鋼管混凝土柱的設計及PKPM 設計工具實現

楊悠子

1.概述

鋼管混凝土柱是在鋼管內填普通混凝土組成的構件。由于鋼管混凝土柱的混凝土與鋼管共同作用，具有承載能力高、塑性和韌性好、節省材料、方便施工等特點，適用于高層、大跨度、重荷載、抗震及防爆的建筑的承重結構。

鋼管混凝土柱按其外形可分為圓鋼管混凝土柱及矩形鋼管混凝土柱（如圖1）兩種。本文主要介紹這兩種鋼管混凝土柱的結構特點、設計方法及PKPM 軟件中鋼管混凝土柱的設計工具[1]。

2.圓鋼管混凝土柱的設計

2.1 基本要求

鋼管的最外側直徑宜大于等于100mm，鋼管的壁厚宜大于等于4mm，其外徑與壁厚之比d/t 宜限制在之間，fy代表鋼材的屈服強度。對于一般承重柱，宜取左右。鋼管混凝土柱從小變形和經濟考慮,宜采用強度等級不低于C30 的普通混凝土。

2.2 按不同方法計算圓鋼管混凝土柱承載力

（1）按《鋼管混凝土結構技術規程》（CECS 28：2012）計算

軸向受壓的強度承載力設計值Nu應按下列公式計算：

Nu=φ1φeN0；θ=

當0.5＜θ≤[θ]時，N0=0.9Acfc（1+αθ）

當2.5＞θ＞ [θ]時，N0=0.9Acfc（1++θ）

N0—鋼管混凝土短柱的軸心受壓承載力設計值；α—按混凝土強度等級確定的系數；[θ]—套箍指標界限值，按強度等級取值；Ac—管內的核心混凝土橫截面的面積；fc—管內的核心混凝土的軸心抗壓強度設計值；Aa—鋼管自身橫截面的面積；fa— 鋼管自身抗拉、抗壓強度的設計值；φ1、φe—承載力折減系數。

圖1 圓形及矩形鋼管混凝土柱截面示意圖

（2）按《鋼管混凝土結構技術規范》（GB50936-2014）第5 章方法計算

軸心受壓強度承載力設計值N0應按下列公式計算：

Asc—柱構件自身截面面積，實心時為鋼管和管內混凝土面積之和，空心時為鋼管面積；fsc—實心或空心鋼管混凝土整體抗壓強度設計值；As、Ac— 鋼管面積、管內填充的混凝土面積；αsc—實心或空心鋼管混凝土構件的含鋼率；θ—實心或空心鋼管混凝土構件的套箍系數；f、fc— 鋼材、混凝土的抗壓強度設計值；B、C —系數，考慮截面形狀對套箍效應的影響[2]。

軸心受壓構件的穩定承載力設計值N0應按下列公式計算：

φ—軸心受壓構件穩定系數；—長細比、則長細比；壓彎構件承載力按下列公式計算：

Esc—彈性模量；N、M—作用于構件的軸心壓力和彎矩；βm—等效彎矩系數；Nu—實心或空心鋼管混凝土構件的軸壓穩定承載力設計值；Mu—實心或空心鋼管混凝土構件的受彎承載力設計值。

（3）按《鋼管混凝土結構技術規范》（GB50936-2014）第6 章方法計算

軸心受壓承載力設計值應按下列公式計算：

φe—偏心率影響的承載力折減系數；φl—長細比影響的承載力折減系數。

（4）按《組合結構設計規范》（JGJ 138-2016）方法計算

本計算方法與《鋼管混凝土結構技術規范》（GB50936-2014）第6 章方法相似，只在φl的計算上稍有不同，此處不再詳細介紹。

3.矩形鋼管混凝土柱的設計

3.1 基本要求

與圓形截面鋼管混凝土柱相比較，矩形截面鋼管混凝土柱具有連接節點的構造相對簡單，建筑的整體協調性好，且具有明顯的雙向良好的抗彎性能，因而廣泛應用于多、高層建筑中[3]。

矩形鋼管混凝土柱應按承載力極限狀態（強度和穩定性）進行設計。計算強度和穩定性時，應考慮荷載效應的基本組合，采用荷載設計值和材料強度設計值。

鋼管的最外側直徑宜大于等于100mm，鋼管的壁厚宜大于等于4mm，其外徑與壁厚之比d/t 宜限制在之間，fy為鋼材屈服強度。對于一般承重柱，宜取左右。

矩形鋼管的鋼材可采用Q235 鋼、Q345 鋼、Q390 鋼和Q420 鋼。鋼管中混凝土強度等級的匹配，對Q235 鋼管宜配C30 或C40 級混凝土，對Q345 鋼管宜配C40、C50 或C60 級混凝土，對Q390 鋼和Q420 鋼管宜配C50 或C60 級及以上等級的混凝土[4]。

3.2 按不同方法計算矩形鋼管混凝土柱承載力

（1）按《矩形鋼管混凝土結構技術規程》（CECS 159：2004）計算

N —軸心壓力設計值；γ—系數，不考慮地震作用組合時，γ=γ0；考慮地震作用組合時，γ=γRE。

軸心受壓構件穩定性應滿足下式要求：

Mx、My—彎矩設計值，分別為繞主軸x、y 軸作用；Munx、Muny—凈截面受彎承載力設計值，分別為繞x、y 軸作用。

繞主軸x 軸的穩定性應滿足下式要求（壓彎構件）：

繞主軸y 軸的穩定性應滿足下式要求（壓彎構件）：

φx、φy—分別為繞主軸x、y 軸的軸心受壓穩定系數；βx、βy—分別為在計算穩定的方向對Mx、My的彎矩等效系數；Mux、Muy—分別為繞x、y 軸的受彎承載力設計值。

（2）按《鋼管混凝土結構技術規范》（GB50936-2014）第5 章的計算方法同圓形鋼管混凝土柱。

（3）按《組合結構設計規范》（JGJ 138-2016）方法計算

軸心受壓構件承載力應滿足下式要求：

N ≤0.9φ（α1fcbchc+2 fabt+2 fahct）

b、h、bc、hc—分別為矩形鋼管截面寬、高、管內混凝土截面寬、高；t —鋼管壁厚；α1—混凝土受壓區的壓應力影響系數。

偏心受壓構件承載力應滿足下式要求：

當x ≤εbhc時：

Ne ≤α1fcbcx（hc+0.5t -0.5x）+fabt（hc+t）+Maw

當x ＞εbhc時：

Ne ≤α1fcbcx（hc-0.5t -0.5x）+fabt（hc+t）+Maw

4.軟件介紹

選擇PKPM 軟件工具箱的“混凝土構件設計”工具，然后選擇“鋼筋混凝土基本構件截面計算”菜單，其中的“鋼管混凝土構件設計”包括了“圓鋼管柱構件設計”（如圖2）和“矩形鋼管混凝土柱構件設計”（如圖3）選項。

4.1 功能和適用范圍

使用“PKPM 構件工具箱”的“圓鋼管混凝土柱構件設計”工具及“矩形鋼管混凝土柱設計”工具可完成圓形及矩形兩種鋼管混凝土柱構件的計算。

圖2 圓鋼管混凝土柱軟件界面

圖3 矩形鋼管混凝土柱軟件界面

4.2 數據輸入

4.2.1 截面信息輸入

點擊“柱截面輸入”按鈕，輸入截面尺寸。圓鋼管混凝土柱只需要輸入圓管截面直徑、圓管截面壁厚；矩形鋼管混凝土柱只需要輸入截面寬、截面高、上下壁厚及左右壁厚即可。

4.2.2 柱設計內力輸入

輸入柱的彎矩設計值及軸力設計值。

4.2.3 等效彎矩系數輸入

4.2.4 設計參數輸入

4.3 軟件計算

圓鋼管混凝土柱設計工具可選擇的規范包括了《鋼管混凝土結構技術規程》（CECS 28：2012）、《鋼管混凝土結構技術規范》（GB 50936-2014）及《組合結構設計規范》（JGJ 138-2016）。計算內容包括：平面內長細比、平面外長細比、單管軸心受壓短柱構件的承載力設計值、整體承載力設計值、柱平面內計算長度與管徑之比、柱平面外計算長度與管徑之比、柱構件作用軸力與整體承載力的比值等。

矩形鋼管混凝土柱設計工具可選擇的規范包括《矩形鋼管混凝土結構技術規程》（CECS 159：2004）、《鋼管混凝土結構技術規范》（GB 50936-2014）及《組合結構設計規范》（JGJ 138-2016）。

計算內容包括：平面內長細比、平面外長細比、壓彎構件的承載力驗算、壓彎構件的繞x 軸的穩定性驗算、壓彎構件的繞y 軸的穩定性驗算、高厚比、寬厚比等。計算書內容詳細，包括各項的計算公式、計算過程及計算結果。計算書格式為word 文本輸出格式，便于用戶修改。

5.小結

實際工程中設計人員常使用不同規范進行設計計算，并對比不同規范的計算結果。但各規范針對圓形截面鋼管混凝土柱和矩形截面鋼管混凝土柱的計算公式都較為復雜，導致設計人員把各構件按不同規范進行手算的難度很大，PKPM 軟件的圓形截面鋼管混凝土柱和矩形截面鋼管混凝土柱設計工具，可選擇不同規范進行設計計算，并輸出詳細計算書，節省了設計人員的大量時間。文章詳細介紹了圓形截面鋼管混凝土柱和矩形截面鋼管混凝土柱設計工具在PKPM軟件中的應用，供設計人員參考。