鋼管混凝土疊合柱的技術(shù)經(jīng)濟分析

摘要本文從重載柱的工程實例出發(fā)，通過對大、小偏心兩種情況下重載柱的設(shè)計計算，對比分析高強鋼筋混凝土柱、圓鋼管混凝土柱、方鋼管混凝土柱、鋼骨混凝土柱和鋼管混凝土疊合柱六種重載柱型的壓彎組合承載力，結(jié)構(gòu)占用面積，結(jié)構(gòu)造價，節(jié)點構(gòu)造，耐火性，延性，在逆作法中應(yīng)用等方面，分析得到鋼管混凝土疊合柱的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞重載柱 鋼管混凝土疊合柱 技術(shù)經(jīng)濟分析

中圖分類號:TU528文獻標(biāo)識碼:A

隨著高層建筑和超高層建筑的發(fā)展，以及建筑物底部大空間的要求，柱承受的軸力越來越大，下部柱的軸力可以達到3000～4000 kN，甚至更高。普通鋼筋混凝土柱已不適合用作高層建筑重載柱。原因是柱的軸壓比越高，延性越差，為了將軸壓比限制在較低水平上，則必須增大柱截面尺寸，從而帶來兩個突出問題:從使用功能看，胖柱占用了建筑物較大的使用空間;另一方面，從抗震性能上看，由于柱截面的增大，當(dāng)層高受到限制時，將使柱的剪跨比減小，甚至形成短柱。短柱在水平地震作用下，往往是剪切型脆性破壞，對抗震也十分不利。

近年來，鋼與混凝土組合柱的不同組合形式不斷出現(xiàn)，較好的解決了重載柱的諸多問題。目前重載柱的設(shè)計主要包括:高強鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱、鋼骨混凝土柱和鋼管混凝土疊合柱等。

本文從重載柱的工程實例出發(fā)，通過對大、小偏心兩種情況下重載柱的設(shè)計計算，對比分析高強鋼筋混凝土柱、圓鋼管混凝土柱、方鋼管混凝土柱、鋼骨混凝土柱和鋼管混凝土疊合柱六種重載柱型的壓彎組合承載力，結(jié)構(gòu)占用面積，結(jié)構(gòu)造價，節(jié)點構(gòu)造，耐火性，延性，在逆作法中應(yīng)用等方面，分析得到鋼管混凝土疊合柱的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。

1 工程實例背景介紹

本文擬采用鋼管混凝土疊合柱的小偏心工程實例，進行六種重載柱(高強鋼筋混凝土柱，圓鋼管混凝土柱，方鋼管混凝土柱，鋼柱，鋼骨混凝土柱和鋼管混凝土疊合柱)的設(shè)計計算，并對六種結(jié)構(gòu)形式進行經(jīng)濟技術(shù)性對比分析，下面是工程背景介紹:

上海碧玉藍天大廈位于上海市浦東陸家嘴金融中心區(qū)，由4層地下室、46層主樓和頂層空間鋼構(gòu)架及四層裙房組成，占地8 947地面以上結(jié)構(gòu)總高約228m，主體結(jié)構(gòu)高度199.8m，總建筑面積約10萬。其底層柱長度為4.300m，軸力為44918.9kN，彎矩91.6kNm。

2 重載柱結(jié)構(gòu)形式綜述

普通鋼筋混凝土柱已不適合用作高層建筑重載柱，因此在高層重載柱的設(shè)計中受到了很大限制。

鋼管混凝土柱具有承載力高，抗震性能好，節(jié)約鋼材和施工簡捷等突出的優(yōu)點。因而在近十年來，在高層建筑和其他結(jié)構(gòu)體系中得到了推廣和應(yīng)用，發(fā)展十分迅速。鋼管混凝土柱分為方鋼柱混凝土管和圓鋼管混凝土柱。理論上，由于圓管能更有效的約束混凝土，所以圓鋼管混凝土柱的經(jīng)濟性能要優(yōu)于方鋼管混凝土柱。但在西方建筑中，由于審美等方面的原因，方鋼管混凝土柱也得到了大量的應(yīng)用。

高層鋼結(jié)構(gòu)主要是采用型鋼、鋼板連接或焊接成構(gòu)件，再經(jīng)連接而成的結(jié)構(gòu)體系。高層鋼結(jié)構(gòu)常采用鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)、鋼框架—混凝土核心筒(剪力墻)結(jié)構(gòu)等形式。而后者在現(xiàn)代高層、超高層建筑中應(yīng)用較為廣泛，屬于鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)，使鋼材和混凝土優(yōu)勢互補、充分發(fā)揮材料效能。

鋼骨混凝土柱能夠很好的滿足高層建筑中建筑高度、功能、節(jié)約材料和降低造價等方面的要求，因此鋼骨混凝土構(gòu)件得到了廣泛的應(yīng)用。目前這種構(gòu)件的名稱不堪統(tǒng)一。在日本稱之為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu);在國內(nèi)，冶金部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(YB9082-97)稱之為鋼骨混凝土，2001年發(fā)布的《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ138-2001)稱之為型鋼混凝土柱，也有稱之為勁性混凝土柱的，但無論如何稱呼，其本質(zhì)是一樣的。本文稱之為鋼骨混凝土柱。

鋼管混凝土疊合柱，是在鋼筋混凝土柱的截面中設(shè)置鋼管混凝土柱的一種疊合構(gòu)件，已形成我國自主開拓的一種結(jié)構(gòu)體系。它較鋼骨混凝土柱有更優(yōu)良的抗壓性能和抗震性能。

3 重載柱的設(shè)計計算

3.1 高強鋼筋混凝土柱的設(shè)計計算

材料:混凝土C60:fc=27.5N/mm2，ft=2.04N/mm2;鋼筋HRB400:fy=fy'=360/mm2。

(1)按軸壓比初步選擇截面:

主要構(gòu)造要求:高寬比不宜大于3;上海7度抗震，框架>30米所以抗震等級為二級;柱邊長300mm，軸壓比小于等于0.85(二級，框架核心筒)，由n==≤0.8，得A≥1921664mm2，取b=h=1500mm，A=2250000mm2。

(2)計算配筋:

采用對稱配筋:

3.4 鋼柱的設(shè)計計算

材料:鋼材Q420:f=325N/mm2

(1)試選截面:

由于軸力很大，選擇工字鋼、角鋼、槽鋼、T型鋼等面積均不夠，構(gòu)成格構(gòu)柱需要的單肢太多，選擇最大的工字型鋼900€?00的需要6個以上沒辦法組合，且占用面積太大。所以選1000€?000mm箱型截面柱。

由強度條件確定壁厚:+≤f，

+≤325

所以得，t ≥72mm，取t=100mm。

(2)整體穩(wěn)定驗算:

由+≤f。因為，lo=4300mm

3.5 鋼骨混凝土柱的設(shè)計計算

采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范JGJ138—2001附錄A的十字形型鋼柱簡化計算方法計算

材料:混凝土C50:fc=23.1N/mm2，ft=1.89N/mm2; Q235鋼材:fa=210N/mm2;HRB335鋼筋:fy=300N/mm2

按規(guī)范附錄所給的表格校核:

4 鋼管混凝土疊合柱的經(jīng)濟技術(shù)分析

4.1 六種重載柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件占用面積的比較

小偏心情況下六種重載柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件占用面積的比較如下表:

表4.1小偏心情況下六種重載柱構(gòu)件占用面積的比較

由上面表可見:在小偏心情況下，圓鋼管混凝土柱占用的面積是最小的，其次是方鋼管混凝土柱，再次是鋼管混凝土疊合柱，最不經(jīng)濟的是鋼筋混凝土柱。

鋼柱在重載柱設(shè)計中有一個很突出的問題，如采用格構(gòu)柱形式，由于軸力很大，沒有截面積足夠大的型鋼，型鋼的組合也是一個問題。采用較厚的鋼板組成箱型截面柱是一個很好的選擇。

4.2 六種重載柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件造材料用量和造價的比較

小偏心情況六種重載柱材料用量(柱長4.3米):

小偏心情況下六種重載柱構(gòu)件材料用量的比較

設(shè)鋼材的綜合造價為10000元/噸，鋼筋混凝土的綜合造價為1000元/立方米，則造價比較如下:

表4.2 小偏心情況下六種重載柱構(gòu)件材料用量的比較

設(shè)鋼材的綜合造價為10000元/噸，鋼筋混凝土的綜合造價為1000元/立方米，則造價比較如下:

表4.3小偏心情況下六種重載柱構(gòu)件造價的比較

由上面表可見:造價由低到高，依次是圓鋼管混凝土柱，方鋼管混凝土柱，高強鋼筋混凝土柱，鋼管混泥土疊合柱，鋼骨混凝土柱，鋼柱。其中，圓鋼管混凝土柱造價最少，鋼柱造價最高。

高強混凝土系指C50以上的混凝土，目前多用C60。與普通鋼筋混凝土柱相比，高層建筑中采用高強混凝土柱，可顯著減小柱截面尺寸，擴大柱網(wǎng)間距，增大建筑物的使用面積，有良好的經(jīng)濟指標(biāo)。此外，高強混凝土還有徐變小、彈性模量高、耐腐蝕的優(yōu)點。

高強混凝土柱也有缺點，脆性大、延性差。在設(shè)計中通常采用復(fù)合箍筋、螺旋式或焊接環(huán)形箍筋，同時增大配箍率，以此提高箍筋對核心高強混凝土的約束力，改善柱的延性。但是，在高軸壓比的條件下，箍筋作用相對減弱，即使箍筋含量再高，對柱延性的影響也不顯著，而且箍筋過密，會給施工帶來不便。因此，必須限制C70，C80這些等級較高的高強混凝土在高烈度地震設(shè)防區(qū)鋼筋混凝土柱中的應(yīng)用，除非柱軸壓比相對較低。

鋼管混凝土柱是在薄壁鋼管內(nèi)填充混凝土形成的組合柱。它利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互制約，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點，使柱子承載能力大大提高，同時具有很好的變形能力。它一方面借助內(nèi)填混凝土增強鋼管的穩(wěn)定性;另一方面借助鋼管對混凝土的套箍作用，使柱核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的強度和變形能力。鋼管混凝土柱承載力高、抗震性能好、施工方便、經(jīng)濟效果好。鋼管混凝土柱的不足之處是其耐火性和耐腐蝕性不如混凝土柱，但優(yōu)于型鋼柱。

鋼骨混凝土柱是指將型鋼埋入鋼筋混凝土中共同承受內(nèi)力的組合柱。柱子內(nèi)部鋼骨和外包鋼筋混凝土形成整體，共同受力，兩者起著相互約束的作用。柱子的外包混凝土可以防止型鋼的局部屈曲，并能提高型鋼的整體強度，使其強度得以充分發(fā)揮。與普通鋼筋混凝土柱相比，由于配置了鋼骨，大大提高了柱的承載力，尤其抗剪承載力得到了很大提高，大大改善了受剪破壞時的脆性性質(zhì)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。總之，鋼骨混凝土柱具有承載能力高、延性好、抗震能力強、耐久性和耐火性能好、經(jīng)濟效果好的優(yōu)點。

鋼管混凝土疊合柱可以改善高強混凝土柱的延性差的缺點，由于截面核心區(qū)鋼管混凝土的存在，對改善柱的破壞形態(tài)起了重要作用，有利于延性的提，同時可以有效減小柱截面尺寸，增強柱的承載能力。與鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱相比，這種柱由于芯柱體積尺寸較小，易于穿過框架的節(jié)點，使節(jié)點區(qū)梁柱配筋構(gòu)造處理非常簡單。由于鋼管混凝土柱部分和混凝土柱部分可以分期施工，所以在逆作法中得到了應(yīng)用。

5 總結(jié)

(1) 圓鋼管混凝土柱占用的面積是最經(jīng)濟的，其次是方鋼管混凝土柱，再次是鋼管混凝土疊合柱，最不經(jīng)濟的是鋼筋混凝土柱。

鋼柱在重載柱設(shè)計中有一個很突出的問題，如采用格構(gòu)柱形式，由于軸力很大，沒有截面積足夠大的型鋼，而且型鋼需要的很多，型鋼的組合也是一個問題。采用較厚的鋼板組成箱型截面柱是一個很好的選擇。

(2) 高強鋼筋混凝土柱有脆性大、延性差、構(gòu)件占用面積大的缺點，但造價相對比較低。鋼管混凝土柱承載力高、抗震性能好、施工方便、經(jīng)濟效果好。鋼管混凝土柱的不足之處，是其耐火性和耐腐蝕性不如混凝土柱，但優(yōu)于鋼柱。鋼骨混凝土柱抗剪能力相對較好，相對混凝土柱大大改善了受剪破壞時的脆性性質(zhì)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。總之，鋼骨混凝土柱具有承載能力高、延性好、抗震能力強、耐久性和耐火性能好、經(jīng)濟效果好的優(yōu)點。

(3)鋼管混凝土疊合柱可以改善高強混凝土柱的延性差的缺點，由于截面核心區(qū)鋼管混凝土的存在，對改善柱的破壞形態(tài)起了重要作用，有利于延性的提高，同時可以有效減小柱截面尺寸，增強柱的承載能力。與鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱相比，這種柱由于芯柱體積尺寸較小，易于穿過框架的節(jié)點，使節(jié)點區(qū)梁柱配筋構(gòu)造處理非常簡單。由于鋼管混凝土柱部分和混凝土柱部分可以分期施工，所以在逆作法中得到了應(yīng)用。

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