鋼管混凝土疊合柱的技術經濟分析

摘要本文從重載柱的工程實例出發，通過對大、小偏心兩種情況下重載柱的設計計算，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，結構占用面積，結構造價，節點構造，耐火性，延性，在逆作法中應用等方面，分析得到鋼管混凝土疊合柱的技術經濟優勢。

關鍵詞重載柱 鋼管混凝土疊合柱 技術經濟分析

中圖分類號:TU528文獻標識碼:A

隨著高層建筑和超高層建筑的發展，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，較好的解決了重載柱的諸多問題。目前重載柱的設計主要包括: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，通過對大、小偏心兩種情況下重載柱的設計計算，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，結構占用面積，結構造價，節點構造，耐火性，延性，在逆作法中應用等方面，分析得到鋼管混凝土疊合柱的技術經濟優勢。

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)的設計計算，并對六種結構形式進行經濟技術性對比分析，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，由4層地下室、46層主樓和頂層空間鋼構架及四層裙房組成，占地8 947地面以上結構總高約228m，主體結構高度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 重載柱結構形式綜述

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，節約鋼材和施工簡捷等突出的優點。因而在近十年來，在高層建筑和其他結構體系中得到了推廣和應用，發展十分迅速。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濟性能要優于方鋼管混凝土柱。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用。

高層鋼結構主要是采用型鋼、鋼板連接或焊接成構件，再經連接而成的結構體系。高層鋼結構常采用鋼框架結構、鋼框架—支撐結構、鋼框架—混凝土核心筒(剪力墻)結構等形式。而后者在現代高層、超高層建筑中應用較為廣泛，屬于鋼—混凝土混合結構，使鋼材和混凝土優勢互補、充分發揮材料效能。

鋼骨混凝土柱能夠很好的滿足高層建筑中建筑高度、功能、節約材料和降低造價等方面的要求，因此鋼骨混凝土構件得到了廣泛的應用。目前這種構件的名稱不堪統一。在日本稱之為鋼骨混凝土結構;在國內，冶金部行業標準《鋼骨混凝土結構設計規程》(YB9082-97)稱之為鋼骨混凝土，2001年發布的《型鋼混凝土組合結構技術規程》(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置鋼管混凝土柱的一種疊合構件，已形成我國自主開拓的一種結構體系。它較鋼骨混凝土柱有更優良的抗壓性能和抗震性能。

3 重載柱的設計計算

3.1 高強鋼筋混凝土柱的設計計算

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，構成格構柱需要的單肢太多，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)整體穩定驗算:

由+≤f。因為，lo=4300mm

3.5 鋼骨混凝土柱的設計計算

采用型鋼混凝土組合結構技術規范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

按規范附錄所給的表格校核:

4 鋼管混凝土疊合柱的經濟技術分析

4.1 六種重載柱結構構件占用面積的比較

小偏心情況下六種重載柱結構構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，最不經濟的是鋼筋混凝土柱。

鋼柱在重載柱設計中有一個很突出的問題，如采用格構柱形式，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 六種重載柱結構構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件材料用量的比較

設鋼材的綜合造價為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件材料用量的比較

設鋼材的綜合造價為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，擴大柱網間距，增大建筑物的使用面積，有良好的經濟指標。此外，高強混凝土還有徐變小、彈性模量高、耐腐蝕的優點。

高強混凝土柱也有缺點，脆性大、延性差。在設計中通常采用復合箍筋、螺旋式或焊接環形箍筋，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防區鋼筋混凝土柱中的應用，除非柱軸壓比相對較低。

鋼管混凝土柱是在薄壁鋼管內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，充分發揮兩種材料的優點，使柱子承載能力大大提高，同時具有很好的變形能力。它一方面借助內填混凝土增強鋼管的穩定性;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，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力的組合柱。柱子內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，提高了結構的抗震性能。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、經濟效果好的優點。

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，由于截面核心區鋼管混凝土的存在，對改善柱的破壞形態起了重要作用，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，易于穿過框架的節點，使節點區梁柱配筋構造處理非常簡單。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用。

5 總結

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

鋼柱在重載柱設計中有一個很突出的問題，如采用格構柱形式，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，提高了結構的抗震性能。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、經濟效果好的優點。

(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，由于截面核心區鋼管混凝土的存在，對改善柱的破壞形態起了重要作用，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，易于穿過框架的節點，使節點區梁柱配筋構造處理非常簡單。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用。

參考文獻

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