1、高层建筑框架柱方案选型设计应用摘要：通过对钢柱、混凝土柱、钢管混凝土柱的适用性进行分析比较，对钢管混凝土结构 在工程中的设计应用、构造处理与施工控制进行探讨。 关键词：高层建筑；钢管混凝土结构；结构设计；结构优化 中图分类号:TU3 文献标识码：A 随着我国城市建设的飞速发展，城市改造进程也在不断加快，但我国土地资源又日趋紧缺，从而城市用地十分紧张，因此可用地资源与迅速增长的房屋需求之间的矛盾越发凸显出来。为了充分利用既有土地资源，建筑模式转向立体空间发展，因此，高层建筑也成为当今最受欢迎的建筑形式。 钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于
2、高层建筑框架结构中。 钢管混凝土柱是指将混凝土填入薄壁钢管内形成的组合构件，是一种综合发挥两种材料特点的受力型式。与单纯的钢柱相比，钢管混凝土柱克服了钢管结构中容易发生局部屈曲的缺点，更有效的利用构件截面、承载能力更高，在提高构件刚度和稳定性同时也降低了防火要求；与单纯的混凝土柱相比，钢管混凝土柱借助钢管抗拉能力强的材料特性，令其对核心混凝土产生套箍约束作用，从而使核心混凝土处于三向受压的状态，延缓混凝土受压时纵向开裂和整体形变，使核心混凝土具有更好的抗压强度和安全储备。近年来，高层建筑结构采用焊接方钢管混凝土柱与 H 型钢梁组成的框架体系在国内已经开始普遍应用。带内隔板的矩形钢管混凝土柱与工
3、形钢梁的连接构造型式也已被我国矩形钢管混凝土结构技术规程(CECS159-2004)列为推荐形式。 某高层办公楼位于济南市高新开发区。主体结构为钢框架-钢支撑结构体系，地上部分为十七层 （局部十八层） ，地下部分为一层。建筑物总高度为 61.8m。按照初步方案的结构布置，框架柱采用圆型钢柱，试算得主楼最大柱轴力为19850kN。柱截面需采用 900x22。而该建筑中功能性房间较多，房间内设备布置比较密集。900 的框架柱将造成很多区域的使用受到影响。且由于上部结构抗侧力构件分布不均匀，结构平动变形与扭转变形均比较大。因此需对框架柱的选型及截面尺寸进行优化，以期在减小截面的同时，增大抗侧移刚度，
4、同时对各榀抗侧力构件的刚度分布进行调整。 1.框架柱方案选型 受规范对框架梁柱偏心的要求限制，圆型截面 的框架柱无法做至与钢梁外皮齐平，且在梁柱节 点处，连接板突出外墙面。此处若仅依靠玻璃幕墙 进行掩盖，处理起来相当复杂。且与相同截面积的矩形柱相比，圆型柱的抗侧移刚度为矩形柱的 95%；而在圆型柱直径与矩形柱边长相等的情况下， 前者的竖向承载能力是后者的 78%，抗侧移刚度是后者的 59%。因此，将柱截面改为矩形截面，并做 进一步优化。 根据框架柱的承载需要计算，截面尺寸需做至 750x750x22（箱型截面）或 900x600x20x40（H 型截面） ，布置起来对建筑功能的实现仍然有一定的
5、影响。此外，在双向水平地震作用下，X 向与 Y 向层间位移角分别为 1/202 和 1/136，(规范限值为 1/250)，最大层间位移比为 1.76，且第一周期为扭转周期；在风荷载作用下，X 向与 Y 向层间位移角分别为1/1874 和 1/476 (规范限值为 1/500)。结构的扭转变形较严重，同时存在平动变形过大的现象。因此将框架柱改为方钢管混凝土柱，加大结构的抗侧移刚度，同时适当调整钢支撑的布置，使结构的抗侧力刚度分布趋于均匀（调整后结构布置见图一） 。调整后各项计算指标均满足规范要求。 2.构件设计 根据结构分析计算的结果，框架柱截面采用 600x600x20（局部为600x600
6、x18）拼接箱型钢管。钢管的腹板间采用单层坡口焊接。柱内在每层钢梁的上下翼缘处设 20 厚加劲板予以支撑。加劲板上 设 250 浇筑孔用于浇筑混凝土，并另设四个 25 通气孔，以利于混凝土浇筑密实。框架梁采用 H 型钢梁，采用栓焊方式连接在柱腹板上。在梁端上下翼缘处设附加连接板，使节点焊缝极限受弯承载力 Mu 与梁极限受弯承载力 Mp 之比满足 Mu1.2Mp。如此，在罕遇地震作用下，梁柱节点进入塑性变形阶段时梁铰出现早于柱铰，使整体结构具有较好的延性，形成明显的屈服阶段，进一步提高了结构的安全度。 本工程基础为钢筋混凝土筏板基础，上部结构为钢结构。按照规范要求，应在钢结构层与混凝土层之间设置
7、过渡层。故地下室层的框架柱采用型钢混凝土柱，截面为 1000x1000。其中型钢采用双 H 型截面，截面高度为 600x600，与上部方钢管混凝土柱相对应。型钢外包 200 厚混凝土层，翼缘上设 24 排 19 栓钉。型钢混凝土柱底部采用螺栓柱脚，生根在基础中。 （柱过渡做法及生根做法见图二） 3.工程施工 结合上部结构标准层高 3.9m 的情况，框架柱的钢管采用工厂制做，定尺长度取 12m（每三层一段） ，拼接部位取层高的 1/3 处。吊装时，下柱上端预留连接耳板。上柱就位后，以连接耳板做为临时固定。待上下柱对接焊缝完成并冷却后切除耳板。 (耳板设置见图三) 钢管内加劲板上设 250 浇筑孔
8、，并另设四个 25 通气孔（加劲板做法见图四） 。钢管内混凝土采用 C40 免振捣无收缩混凝土，并适当提高混凝土塌落度。浇筑前将钢管内清理干净；浇筑时在钢管外侧进行轻微振动，并保持通气孔通畅，确保浇筑密实；浇筑后采用超声波进行检测，对于混凝土不密实的部位，采用局部钻孔压浆法进行补强，然后将钻孔焊补封固。 4.综述 由于钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，并克服了钢管结构中容易发生局部屈曲的缺点，近年来逐渐广泛地被应用在高层结构中。 在许多钢结构高层建筑，钢柱受压面积不足，需将截面做得比较大，且受压时容易失稳进而丧失承载能力，需采用大量的钢板以确保局部稳定性。钢管混凝土
9、结构正是解决上述问题一个良好途径，并随着对理论研究的深入和新施工工艺的产生而应用日益普遍。 按照截面形式的不同可分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广。钢管混凝土构件截面形式对钢管混凝土结构的受力性能、施工难易程度、施工工期和工程造价都有很大的影响。圆钢管混凝土受压构件借助于圆钢管对其内部混凝土有效的约束作用，使钢管内部的混凝土处于三向受压状态，使混凝土具有更高的抗压强度。但是圆钢管混凝土结构施工难度大，施工成本高。相比之下，矩形钢管混凝土结构的施工较为方便，但钢管内混凝土受到的约束作用相对较小，结构承载力提高效果也不如圆钢管混凝土结构明显。在实际工程应用中，可结合建筑功能需要与经济指标等多方面因素综合比较，以期达到合理性与经济性“双赢”的结果。 参考文献: 1GB50011-2001 建筑抗震设计规范. 北京：中国建筑工业出版社，2001 2JGJ3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程. 北京：中国建筑工业出版社，2002 3JGJ99-98 高层民用建筑钢结构技术规程. 北京：中国建筑工业出版社，1998 4CECS159-2004 矩形钢管混凝土结构技术规程. 北京：中国计划出版社，2004
