地控制调整好各种设计参数，总是能达到相对最优的目标。
2.2钢管混凝土叠合柱在普通结构中应用的优点
2.2.1承载力大大提高
经有关专家实验和理论分析证明钢管混凝土叠合结构受压构件强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和的1.7~2.0倍。
2.2.2有良好的塑性和抗震性能
据有关实验数据表明:
钢管混凝土轴向压缩到原长的2/3构件表面已褶曲，但仍有一定的承载能力，可见塑性之好。
在压弯剪循环荷载作用下，水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满，吸能能力很好，基本无刚度退化，抗震性能大大优越于钢筋混凝土结构。
2.2.3经济效果显著
据有关数据表明，和钢柱相比可节约钢材50%左右，造价大幅度降低。
和钢筋砼柱相比可节约混凝土70%左右，减轻自重70%，节省模板100%[7]，而用钢量相等或略多。
这一点在已建成的诸多建筑中得到了充分证明，前苏联的NCETB河铁路桥与钢拱桥相比节约钢52%，降低造价20%。
大连造船厂船体装配车间采用钢管混凝叠合柱与常规设计钢柱相比，节省钢材56%。
美国双联广场大厦比通常的钢框架结构节省钢材50%，总造价降低30%。
2.2.4施工简单，可以大大缩短工期
美国太平洋第一中心大厦建设速度达到了每周四层，速度之快是其它结构无法相比的。
该种结构形式和钢结构相比零件少，焊缝短，可以采用构造简单的插入式柱脚，免去了复杂的柱脚构造。
钢管还是“钢筋”，它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。
从施工过程讲制作钢管远比制作钢筋骨架省工得多，而且便于浇灌。
钢管本身就是劲性结构构件，在施工阶段可以起劲性钢骨架的作用，节省了许多支撑构件和脚手架，简化了施工安装工艺。
在北方严寒地区，还可以冬季安装空钢管组成的框架或构架。
开春后再浇灌混凝土，从而争取了时间，加快了建设速度。
2.3钢管混凝土叠合柱在高层建筑中应用的优点
在高层建筑中,与钢筋混凝土和钢结构相比钢管叠合结构的优越性显得更为突出。
2.3.1钢管混凝土叠合柱的抗压和抗剪承载力高
经实验证明，抗压承载力为混凝土柱的一倍以上，同时抗剪承载力也比钢筋砼柱高许多。
和钢柱相比，抗压承载力虽略低,但却无局部失稳问题。
而且钢管混凝土的塑性性能好,防止了管内砼的脆性破坏。
在高层建筑中可以做到不限制轴压比。
这是钢筋混凝土结构无法做到的。
在截面上可以比砼结构构件减小50%以上。
北京国际贸易中心塔楼的八根钢管混凝土叠合柱截面为1400x30,而采用钢筋混凝土时,截面尺寸要做2200x2200mm,截面减少2/3。
深圳赛格广场大厦的受力最大柱,受轴向力N=90000KN,采用钢管砼柱为1600x28,如采用钢筋混凝土柱要做到2400x2200mm,减少了63%的截面[8,9,10]。
2.3.2扩大了使用空间
由于钢管混凝土叠合柱的承载力高,不但柱子截面小,而且还可以采用大柱网,大空间的框架结构体系。
经有关专家测算在高层建筑中采用钢管混凝土叠合柱比采用钢筋混凝土结构增加使用面积3%~6%,某广场大厦,总建筑面积16万平方米,按5%计算就可以增加使用面积8000平方米,相当于多建出一个中型写字楼。
2.3.3柱子截面减小对结构抗震有利
和钢筋混凝土柱相比,钢管混凝土叠合柱的自重大幅度减小,地震作用引起的地震反应也将减小。
具有关资料分析,高层建筑中采用钢管混凝土叠合柱和钢梁等结构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少1/3~1/2,地震作用可以减小一半,相当于设防烈度下降一度。
做为搞结构的人都明白这将意味着结构构件截面的再进一步减小。
2.3.4柱子截面减小,降低了地基基础的造价
采用钢筋混凝土的高层建筑,其自重一般为1.5t/m2~2t/m2（不包括基础）而采用钢管混凝土叠合柱钢梁结构时,一般自重都小于1t/m,在国外,有低达0.5t/m2~0.6t/m2的例子。
显然,和采用钢筋混凝土结构相比,采用钢管混凝土叠合柱可以减小地基上单位面积荷载25%以上,自然基础尺寸也相应减少,降低了基础工程造价。
2.3.5钢管混凝土叠合柱的钢管较薄,简化了施工
在高层建筑和超高层建筑中采用钢管混凝土叠合柱时,钢管厚度一般不超过40mm,而采用钢结构时,需要的钢板厚度可达80~100mm甚至更大。
这样的厚板,目前国内的产品质量保证率很低,大部分需要国外进口。
同时对厚板制作和对接焊接质量要求也很高,特别是现场进行柱段对接焊接相当困难,有时可能成为阻碍现场施工进度的一个复杂工序。
2.3.6钢管砼柱的耐火性能好
由于钢管内外灌有混凝土,能吸收大量的热能,因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀,增加了柱子的耐火时间。
经实验统计数据表明:
达到一级耐火三小时
要求和钢柱相比可节约防火涂料1/2~2/3甚至更多,随着钢管直径增大,节约涂料也越多。
2.3.7可安全可靠地采用高强度混凝土
近几看来,C60混凝土的应用已较为普遍,C70和C80甚至更高标号的混凝土也已能生产投入使用。
据有关专家介绍为了防止高强混凝土构件（指C60以上的混凝土）的脆性破坏,箍筋率高达20%以上[11],这样大的箍筋率将造成截面箍筋密布,构造十分复杂,增加了施工的难度。
用钢管混凝土,不但构造简捷,施工方便且能达到防止高强混凝土脆性破坏的目的;能够真正发挥高强混凝土的作用,同时并不多费钢材。
2.4相比其它类型构件
从构成上看,劲性钢管混凝土组合柱属于钢骨混凝土柱中的一种,它将钢筋混凝土与钢管混凝土有机地结合起来,与其他类型构件相比,具备了如下一些优点：
2.4.1与钢筋混凝土柱相比:
由于柱中核心钢管混凝土的承载能力远高于相同截面的混凝土构件,因而可有效减小构件截面尺寸并减轻自重;而由于钢管混凝土的存在,构件的延性和抗剪能力得到提高,有利于地震地区的结构抗震。
2.4.2与钢柱相比：
由于钢管埋置于外包混凝土内,构件的耐久性和防火性能大为提高；而核心铆管中由于混凝土的存在,可以延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲,从而可保证其钢材性能的充分发挥。
2.4.3与钢管混凝土柱相比：
由于其核心钢管尺寸较小,易于穿过框架节点,可让横向构件的横向钢筋直接锚固在钢管上,使节点处构造处理简单。
2.4.4与型钢混凝土柱相比：
核心钢管对内核混凝土的约束作用使其具有更高的承载力和更好的变形能力。
2.5钢管混凝土叠合柱的缺点
尽管钢管混凝土叠合柱的优点很多,但是由于它自身的特性决定了它尚存在的一
些弊端。
2.5.1使用范围有限
从现已建成的众多建筑来看,钢管混凝土叠合柱的使用范围还仅限于柱、桥墩、拱架等。
目前还很少有使用钢管混凝土梁叠合结构的先例。
这是因为梁一般都做成矩形,而矩形的钢管混凝土受力比较复杂而且构造要求繁琐,经济效益不佳。
2.5.2从结构构件的连接构造上讲,钢管混凝土叠合柱也有许多缺点
1）当钢管混凝土叠合柱与混凝土梁连接时,就必须借助于柱上的牛腿和加强板。
如果与柱连接的梁较多且不在同一标高时,就会有许多的牛腿和加强板。
如果采用明牛腿可能在美观上会受到影响。
如果用暗牛腿,又会或多或少地给浇灌混凝土带来不便,影响施工进度。
2）当钢管混凝土叠合柱与无梁盖连接时,尤其是采用升板法施工时,板与柱的连接构造是相当复杂的,会直接影响到施工的进度。
3）为了能够充分发挥钢管混凝土叠合柱的承载力,钢管混凝土的连接应尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上。
常采用柱顶盖板、柱脚底板和层间隔板、穿心板等来实现。
当然前提条件必须是应保证管内混凝土的密实,做到这一点也是不易的。
横隔板和上、下柱的连接是比较繁琐的,
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