高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点容柏生.docx

1、高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点容柏生 高层建筑中使用的钢管混凝土柱主要是圆形截面的,但有时也会采用其他截面型式而形成异型柱。我国对圆形截面钢管混凝土柱已有深入的系统研究和实践经验!,#,而对异型截面柱的研究则比较少,应用也还不很多。钢管混凝土柱与楼盖连结的节点,是实际应用中的一个重要部分。当它与钢结构楼盖连结时,构造比较简单,但与钢筋混凝土楼盖连结时则比较复杂,甚至影响了对它的使用,因此不少单位开展了这方面的研究,并已取得了可观的成果,提出了多种多样的节点形式,为在高层建筑中推广应用钢管混凝土柱提供了更广阔的空间。本文主要就高层建筑中所采用的钢管混凝土柱及其节点的形式和应用作一扼要的综合介绍

2、。!钢管混凝土柱我国在改革开放以来,高层建筑在数量上不断增加,高度也不断加高,而建造高层建筑大多数采用钢筋混凝土结构,结构自重很大,随着建筑高度的增!好世界广场大厦新中国大厦图采用钢管混凝土柱的高层建筑#赛格广场$合银大厦概述钢管混凝土是在钢管中填充混凝土,利用钢管对填心混凝土的套箍作用,使核芯混凝土受纵向压力时处于三向受力状态,从而提高其轴向抗压能力。钢管混凝土结构除强度高外,还有重量轻、延性好、耐疲劳和冲击、省料和施工方便等优点!。由于钢管混凝土结构具有上述优点,因此在民用和工业建筑、桥梁和地铁等工程中得到广泛的应用。近年来,随着我国高层建筑的发展,利用钢管混凝土作为其主要承重柱的也逐渐增

3、多。在高层建筑中使用钢管混凝土柱具有其特殊优点:用钢管混凝土柱代替普通钢筋混凝土柱,可以使柱截面大大缩小,而且可以提高抗震性能,方便施工等;利用钢管混凝土柱代替钢结构中的钢柱,可以减少用钢量,加强结构刚度;在高层建筑多层地下室的逆作法施工中,它更充当重要的角色。广州市的好世界广场大厦(#层,图!$,新中国大厦(%&层,图!,合银大厦(层,图!,深圳的赛格广场(*层,图!+等大型高层建筑,都以不同的形式采用了钢管混凝土柱,部分还将之构成内框筒或用于逆作法建造多层地下室,在技术上和经济上均取得很好的效果。高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点容柏生,广东省建筑设计研究院广州%!-!-.摘要:我国一些高层

4、建筑采用了钢管混凝土柱,取得了较好的技术和经济效果。本文主要综合介绍用于高层建筑的钢管混凝土柱及其节点的形式,供设计时参考。关键词:高层建筑;钢管混凝土柱;钢管混凝土柱节点广东土木与建筑/012/342/156789:6905:68;8?图!约束作用示意图加,柱的轴压力就越大,加上抗震设防的需要,为保证构件的延性,有关规范对钢筋混凝土柱均有控制轴压比(!#$的要求,同时混凝土的强度等级只做到#$或再高一些,所以柱的截面很大,甚至达到了占用过大使用面积,影响建筑功能和观感的地步。为了解决这一矛盾,结构设计中开始使用钢管混凝土柱来代替普通钢筋混凝土柱,由于其承载力高,柱的截面就可以大大缩小。例如原

5、来截面为%&%&的钢筋混凝土方柱,可以用直径为($&或者更小的钢管混凝土圆柱来代替,加上钢管混凝土柱的延性好,对抗震更为有利,因而效果十分显著。此外,钢管(包括节点构造部分可以在工厂预制,质量更有保证。在施工中还可以省去钢筋和模板的安装,安装好的钢管又可以兼作楼盖模板的支承,使施工得到简化和加速。因此,高度较大的高层建筑很多都采用钢管混凝土柱。钢管混凝土柱的另一重要用途是用于多层地下室的逆作法施工。高层建筑通常都带有地下室,随着建筑高度的增加,由于各种需要,地下室的层数一般都有%、*层或者更多。地下室的施工难度较大(主要是基坑开挖及支护结构且工期长,影响建筑物投入使用的时间。为缩短建设周期,地

6、下室采用逆作法施工是很有效的办法。但多层地下室的逆作法施工,关键是如何先构筑成支承上部结构的临时竖向构件,这时钢管混凝土柱就成为主要角色,当根据柱位用冲、钻或挖孔的方法做成柱基础后,就可以直接把预制好的相应于地下室深度的整根钢管(包括支承地下室各层楼盖的节点吊装就位,即成为既是建造上部结构的临时性也是以后永久性的支柱。之后就一边往下逐层施工地下室,一边往上逐层施工上部结构,完全省去了整个地下室的施工期。广州新中国大厦有+层地下室,采用上述方法施工,当地下室施工完毕时,上部结构已施工到%层,缩短工期达半年之多,。钢管混凝土柱的截面形式以圆形为主,但由于建筑设计或者结构上的需要,有时也有必要采用其

7、他型式的截面如方形、矩形、-形或.形等的异形柱。此外,随着工程的实践,还发展了一些变种的柱。下面把已成功应用于实际工程的各种不同类型的钢管混凝土柱作一简单的叙述。%(圆形截面柱圆形截面钢管混凝土柱是最基本也是应用最多的形式。根据约束混凝土的受力机理,环形截面的钢管是最合理的形式,因为它对核芯混凝土的约束是均匀的向心力,而钢环自身在核芯混凝土的向外挤压力作用下,则只有环向拉力(图%,因而约束效果最显著(相对也是最经济的。所以在条件许可时应该优先采用圆形截面柱。对圆形截面钢管混凝土构件的应用,我国已有*多年的历史,特别在/年代,开展了系统的研究,在构件的工作状态、计算理论和设计方法等方面都取得了丰

8、硕的成果(,%。在此基础上,国家建筑材料工业局于(0/0年发布了钢管混凝土结构设计与施工规程(1#1(2/03,中国工程建设标准化协会(00%年发布了钢管混凝土结构设计与施工规程4#5#6%/708+等。这些规程既给出了计算方法,也提供了构造做法。目前我国钢管混凝土柱的设计均以这些规程作为依据,通过长时间的实践,证明这些计算方法是合适的,构造做法也是得当的。根据#5#6%/70的规定,圆形截面钢管混凝土柱的轴向承载力设计值!9与套箍指标%有关,%的计算式为%:;&;!&!,!9的值等于核心混凝土的承载力乘上一个提高系数( ,可见对缩小柱截面的效果是十分显著的。%异型截面柱钢管混凝土柱采用圆形截

9、面虽然是最合理的,但从建筑和结构设计的需要来看?不可能千篇一律都是圆柱,总有需要用到其它截面形式的情况,如建筑平面不希望有凸出的圆弧,逆作法施工地下室时,支承筒体部分的地下支柱将来与实际筒体墙的结合需要等。根据钢管混凝土柱的受力机理,若钢管是由直线段组成的几何图形,由于直线段钢板在核芯混凝土向外挤压时有弯曲变形,削弱了对核芯混凝土的约束作用(图*;,钢管混凝土柱核芯混凝土钢管外包!钢板变形1A !AB#容柏生:高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点!年#月第#期 影响轴向抗压能力的提高。对方钢管混凝土柱所做的试验表明!,方钢管对核芯混凝土的约束虽不如圆钢管,但仍有很好的效果!。在广州新中国大厦结构设

10、计中,不但要用到方形和矩形,还要用到#形和$形截面的柱。为了更好地提高这类型柱的承载能力,提出了对异型截面钢管按一定间距设置拉杆以约束直线段钢板的弯曲变形,形成所谓带约束拉杆异型钢管混凝土柱%,&(图!,并对这种柱进行了理论分析和构件试验。研究结果表明%,带约束拉杆的异型截面钢管混凝土柱,外包钢管和核芯混凝土能牢固地结合,协调变形并共同工作,由于约束拉杆对直线段钢板变形的约束,钢管对核芯混凝土能起到较好的约束作用,使核芯混凝土的轴向承压能力得以提高,其整体轴向承载力大于钢管和核芯混凝土各自承载力的简单代数和,提高系数约在(*(%之间,随板件宽厚比的减小,特别是拉杆间距的减小(即加密拉杆而增加。

11、上述研究结果表明:异型截面虽不如圆形截面好,但在工程有必要时还是可以采用的。新中国大厦地下室逆作法施工中,钢筋混凝土核芯筒的地下临时支承用的就是这种柱(图+,地下室施工时补上所缺的墙段就成为完整的筒体。该建筑上部的公寓和住宅,为避免柱外凸,也采用了小型的异型柱。不过上述应用和研究都还是初步的,对其承载力的计算方法和构造处理,尚需继续探讨。(!其他形式的柱利用钢管混凝土柱的优点,在工程实践中还创造了一些其他形式或作用的柱型。介绍下面几种:!钢管混凝土核芯柱提高普通钢筋混凝土柱的混凝土强度等级是缩小柱截面的方法之一,但当提高到,&-或,.-时,由于高强混凝土脆性大,使构件延性差,轴压比控制更严,达

12、不到缩小柱截面的效果。为此提出了在高强混凝土柱的核心处设置直径较小的钢管混凝土芯柱(直径约为柱截面边长的!(图/。试验表明:高强混凝土柱配置了钢管混凝土核芯柱后,除承载力有所提高外,其延性明显提高,破坏属于延性破坏,增强了柱断面的抗剪能力,柱的承载能力可提高-0*/0,由于钢管通过节点区而提高了节点核芯区的抗剪能力。实践还证明,由于芯柱尺寸较小,使节点区的梁柱配筋构造相对比较简单。钢管混凝土叠合柱叠合柱的形式与上述的核芯柱完全一样(图%,所不同的是通过改变施工工序来改善其受力状况以达到最佳效果。做法是:安装核芯钢管!浇灌管内混凝土!以它作为支柱安装楼层模板!施工若干层楼盖(要在柱边处留后浇孔。

13、当核芯柱承担的轴力达到其设计轴力的+*!时,浇灌外围混凝土使之叠合成整体。这样做的目的是人为地使核芯柱承担较多的轴压力,从而降低外围混凝土的压应力水平(外围混凝土一般承担柱总轴力的左右;核芯柱受外围钢筋混凝土部分的约束,可不考虑长细比和荷载偏心率的影响,承载能力高;外围钢筋混凝土部分承担轴力小,基本不受轴压比控制。试验表明,叠合柱与普通钢筋混凝土柱相比,在水平力作用下,其延性系数可提高!-0*&-0。这种柱的受力状态是合理的,用材也较省,但增加了施工的工序和难度,一般只宜用于底部的部分楼层。#复合型钢管混凝土柱复合型钢管混凝土柱有:$在钢管混凝土柱内再布置型钢(图&1,&,其承载力可以在原有钢

14、管混凝土柱的基础上再得到提高,主要用于柱截面受到限制而又必须承担大荷载的情况。%用双重钢管&(图&2,主要用于对已有钢管混凝土柱的补强和避免使用过厚钢板的情况。上述各种复合形式,除特殊情况外,一般很少使用。钢板变形减小图!异型钢管混凝土柱应用示例图钢板变形变化示意图&图#核芯柱图$叠合柱约束拉杆异型钢管混凝土柱后叠合核芯柱后补钢管混凝土墙345%&%56(广东土木与建筑%&%年月第期!钢管混凝土柱的梁柱节点钢管混凝土柱应用中,作为柱本身已经比较成熟,但除了柱自身外,还有它与楼盖的连结问题。柱通常都直接支承楼盖的梁(主梁、框架梁、转换梁等,因此钢管混凝土柱与楼盖的连结基本上是梁柱节点问题(当钢管

15、混凝土柱支承无梁楼盖时例外。这个节点应该把梁与柱在该处结合为一个整体,具有足够的刚性和强度,传递和协调被连接杆件的变形和内力,作为抗震需要,还要有足够的强度、刚度和延性,使其破坏晚于被其连结的杆件。按照目前的做法,钢管混凝土柱是竖向贯通的,其自身的连续性和轴向力、剪力和弯矩的传递不成问题。但由此梁却不能穿越柱,因此如何在节点处把梁连结到柱就成为节点设计的主要考虑。现行有关规范虽已提出了一些基本的构造形式!,但随着高层建筑的发展,特别是变化多样的结构布置和新结构体系的出现,那些节点形式已远不能满足设计的需要。为此,不少设计和研究单位都先后提出了许多不同形式的新型节点,并进行了试验研究,而且多数都

16、将之应用到实际工程中。目前已被应用的节点形式可以说是多色多样,下面仅就主要类型作一扼要介绍。#$%与钢结构连结的节点当钢管混凝土柱支承钢结构楼盖时,其节点属于钢与钢的连结,构造上比较简单。典型的做法是用焊于钢管上的连接腹板(或下牛腿和加强环与钢梁连结!,(图&。这是规程(*&+,-提供的方法。加强环有上环和下环,用于传递弯矩;连接腹板用于传递剪力,它可以是穿心的或不穿心的,前者便于浇灌管内混凝土,但会造成钢管的附加应力,而后者则相反。这种节点适应性很强(包括梁平面布置!标高和截面变化,传力明确而可靠,可通过计算保证其强度,刚度也很好,但用材较多且制作较困难。深圳市的赛格广场,设计时通过试验研究

17、,提出了几种新的节点做法%,意图采用单一构件同时传递弯矩和剪力以使构件简化。其形式有加劲锚肋板和内加强环等(图,。这两种节点比规范提供的方法构造简单,但梁的内力主要通过钢管混凝土柱来传递。这些节点已被用于赛格广场,效果很好。以上几种节点形式均经理论和试验研究,且已用于实际工程,是行之有效的形式。我国钢结构高层建筑而又采用钢管混凝土柱的为数尚不多,因此没有发展更多新的节点形式。#$*与钢筋混凝土楼盖连结的节点钢管混凝土柱支承钢筋混凝土楼盖时,由于它支承的梁既有混凝土也有钢筋,构造上比较复杂,而且可能的形式亦较多。在工程实践过程中,不少设计和研究单位提出了各种不同形式的连结方法,而且大多数都进行了

18、理论和实验研究,不少已用于实际工程。综合起来大概有下面几种%-(为了统一和区分,本文中各种节点的命名为笔者按形式给予的,与原创作者的命名或其他文献的提法不一定相同,而对各种节点的看法亦仅为笔者个人的观点。!变梁宽式和双梁式这两种节点主要采取避免钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱的直接连结。变梁宽式(规范提供的形式,图%-是把梁在靠近钢管处的梁宽加大,梁的钢筋从钢管边绕过,另加焊于钢管的短牛腿(可位于梁底或梁内作为支承。双梁式(规范提供的形式,图与钢梁的连结加劲锚肋板式#内加强环式图#用加强环和连接板连结钢梁示意图$%变梁宽式节点加劲锚肋板梁宽放大加劲锚肋板内加强环内加强环 钢梁连接段暗牛腿明牛腿钢梁连

19、接段钢梁连接段钢梁连接段./0&%&01$容柏生:高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点&%&年$月第$期图!是把原来正对钢管柱的梁分成两根分别位于柱两侧的梁,同样另加牛腿作支承。这两种节点均只需在钢管焊上牛腿,制作简单,避免了梁与柱的直接连结,楼盖施工与普通钢筋混凝土楼盖无异,这是它的最大优点,但却有一定的适用条件:变梁宽式适用于钢管混凝土柱的直径较小而梁钢筋又不多的情况;双梁式则需要建筑平面和结构布置的配合。另外,短牛腿若不穿心则会使钢管增加竖向应力并且易把钢管向外撕破,而穿心又会影响钢管内混凝土的浇灌。!穿心钢牛腿式用型钢穿过钢管(工字钢或双槽钢,管内一段割去部分翼缘并焊牢,形成由钢管伸出的牛

20、腿,梁的钢筋焊于牛腿上(图!。浇灌梁混凝土后,钢牛腿是暗藏的。这种节点把钢筋混凝土梁的内力全部传给钢牛腿,而钢牛腿又与钢管成整体,受力明确而可靠,适应性又强,外观与普通钢筋混凝土梁柱节点无异。缺点是制作相当麻烦(包括管内施焊,穿心的牛腿影响管内混凝土的浇灌,梁钢筋与牛腿现场焊接的工作量和难度大,近期采用的工程似不多。半穿心钢牛腿式!半穿心钢牛腿式节点有配合双梁的和配合单梁的两种。#双梁节点用#个半穿心抗剪短牛腿(牛腿插入钢管内的长度约为钢管直径的!#,另加#个不穿心辅助抗弯短牛腿,#根梁所形成的围绕钢管的钢筋混凝土方块形成刚性节点承担和传递内力(图!$。这种节点和上述规范提供的双梁节点基本相同

21、,只是牛腿做法有差别,它比较好地解决了不穿心或全穿心牛腿的缺点。辅助抗弯短牛腿有减小梁跨从而减小梁内力和变形的效果,还推迟了钢管与周围混凝土间的裂缝的发展。$单梁节点沿梁轴线设半穿心钢牛腿,使其强度足以承担梁传来的内力,而长度则满足梁纵向受力钢筋的锚固长度,围绕钢管设刚好覆盖各牛腿的钢筋混凝土方块形成刚性节点(图!#,楼盖施工时,梁的钢筋与牛腿搭接,不必施焊。%双单梁节点将上述双梁和单梁两种节点混合使用以适应同时有双梁和单梁的特殊结构布置。半穿心牛腿式节点能做到节点制作时没有管内施焊,不影响管内混凝土浇灌,不需现场施焊等,极大地方便施工。经理论分析和足尺构件静力及低周反复试验,证明节点整体性好

22、,单梁节点中钢筋混凝土梁与钢牛腿的搭接过渡区传力可靠,破坏是在节点区以外。节点区内的应力分布方面,单梁的远较双梁的简单而明确。这些节点曾在同一工程中同时使用,均能满足设计要求。但实践表明,双梁节点刚性区内钢筋互相穿插而密集,浇灌混凝土较困难,而单梁节点施工方便,受力简单明确,适应性强,远优于前者。&钢环锚固梁纵筋式!%围绕钢管设钢筋混凝土方块以传递梁内力,在钢管外侧设小牛腿,既作抗剪用,又用以架设钢环以锚固梁的纵筋(图!&。钢环有种,#是用钢筋环,此时梁的纵筋垂直弯入环内,$是用钢板环,此时梁的纵筋端头开丝牙,穿过环板后用螺帽固定。这种节点主要靠混凝土方块传递梁的内力,牛腿承担剪力,而钢环则起

23、锚固梁纵筋的作用(也参与剪力传递,据经按轴力及水平双向低周反复荷载试验,证明它满足抗震要求。这种节点无穿心构件,制作尚较简单,亦无现场焊接。但用钢板环时需对梁钢筋端头刻丝牙且现场套死母,增加施工一定难度。图!双梁节点示意图图!#穿心钢牛腿式示意图图!$单梁节点示意图图!双梁式节点双梁明牛腿暗牛腿穿心钢牛腿穿心钢牛腿梁钢筋均焊于牛腿辅助抗弯牛腿半穿心牛腿半穿心牛腿半穿心长牛腿半穿心长牛腿加强环(#%#*+!广东土木与建筑#%#年!月第!期%&% 年 月 第 期 钢筋 （板） 环 容柏生：高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点 -8+ %&% +$ 参 考 文 献 小牛腿 环梁钢筋 ! 钢筋环 钢筋环

24、环梁 小牛腿 蔡 绍 怀$ 我 国 钢 管 混 凝 土 结 构 技 术 的 最 新 进 展$ 土 木 工 程学报， !% ， &($* ， +$ * 钟善桐 $ 钢管混凝 土 在 高 层 中 的 发 展 $ 建 筑 钢 结 构 进 展 ， *, ， &($* ， +$ 抗剪环筋 韩 林 海$ 钢 管 混 凝 土 力 学 性 能 研 究 进 展 与 工 程 实 践$ 建 筑钢结构进展， *, ， &($* ， +$ 图 # 钢环锚固式节点 图 $ 环梁节点示意图 -.- ,!/0% 1 2324 *0 ： 0% # 钢管混凝土结构设计与施工规程 钢管混凝土结构设计与施工规程 ! ! 钢筋混凝土环

25、梁式 广东省建筑设计研究院， 华南理工大学 $ 带约束拉杆异型 钢管混凝土柱及其节点研究报告 $ !%0 围绕钢管设一钢筋混凝土环梁以传递内力， 在 钢管外侧位于环梁中部或靠近底部贴焊一或两根环 形钢筋作为抗剪环即形成节点 （图 !#） ， 楼盖梁嵌入 环梁， 其钢筋则全部锚入环梁内。 这种节点的传力方式是： 梁的剪力传至环梁后， 通过环梁与钢管间的粘结力、摩擦力和抗剪环传给 钢管柱，梁的弯矩则由环梁承担并自行平衡或传至 钢管柱。 其中剪力传递直接且均匀， 但弯矩传递则比 较复杂，要由环梁去消化，因而环梁的内力非常复 杂。 据对这种节点模型进行的试验表明， 只要环梁有 足够的强度就能达到刚性节

26、点的要求并传递各种内 力， 受力到一定程度后， 虽有裂缝产生， 但发展缓慢 而破坏裂缝则出现在环梁与被支承梁的交接处。 这种节点构造十分简单，除在钢管外侧贴焊钢 筋环 （工厂加工） 外， 其他一切均属钢筋混凝土楼盖 工程。 由于节点是环型， 对楼盖结构布置的适应性很 强， 能解决边柱、 角柱和楼盖梁非正交等情况。存在 的问题是： 被支承的梁均与环梁垂直相交， 内力传递 路线转变突然造成内力复杂，连结亦似较薄弱。此 外， 由于环梁受力复杂， 如何计算以保证它的强度也 需进一步研究。 % 0 5 陈弼宗， 陈星等 $ 广 州 新 中 国 大 厦 结 构 设 计 $ 建 筑 结 构 学 （ ） 报，

27、 *, 年 林立岩， 张 春 良$ 沈 阳 富 临 广 场 的 钢 管 混 凝 土 组 合 柱 结 构 $ 建筑钢结构进展， *, ， &($* ， +$ 张宗刚， 林立岩 $ 20, 级高强钢管 混 凝 土 核 心 柱 的 试 验 研 究$ 第十四届全国高层建筑结构学术交流会论文集， !%# （!） *,! !, 龚昌基$ 钢管混凝土柱节点形式探讨$ 建筑科学， ! 深圳赛格广场初步设计$ 华艺设计顾问有限公司$ !%1$! !* 容柏生等 $ 高 层 建 筑 钢 管 混 凝 土 柱 节 点 设 计 及 构 造 研 究 $ 建筑结构， （!, ） !% 试验 $ ! 吕西林等 $ 轴心受压方

28、钢管混凝土柱的性能研究： 建筑结构， （!, ） !% 李少云等 $ 新 型 钢 管 混 凝 土 柱 节 点 的 试 验 研 究 $ ! 方小丹， 建筑结构学报 6!% （1 ） !1 林立岩等 $ 以钢管混凝土柱为核心的高强混凝土叠合柱 $ 第三届中日建筑结构技术交流会论文集， !%5$! !# 钱 稼 茹 等 $ 合 银 广 场 钢 管 混 凝 土 柱 环 梁 节 点 低 周 反 复 荷 载试验报告 $ !%$ 焦占拴 $ 复式钢管混凝土柱的基本性能和承载力 !5 蔡绍怀， 计算 $ 建筑结构学报， （# ） !%5 西安建筑科技大学 $ 钢管混凝 !0 广州珠江外资建筑设计院， ! 结束语 通过大量的工程实践， 钢管混凝土柱在高层建筑 土柱 72 梁板节点拟静力三向加载试验研究， !%$% 中的应用， 在原有的基础上有了很大的发展， 出现了 各式各样， 包括不同作用的柱形式， 特别是节点形式 更是多式多样。本文所列仅是其中的一部分， 从中看 来， 很难说那一种形式是最优的， 从它自身看， 往往会 有一种优点的同时亦会存在另一个缺点， 加上具体工 程变化多样， 材料供应和施工条件不同， 其反应也不 同， 因此设计时只能结合具体情况来判断和选择。 0