某超高層鋼管混凝土柱的防護保護設(shè)計

宋紅勝

（長沙經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)天潤工程技術(shù)咨詢有限公司 長沙 410000）

1 工程簡況

某超高層建筑是集大型商場、高端寫字樓和五星級酒店等于一體，建筑總高度220m；采用外框內(nèi)筒的結(jié)構(gòu)形式，其框架柱及抗側(cè)力體系內(nèi)筒的32根密排柱均采用了圓鋼管混凝土。鋼管混凝土柱有φ1400×30、1400×20、1200×20、1200×16mm 四種截面形式，鋼管采用 Q345GJC，混凝土采用C60高強混凝土，柱的實際高度為4.4m。根據(jù)國家標準《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2014）[2]的有關(guān)規(guī)定，鋼管混凝土柱的耐火極限要求達到3h。

2 防護保護層厚度設(shè)計

本文結(jié)合《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）[3]的相關(guān)條文規(guī)定，梳理了設(shè)計鋼管混凝土柱的防護保護層厚度設(shè)計驗算的步驟和注意事項。

2.1 初始條件和參數(shù)

本工程中需要設(shè)計的鋼管混凝土柱相關(guān)參數(shù)如表1所示。表中，D和t分別為鋼管外徑和厚度，H為柱的實際高度，H0為考慮相鄰約束條件后柱的計算高度，α為含鋼率。

對于表1所示鋼管混凝土柱，其相關(guān)材料參數(shù)如下：

Q345GJC 鋼，屈服強度 fv=345MPa，彈性模量 Es=2.06×105N/mm2；C60混凝土，fck=41.5MPaEc=3.6×104N/mm2。

2.2 常溫下承載能力計算

表1 鋼管混凝土柱的相關(guān)幾何和物理參數(shù)

鋼管混凝土柱常溫下的極限承載力是計算其火災(zāi)下荷載比的基礎(chǔ)。對于表1所示的圓鋼管混凝土柱，其常溫下的極限承載力按《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）[3]中8.1.4條的計算方法進行確定。對表1中鋼管混凝土柱常溫下的穩(wěn)定承載力進行了計算，如表1所示，表中λ代表構(gòu)件長細比，對圓鋼管混凝土柱λ=4H0/D。

2.3 火災(zāi)荷載水平

火災(zāi)是構(gòu)件在使用期內(nèi)可能遭受到的偶然和短期作用，且火災(zāi)中人群中的主動疏散等，參考國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）[4]，火災(zāi)荷載標準值可不再考慮各荷載的分項系數(shù)。

根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）[3]，進行鋼結(jié)構(gòu)抗火驗算時，可按偶然設(shè)計狀況的作用效應(yīng)組合，采用下列較不利的表達式：

式中，Sm為作用效應(yīng)組合的設(shè)計值；SGk為永久荷載的標準值效應(yīng)；STk為火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的標準溫度作用效應(yīng)；SOk為樓面或屋面活荷載標準值的效應(yīng)；Swk為風(fēng)荷載標準值的效應(yīng)；φf為樓面或屋面活荷載的頻遇值系數(shù)，按現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）[4]的規(guī)定值取用；φq為樓面或屋面活荷載的準永久值系數(shù)，按現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）[4]的規(guī)定值取用；γ0為結(jié)構(gòu)抗火重要性系數(shù)，對于耐火等級為一級的建筑取1.1，對其他建筑取1.0。

本文計算中，永久荷載ΣΓk、活荷載ΣΘk和風(fēng)荷載Σωk采用靜力設(shè)計計算相關(guān)荷載數(shù)據(jù)，頻遇值系數(shù)φφ和準永久系數(shù)φθ分別按照商場選取，分別為0.6和0.5，考慮到本建筑，為高層建筑，其抗火性能重要性較高，結(jié)構(gòu)抗火重要性系數(shù)γ0取1.1。火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的溫度作用效應(yīng)在規(guī)程中沒有明確地給出，須根據(jù)具體的對象選取。溫度效應(yīng)引起的荷載主要是由于升溫過程中，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)熱膨脹，膨脹的構(gòu)件收到周圍構(gòu)件的約束，熱變形受到限制，進而產(chǎn)生內(nèi)力。其值大小與結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處的位置、建筑功能、火災(zāi)場分布等有關(guān)。

為便于設(shè)計，本文采用公式與有限元方法想結(jié)合的方法，假設(shè)了一種較為不安全的火災(zāi)工況，認為上下兩端固結(jié)的鋼管混凝土柱的自由膨脹受到限制，對溫度效應(yīng)引起的荷載進行計算。

首先嘗試采用公式方法對溫度效應(yīng)進行計算。溫度效應(yīng)引起的內(nèi)力按照文獻[5]中建議的公式進行計算。對于鋼管混凝土柱構(gòu)件，升溫導(dǎo)致的軸力按照式（3）計算。

其中，NTe為溫度引起的軸力，αs為材料的熱膨脹系數(shù)，ET為溫度為（T1+T2）/2時的材料彈性模量，T1和T2分別為受火構(gòu)件兩側(cè)的溫度，T0為受火前構(gòu)件的內(nèi)部溫度。

升溫時溫度由外向里傳遞，一方面該工程的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸較大，另一方面混凝土本身導(dǎo)熱系數(shù)較低，因此即便升溫3h，其鋼管混凝土截面內(nèi)的溫度分布仍然是非常不均勻的。而公式（3）中沒有考慮到截面上溫度分布不均勻的情況，在最后的荷載中無法度量這一情況。為此，采用文獻[1]中的有限元方法，對溫度效應(yīng)引起的荷載進行度量。結(jié)果表明，溫度效應(yīng)引起的荷載增量約為正常使用階段荷載的0.2倍。偏安全地考慮，驗算中的溫度荷載效應(yīng)取為0.2倍的控制荷載。利用公式（2）計算荷載結(jié)果見表3所示。

表2 公式（1）計算溫度效應(yīng)引起荷載

利用公式（2）計算荷載結(jié)果如表3所示。將公式（2）和公式（1）計算的結(jié)果對比，并取較大者STmax，并列于表4最后一列。

表3 公式（2）計算溫度效應(yīng)引起荷載

上述荷載分量分別確定之后，可計算得到火災(zāi)下的荷載水平。如表4所示，表中n為火災(zāi)荷載比，n=N/Ncr。通過比較可知，火災(zāi)下的荷載水平與結(jié)構(gòu)的控制荷載接近。

表4 受火時的鋼管混凝土柱上的荷載水平

2.4 防火保護層厚度計算

一般情況下，實際工程中裸鋼管混凝土柱不能滿足《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2014）[2]中耐火等級（一級 3.0h；二級 2.5h）的要求，需進行防火保護。防火保護層材料采用《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》（GB14907-2002）[6]中的厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，其防火保護層厚度的計算可參考《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）[3]及韓林海（2007）[1]的計算方法進行，如式（4）所示。

圓形鋼管混凝土柱：

對于圓鋼管混凝土柱：ω=7.2·t，耐火極限t以h計；截面周長C以mm計；kt為火災(zāi)下構(gòu)件承載力影響系數(shù)。以上公式的適用范圍為：200mm≤D≤1400mm，10≤λ ≤60，30MPa≤fcu≤80MPa，235MPa≤fy≤420MPa，4%≤α≤20%，0≤e/r≤3.0，t≤3h。

根據(jù)我國規(guī)范《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2014）[2]中對一級耐火等級，柱耐火極限需滿足3h；考慮到本工程的重要性，以及對于超高層建筑滅火救援的難度等原因，可適當(dāng)提高鋼管混凝土柱的耐火極限，本次設(shè)計時考慮了3h和4h兩種。

表5 鋼管混凝土柱防火保護層的簡化計算結(jié)果

綜上所述，根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）[3]的計算方法，可認為對于該工程中4種不同尺寸的鋼管混凝土柱，對應(yīng)于一級耐火等級（3h的耐火極限）推薦的防火層厚度為7.0mm。

3 結(jié)論

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于實際結(jié)構(gòu)中時，一般需要進行防護保護的設(shè)計驗算。進行設(shè)計驗算時，需要結(jié)合實際工程中采用的截面尺寸、計算長度和作用在結(jié)構(gòu)上的荷載水平等分別進行設(shè)計，特別是作用在結(jié)構(gòu)上的荷載水平時需要考慮溫度效應(yīng)產(chǎn)生的荷載；當(dāng)計算的厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的厚度小于施工需要的最小厚度7.0mm時，一般推薦采用7.0mm。