淺析鋼管混凝土柱在住宅中的應用

周永綱　王龍賓　趙建宇

摘要：隨著裝配式建筑的推廣，鋼架結構將在民用建筑中得以更加廣泛的應用。文章以西南地區首例鋼結構高層住宅為例，對比了軸壓條件下，鋼管混凝土框架柱和同標號普通鋼筋混凝土柱在承載力方面的優勢，描述了梁柱加強環式節點的連接構造，介紹了鋼管內立式手工澆搗法澆灌混凝土過程中質量控制的要點。

關鍵詞：鋼管混凝土柱；加強環式節點；立式手工澆搗法；高層住宅；民用建筑；鋼架結構 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU398 文章編號：1009-2374（2017）10-0053-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.026

在我國綠色建筑理念快速發展的大趨勢下，裝配式建筑逐漸成為房地產行業新的發展方向。本項目為西南地區首例將鋼管混凝土應用于裝配式住宅中的工程。其位于成都平原西南，Ⅱ類場地，7度抗震設防。建筑面積約7.8萬m2，地下兩層，鋼筋混凝土筏板基礎。2棟22F和2棟25F的單體住宅采用鋼架結構，建筑高度分別為69.3m和78.3m。梁、板和墻分別為H型鋼梁，鋼筋桁架樓承板和現澆泡沫混凝土輕鋼龍骨復合墻。本文以2#樓2層柱GKZ-1為例，分析該構件在承載力方面的優勢，描述了梁柱節點連接構造方式和鋼管內澆灌混凝土過程中的質量控制要點。

1 承載力優勢

本文僅考慮軸壓狀態下鋼管混凝土柱承載力，忽略偏心狀態和三維空間效應影響。GKZ沿高度逐漸縮小管徑和鋼管壁厚，并且減小內灌混凝土標號，具體數值見表1。二層柱子GKZ-1的柱高為h為3.6m，柱長和寬b均為600mm，鋼管厚度tw為30mm，內灌混凝土強度為C60，鋼管選用Q345B。選取沿D軸線方向，以鋼框梁1來計算橫梁線剛度之和與柱線剛度的比值。GKL-1為Q345B熱軋H型鋼，規格為550×250×10×16。

根據規定，鋼管混凝土單肢柱的承載力按式（1）至式（6）計算。

式中：N0為鋼管混凝土柱軸心受壓柱的承載力設計值；θ為鋼管混凝土的套箍指標；fc為混凝土的抗壓強度設計值；Ac為鋼管內混凝土的橫截面面積；fa為鋼管的抗壓強度設計值；Aa為鋼管的橫截面積；1為考慮長細比影響的承載力折減系數；2為考慮偏心率影響的承載力折減系數，本文中取為1.0；le為柱的等效計算長度；k為等效計算系數，本例中取為1.0；μ為計算長度系數，通過查表計算本例為0.765。

聯立式（1）至式（6），經計算GKZ-1的承載力Nu為42028kN。

如果采用同標號的普通鋼筋混凝土柱承擔上述荷載，按照最大配筋率5%的限制，根據式（7）可以計算出，柱子截面邊長為1000mm，配筋為48根直徑36mm的HRB500。

通過對比計算結果可以看出，當承載力相同的情況下，鋼管混凝土柱的截面面積和比強度分別是普通混凝土柱的36%和2.01倍。對于2#樓而言可以減小柱子面積約83m2，而整個工程可以增加使用面積約412m2。這不僅可以增加住戶住宅使用面積，增加開發商的土地利用率，而且降低了混凝土材料的使用量，減輕了建筑的自重。在地震作用下，用更高的抗力來抵抗較小地震的效應，使得住宅抗震性能更好。

2 梁柱節點連接構造

按照節點的傳力機理，鋼管混凝土柱節點可分為剛接、鉸接和半剛接三種類型。本工程中不存在梁柱鉸接節點，而剛性節點根據不同的構造特點又可以分為加強環式節點、環梁式節點、穿心鋼牛腿節點、鋼筋貫通式剛接節點和錨定式節點等5種類型。本文仍以2#樓2層的GKL-1和GKZ-1為例，其梁柱節點連接形式如圖1和圖2所示。

從圖中可以看出，該連接方式為加強環式節點。H型鋼梁上下翼緣開1/4圓弧口，腹板通過雙排8個10.9級M22螺栓與鋼管混凝土柱上前后兩塊厚度為8mm的連接板以摩擦型方式鉸接。其中，高強螺栓行與列的間距均為75mm。翼緣再由現場的單邊V形焊與外加強環焊接在一起。嚴格而言，該連接方法應該屬于半剛性連接。當受到設防等級烈度的地震作用時，節點處剛性V型焊接處首先斷裂消耗部分能量，然后摩擦型螺栓可以使梁端在平面內上下轉動，卸去彎矩，再次消耗地震能量。對于鋼管混凝土柱，由于在梁上下翼緣處均設置間距為550mm的內外加強環，因此為了傳遞剪力作用，在柱內側3個方向焊接了厚度為6mm的加勁肋。在內加強板上留置了直徑問為250mm的注漿孔和4個排氣孔用來灌注混凝土。

從節點的連接形式可以看出，需要在工地現場完成的工作只有：首先用摩擦型高強螺栓連接H型鋼梁腹板和鋼管混凝土柱連接板；其次焊接連接板；最后將柱上的加強環和梁上下翼緣處焊接。因此與普通混凝土梁柱節點相比，不僅工廠化、預制化程度極高，而且施工快捷方便，還避免了節點處鋼筋過密，混凝土澆筑振搗不密實的隱患。

3 澆灌混凝土質量控制要點

鋼管混凝土柱在工程應用過程中，涉及到了工廠加工、拼裝組合、吊裝和澆灌混凝土等階段。國家鋼結構規范或技術規程明確規定了各階段施工的方法和允許誤差。該構件澆灌混凝土常采用的有泵送頂升法、立式手工澆搗法和高位拋落無振搗法。

泵送頂升法指的是在鋼管接近地面的適當位置留進料孔，用泵車的輸送管直接從下往上壓入混凝土的施工方法。管內空氣可以從柱上端排氣孔逸出，并且依靠自重足以使混凝土密實，從而省略振搗過程。該工藝適用于鋼管直徑800mm以下、混凝土強度C60以下和頂升高度小于60m的工況。

高位拋落無振搗法指的是從鋼管上端投入混凝土，利用下落勢能達到振搗目的的施工方法。其適用于管徑大于350mm且高度小于4m的工況。

立式手工澆搗法指的是混凝土從鋼管上口灌入，且用振搗器搗實的施工方法。該工藝只要求管徑大于350mm，且可以排除混凝土灌入時裹挾的氣泡。

從梁柱節點的構造可以看出，本工程采用了立式手工澆搗法。在澆筑過程中控制要點如下：（1）混凝土中粗骨料的直徑為1～4cm，塌落度為2～4cm，水灰比小于0.45；（2）為了避免澆筑過程中粗骨料產生彈跳現象，應先澆灌一層10～20cm厚與混凝土同等級的水泥砂漿；（3）每次振搗時間不小于30s，澆筑高度不宜超過2m；（4）當混凝土達到鋼管頂端稍溢出時，隨即將封頂板電焊。待混凝土強度達到設計值的50%后，再按要求補焊；（5）用敲擊鋼管法或者超聲波法檢查澆灌質量。對不密實部位，采用鉆孔壓漿法補強，然后將鉆孔補焊封固。

相比于普通鋼筋混凝土框架柱，該構件施工時省去了支模拆模過程，且工程質量更加易于控制。

4 結語

本文以西南首例應用鋼管混凝土柱的住宅建筑為例，分析了該構件的承載力優勢，得出了同一承載力下，鋼管混凝土柱的截面面積和比強度分別是普通混凝土柱的36%和2.01倍，且具有更好的抗震性能；描述了梁柱加強環式節點構造形式，介紹了澆灌混凝土過程中的質量控制要點，從中可以看出該構件施工時方便快捷、工廠化程度高、質量容易控制。

參考文獻

[1] 楊有福.鋼管混凝土結構設計規程比較[J].福州大學學報（自然科學版），2004，32（5）.

作者簡介：周永綱（1973-），男，陜西武功人，西安航天建設監理有限公司高級工程師，研究方向：建設工程項目管理。

（責任編輯：蔣建華）