超高層中的疊合柱梁柱節點設計

梁 艷

（深圳市建筑設計研究總院有限公司 廣東 深圳 518000）

超高層中的疊合柱梁柱節點設計

梁 艷

（深圳市建筑設計研究總院有限公司 廣東 深圳 518000）

鋼管混凝土疊合柱是通過在鋼筋混凝土柱中部加入鋼管混凝土的一種疊合構件，具有高抗震性、高承載性，且操作簡便，是國內近幾年應用非常廣泛的一種新型建筑結構體系。本文將結合具體的工程案例，簡要分析超高層中的疊合柱梁柱節點設計的相關要點，以供大家參考。

超高層；疊合柱設計；梁柱節點設計

1 工程概況

某超高層位于湖南省長沙市，南臨湘春路，北臨留芳嶺路，東臨芙蓉路，西臨蔡鍔北路，地塊南北方最大尺寸約120m，東西向最大尺寸約370m，總建筑用地面積約38922m2，總建筑面積約288321m2，是一個集商業、辦公及商務公寓于一體的大型項目。

超高層辦公樓總高210m，地下4層，地上49層。其中地上四層與裙房連為一體，辦公樓建筑平面尺寸為45.7m×42.7m，建筑功能上地下4～地下1層為地下車庫，1～4層為商業購物中心，5～ 6層為餐飲，7～8層為用于商務會議，第9、24和39層為避難層，其他均為辦公樓。

2 結構類型和疊合柱設計

2.1 結構類型

本工程采用型鋼混凝土組合柱框架-混凝土核芯筒結構，超過屬于B級高度鋼筋混凝土高層建筑最大適用高度。由于建筑功能要求，一層框架柱跨越三個層高，達到16.5m無梁板聯系，樓板開洞面積接近50%，大于30%，屬于“樓板局部不連續”；其偶然偏心的扭轉位移比大于1.2，小于1.4，屬“扭轉不規則”；豎向抗側力構件，東西兩邊核芯筒外墻分別在24層和39層以上取消，相鄰層剛度變化大于70%或連續三層變化大于80%，屬于“剛度突變”。

2.2 超限措施

本工程由于扭轉不規則，樓板不連續，豎向剛度突變等情況，采取以下超限措施：

（1）對于豎向剛度突變和整體剛度較弱等情況，將型鋼組合角柱伸至屋面，以加強該工程整體剛度；

（2）在筒體收級的24層避難層和39層避難層位置對本樓層及上、下樓層加強樓蓋剛度，以提高筒體和框架的協同工作能力，對樓板分別加厚，對其配筋分別加強；

（3）為提高本工程整體抗扭能力和消除外框架柱的剪力滯后現象，對外圍框架裙梁加大截面尺寸，提高其剛度；

（4）筒體收級后，框架梁跨度增大，為提高樓蓋剛度，在這些樓層位置增設次梁。

超限應對措施把結構抗側力構件的鋼骨混凝土柱作為加強的重點：

（1）框架柱采用鋼管混凝土組合柱《鋼管混凝土疊合柱結構技術規程》（CECS188：2005）。核心筒周邊所有框架柱-4～33層均采用鋼管混凝土組合柱，鋼管材料采用Q345鋼材。其中-4～-1層混凝土柱截面尺寸為1600×1600，鋼管直徑為1200mm，壁厚30mm；1層～5層混凝土柱截面尺寸為1500×1500，鋼管直徑為1200mm，壁厚30mm；6層～10層混凝土柱截面尺寸為1400× 1400，鋼管直徑為1000mm，壁厚30mm；11層～34層混凝土柱截面尺寸為1300×1300，鋼管直徑為900mm，壁厚24mm；與核心筒剪力墻的厚度變化錯開，以免豎向剛度突變過大；34層～37層除角柱保留鋼管外，其余柱內部改為HW400×408×21×21的型鋼，柱截面尺寸和鋼管直徑不變；38層以上僅角柱保留鋼管混凝土柱，其余為普通混凝土柱，其中柱截面尺寸由41層至屋面變為1100×1100；出屋面框架柱均為普通混凝土柱，柱截面尺寸為1000×1000。

（2）由于四個角部分別有兩道600×800的梁搭在核心筒剪力墻的四個角部，為增加該處的剛度，故在核心筒剪力墻四角附加型鋼暗柱。

（3）裙樓抗震等級提高一級。

鋼管混凝土有著卓越的承載能力和變形能力，但其防腐和防火材料不僅造價較高還有時效性，需考慮今后的維修保養，鋼管混凝土疊加合柱及鋼管混凝土組合柱可彌補這方面的缺陷。核心筒剪力墻四角附加型鋼暗柱，以解決由于首層層高較大，使得剪力墻端部應力集中的問題，并提高剪力墻的承載能力和抗變形能力。

3 鋼管混凝土組合柱的梁柱節點設計

在結構設計中往往僅在框架柱中采用鋼管混凝土，而框架梁則采用普通鋼筋混凝土，鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接節點成為工程中難點之一。目前常用的連接點有：鋼牛腿法、雙梁法、環梁法、鋼管開大洞后補強法及純鋼筋混凝土節點法等，本工程采用在鋼管上開穿鋼筋小孔的連接節點，為連接節點的設計提供多一種選擇。

3.1 疊合柱配筋

結構最大柱截面為1600×1600，最小柱截面為1300×1300。柱縱筋直徑主要為φ32和φ28（HRB400級鋼），箍筋直徑為φ14，間距100，每組由2道不同形式的箍筋疊合組成，主要形式為矩形、菱形、和拉鉤（見圖1）。

3.2 梁柱節點處鋼管開小孔的連接節點構造

鋼管上開穿鋼筋小孔的連接節點做法要點如下：

（1）鋼管開孔：圓形孔洞尺寸φ50mm，用于單排兩根鋼筋穿過；橢圓形孔洞尺寸=φ50×130mm，用于上下（或左右）雙筋并排穿過，每排兩根鋼筋穿過，小孔水平間距≥75mm。

圖1 配筋示意圖

（2）鋼管水平加強環：梁頂面和梁底面各設置一道，環型加勁板寬度為18mm，高度為250mm；若通過疊合柱的梁頂面標高不在同一個標高，則加勁板上部高出最高梁面25mm，底部低于最低處梁底處25mm，在鋼管柱內整體設置。

（3）在鋼筋混凝土疊合柱節點高度中、底部設置25×25方鋼環箍，與鋼管柱采用雙面角焊縫hf=10mm；環箍應盡量避開鋼管壁上的洞口。

（4）為使鋼筋混凝土疊合柱鋼管外混凝土與鋼管共同作用，鋼管壁設置圓柱頭栓釘，呈梅花形布置。

（5）梁中間部位鉆取φ20孔洞，以便腰筋穿過，每個孔穿過一根腰筋。

（6）梁鋼筋均采用大直徑的高強度鋼筋，鋼筋直徑一般為25～ 32mm，以減少鋼管開孔數量。

3.3 鋼管開小孔連接節點的優點

（1）減少開孔率。盡量減少了對鋼管截面的削弱作用，由于鋼管開孔面積少，使得鋼管的套箍作用基本沒變，保證了鋼管混凝土柱的承載能力和變形能力。

（2）保證梁端負彎矩傳遞。通過鋼管柱開孔，使梁鋼筋直接穿過，保證梁端內力傳遞，使梁剛度梁長范圍內的保持不變，結構受力分析與實際更為接近。然而，鋼牛腿法連接梁柱節點，由于在梁端范圍內需與型鋼連接，會使梁剛度發生急劇變化。

（3）保證構件連續。對開孔率略大的位置進行加勁板補強，保證鋼管在節點區的連續性，滿足鋼結構設計要求。

（4）便于現場施工，無需現場焊接，施工進度快。

（5）造價較低，相比于鋼牛腿法和鋼管開大洞法，節點補強所用的材料較少。

對于疊合柱結構鋼管開小孔的安全性，中國鋼結構協會鋼-混凝土組合結構協會做了分析研究，對于同樣四組1：5的結構模型，進行了九個試件模型試驗，結論是其結構是安全可靠的，并在多個工程實踐中證實了該方法可靠性和可行性。

4 剪力墻平面外對梁端嵌固作用的分析

對于框架-核心筒結構或剪力墻結構，通常會有框架梁與墻肢平面外連接，當梁高大于2倍墻厚時，梁端彎矩對墻平面外的安全不利，因此要增大墻肢抵抗平面外彎矩的能力，以保證剪力墻平面外的安全。對于超高層框架核心筒結構，筒體外圍墻肢空間剛度很大，計算軟件分析時會加大墻平面外對梁端的嵌固作用，使得梁端負彎矩計算值要大于實際值，本工程應對措施如下：

（1）采用梁端水平加腋法：框架梁與剪力墻連接處采用局部水平加腋剪力墻聯結，用以增加剪力墻對平面外連接的有效長度，達到嵌固要求。

（2）采用暗柱法：在框架梁與剪力墻相交處設置暗柱，與墻等寬，暗柱高度大于框架梁梁寬每邊各100mm，以便于框架梁主筋避開暗柱鋼筋。

（3）在墻邊增加框梁法：用以解決框架梁端與剪力墻相交處的錨固問題，增加平面外對梁端的嵌固約束。墻邊框架梁的截面寬度應不小于0.4倍梁縱筋錨固長度，墻邊框架梁截面高度應大于樓面截面高度。

為保證框架梁正截面設計更加接近實際受力情況，梁端配筋時，可在分析計算時設定梁端負彎矩調幅系數后，再局部適當地調幅。人工調幅時，應考慮構件的剛度、裂縫的開展、內力重分布的充分及變形滿足使用要求。

同時，對于超高層框架核心筒結構，筒體外圍墻肢空間剛度很大，除了了框架梁，還有樓面梁一端與墻肢平面外連接時，另一端與外框架梁相連，計算軟件同樣會夸大墻肢對于這種次梁的嵌固作用，往往使計算結果趨近于懸挑梁。本工程對這種情況的樓面梁設計為半剛接，減小墻肢平面外彎矩，措施如下：

（1）梁底鋼筋按樓面梁兩端簡支時配置，以保證次梁正彎矩的可靠性；

（2）與墻肢平面外相連處，按半剛接考慮；

（3）樓面梁與墻肢相連的一端，約1/3梁長范圍內箍筋加密。

5 結語

通過采用鋼-混凝土結構，保證了結構安全，極大地減少了鋼筋用量，減小了構件截面，增加了使用面積，取得了良好的經濟效益。另外，鋼-混凝土結構具有良好的耐久性和防火性能。

（1）鋼管混凝土疊合柱及鋼管混凝土組合柱有卓越的承載能力和變形能力，還可彌補鋼管混凝土柱的防腐和防火材料造價較高及時效性方面的缺陷。

（2）鋼管按一定的構造要求開穿鋼筋小孔，對鋼管截面損傷不大，梁鋼筋直接穿過鋼管，使得梁內力可以可靠的傳遞適當設置水平加強環和豎向短加勁肋，鋼管混凝土柱的承載能力和變形能力不會降低，節點剛性得以保證。模型試驗已經證實該方法的可靠性，工程實踐已經證實該方法的可行性。大大節約梁柱節點所用鋼材，施工方便。

（3）影響剪力墻平面外對染端嵌固作用的主要因素：墻平面外對梁端嵌固作用有效長度、墻線剛度與梁線剛度之比和墻在該層的軸壓力等等。為加強墻平面外對梁端嵌固作用，可采取梁端水平加腋法、增加墻邊框梁方法，梁端彎矩可采用“調幅再調幅”方法。

TU398+.9

A

1673-0038（2015）37-0007-02

2015-8-26

梁艷（1980-），女，廣東深圳人，助理工程師，本科，從事結構設計工作。