矩形鋼管混凝土柱在高層建筑中的應用

文花平，趙春亮

（1.浙江大陸建筑特種工程有限公司，浙江 杭州 310007；2.浙江中南綠建科技集團 有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

隨著鋼結構建筑的大力推廣，矩形鋼管混凝土柱目前大量應用到高層鋼結構建筑中，國內(nèi)對于鋼管混凝土的理論文獻較多，其中《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊（第四版）[1]對一些構造要求可供設計人員查閱，童根樹.《鋼結構與鋼-混凝土組合結構設計方法》[2]提供了理論計算方法；但與實際項目結合進行系統(tǒng)分析的文獻不多，本文從一線設計人員的視角出發(fā)，做了全面系統(tǒng)的介紹，對鋼結構設計有一定經(jīng)驗的技術人員會從中找到經(jīng)驗和共鳴。

1 工程概況

本項目為：建設浙江中南綠建科技產(chǎn)業(yè)基地項目檢測大樓，項目位于杭州富陽經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)場口新區(qū)，新區(qū)南至杭新景高速公路，地勢平坦，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，場口新區(qū)以打造“工業(yè)平臺、區(qū)域中心”為目標，大力發(fā)展裝配式建筑，人文環(huán)境優(yōu)越。本項目建筑面積為19 679m2，地上12 層，裙房3 層，地下室1 層，地下室層高3.55m，首層層高5.4m，標準層層高3.9m。基礎采用預應力管樁+承臺。地上及地下柱均采用矩形鋼管混凝土柱，地下室柱腳設計采用外露式柱腳，梁柱節(jié)點采用貫通隔板和內(nèi)隔板結合的節(jié)點，設計安全等級：二級；耐火等級：地下一級 地上二級。設計正常使用年限50 年；建筑抗震設防類別：丙類；抗震設防烈度6 度；基本地震加速度值：0.05g；設計地震分組：第一組。場地類別：Ⅱ類；溫度差：升溫25℃、降溫25℃?；撅L壓：0.45 KN/m2?；狙海?.50 KN/m2（100 年）。

2 計算簡圖

本項目平面尺寸23m×106.8m，高寬比為2.1。結構模型示意圖如圖1 所示，Y 向設置支撐。

圖1 結構模型示意圖

3 主要設計控制要點

3.1 地上結構體系確定

本項目長100.8m，寬20.4m，下部為3 層裙房，裙房與主樓交接處為主入口大廳，此范圍2 層抽空，裙房中廳周邊柱結構整體性過差，故采用不設縫方案；由于該結構Y 向剛度偏弱，故采取Y 向設置中心支撐體系，計算分析后位移角與X 向位移角接近，并滿足規(guī)范1/400 的要求。

3.2 梁布置與梁高的確定及優(yōu)化

本項目標準層層高3.9m，采用焊接H 型鋼梁，使用凈空要求＞3.2m，故房間內(nèi)部梁高控制在400mm，柱距8.4m，采用自承式鋼筋桁架樓承板，中間設一道次梁。

3.3 外擋墻、柱布置及截面選擇

該項目柱距8.4m，地下室為停車庫，每個開間設3 個車位，2.5m×3=7.5m，由此地下室柱如果采用砼柱，首層鋼柱過渡到砼柱，每邊外包180mm，這樣地下室砼柱不能滿足停車位的要求，故本項目地下室柱采用鋼管混凝土柱，一層梁采用焊接H型鋼梁；地下室外墻采用內(nèi)側貼鋼管混凝土柱外皮，設置栓釘?shù)淖龇ǎ叵率彝鈮H作為擋土墻使用，這樣既保證了地下室外墻的連續(xù)性，又對鋼管混凝土起了保護作用，避免鋼柱腐蝕。

3.4 二階P-Δ 效應和計算長度選擇

本項目通過比較采用一階彈性分析方法按有側移進行計算，與采用二階P-Δ 彈性分析與設計、柱計算長度系數(shù)取1，兩種計算方法進行對比計算分析，采用一階彈性分析方法，柱最大計算長度系數(shù)2.3，部分柱容許長細比超限，需加大截面，當采用二階P-Δ 彈性分析方法時，柱計算長度系數(shù)取1，柱容許長細比滿足規(guī)范要求，柱穩(wěn)定應力比一階彈性分析方法略高，考慮結構經(jīng)濟性及使用空間，最終確定采用二階P-Δ 彈性分析方法?！陡邔用裼媒ㄖ摻Y構技術規(guī)程》（JGJ 99-2015）[3]第7.3.9 條的條文說明指出：框架柱的長細比關系到鋼結構的整體穩(wěn)定。研究表明，鋼結構高度加大時，軸力加大，堅向地震對框架柱的影響很大。因此，當構件長細比不滿足規(guī)范容許長細比時，可以選擇二階P-Δ 彈性分析與設計。

3.5 外露式柱腳與埋入式柱腳比較

《矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程》及《鋼結構設計手冊》第四版中規(guī)定：矩形鋼管混凝土柱宜采用埋入式柱腳，當設置地下室且框架柱延伸至地下一層時，或7 度及以下抗震設防時，也可采用外包式柱腳或外露式柱腳；該項目若采用埋入式柱腳，柱腳埋入深度，《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》中8.6.1 規(guī)定柱截面邊長不小于2.5，柱截面多數(shù)為500mm，2.5×500=1 250mm；另外，《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》中8.6.4 規(guī)定柱腳軸向力由柱底板直接傳給基礎。應按《混凝土結構設計規(guī)范》驗算柱底板下混凝土的局部承壓，承壓面積為底板面積，《鋼結構設計手冊》第四版中13.8.4 柱腳埋入混凝土部分均設置栓釘，栓釘?shù)膫髁C制在埋入式柱腳中作用不明顯，鋼柱通過栓釘傳遞給周圍混凝土的剪力為25%～35%的柱軸力。主樓部分承臺采用C40 混凝土，計算沖切需要柱底板下混凝土厚度為1650，承臺需局部加厚，算上加厚部分，承臺厚度為3 000mm，基礎成本會加大，本項目采用外露式柱腳，若采用傳統(tǒng)外露式柱腳柱腳板，柱腳板及加勁肋外包會導致每個空間減少一個車位，本項目根據(jù)實踐經(jīng)驗，采用柱腳處承臺預留400 深杯口，鋼柱安裝完成后二次澆灌，這樣既滿足使用要求，又避免了鋼柱腐蝕。

3.6 梁柱剛接隔板的選擇

本項目梁柱剛接隔板，對于成品冷彎直立縫鋼管，采用貫通式隔板，貫通隔板的優(yōu)點是不需采用熔嘴電渣焊焊接隔板，故此，鋼柱應盡量采用成品矩形鋼管。對于成品矩形鋼管難于采購的柱，采用內(nèi)隔板，內(nèi)隔板需采用熔嘴電渣焊工藝。采用電渣焊時，柱壁板的厚度不宜小于16mm，否則難以保證焊接質量，柱壁板小于16mm 時，常因壁板太薄導致柱壁板融化。很多工程師對于電渣焊不太了解，導致一些箱型柱內(nèi)隔板與柱壁板焊縫設計錯誤，僅將內(nèi)隔板的三面與箱型柱壁板焊接，第四面不焊接，這樣會大大降低了梁柱節(jié)點的承載力，帶來極大安全隱患，這也是監(jiān)理工程師重點檢查項。

3.7 鋼次梁設計

本項目鋼次梁采用組合梁設計，YJK 計算時缺乏組合梁施工階段的計算，組合梁計算通過PKPM 工具箱進行補充分析，避免施工階段設置臨時支撐，計算采用施工階段不設支撐，撓度累加到使用階段。

鋼梁上鋪鋼筋混凝土樓板，鋼梁的撓度一般較混凝土梁更大，尤其是采用組合梁設計的鋼次梁，其撓度更大。鋼梁對樓板的豎向約束較小，采用傳統(tǒng)計算方法不考慮鋼梁撓度，樓板的配筋會與實際相差較大，這也是很多鋼結構房屋的樓板產(chǎn)生裂縫的主要原因。因此，適當加大鋼次梁截面、組合梁的應力和撓度應留有足夠的空間，本項目應力比控制不大于0.7，撓度控制不大于1/300，樓板計算采用有限元方法計算，考慮鋼次梁的實際剛度，而非傳統(tǒng)的樓板周邊均假定為固定支座的彈性板計算。

組合梁縱向抗剪計算是《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）新增的內(nèi)容，可以有效防止在剪力連接件集中剪力作用下，組合梁混凝土板可能發(fā)生縱向開裂的現(xiàn)象。組合梁縱向抗剪能力與混凝土板尺寸及板內(nèi)橫向鋼筋的配筋率等因素密切相關，作為組合梁設計最為特殊的一部分，組合梁縱向抗剪驗算應引起足夠的重視。

3.8 樓板形式選擇

本項目通過對鋼筋桁架樓承板現(xiàn)澆板、滿堂腳手架現(xiàn)澆板、可拆卸鋼筋桁架現(xiàn)澆板，三種常規(guī)鋼結構項目的樓板做了對比分析，經(jīng)濟性方面：鋼筋桁架樓承板現(xiàn)澆板180 元/m2、滿堂腳手架現(xiàn)澆板135 元/m2，可拆卸鋼筋桁架現(xiàn)澆板210 元/m2；裝配率方面：滿堂腳手架現(xiàn)澆板不計算裝配率，其他兩種計算裝配率，綜合比較選擇鋼筋桁架樓承板現(xiàn)澆板。鋼筋桁架樓承板設計時一定要注意一些細節(jié)，設計圖紙中應給出鋼筋桁架板的鋪設方向和范圍，每塊板間桁架鋼筋應給出連接節(jié)點，應表示出綁扎連接還是搭接連接，避免施工過程中由于設計節(jié)點缺失，導致將計算時的連續(xù)固定支座，施工成簡支支座，給樓板安全帶來隱患。

3.9 梁柱剛接節(jié)點

在高層鋼框架抗震設計中，梁與柱剛性連接的計算一直是一個令人困擾的問題。梁柱連接有兩種形式，一種是梁柱現(xiàn)場連接，為了施工方便，采用翼緣焊接腹板栓接；另一種是在工廠將短懸臂與柱進行焊接，現(xiàn)場將梁與短懸臂拼接，后一種連接形式其實是 梁的拼接，且《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》（JGJ 99-2015）不推薦這一連接形式，因此本本項目采用前一種梁柱剛接連接方式。

本項目梁柱剛接節(jié)點選用腹板螺栓連接，翼緣現(xiàn)場坡口焊接，腹板螺栓最少兩列，梁高＞300 時，腹板采用雙夾板，目前計算軟件YJK、PKPM 對于鋼結構節(jié)點計算還比較薄弱，程序計算很難滿足設計需求，本項目通過不同規(guī)范分析?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》（GB5011-2001）規(guī)定，當梁翼緣的塑形截面模量小于梁全截面塑形截面模量的70%時，梁腹板與柱的連接螺栓不少于二列，當計算僅需一列時，應布置二列，且此時螺栓的總數(shù)不得少于計算值的1.5 倍?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》（GB5011-2010）（2016 版本）[4]規(guī)定，需要對連接二階段設計。第一階段，要求按構件承載力而不是設計內(nèi)力進行連接計算，是考慮設計內(nèi)力較小時將導致連接型號和數(shù)量偏少，或焊縫的有效截面尺寸偏小，給第二階段連接（極限承載力）設計帶來困難?！陡邔用裼媒ㄖ摻Y構技術規(guī)程》JGJ99-2015 規(guī)定，抗震設計時，構件按多遇地震作用下內(nèi)力組合設計值選擇截面，連接設計應符合構造措施要求，按彈塑性設計，連接的極限承載力應大于構件的全塑性承載力。

本項目通過計算對比分析，按梁翼緣控制塑形截面70% 控制計算螺栓，梁截面H400×150×8×10（＜70%）與H400×150×8×12（＞70%）采用《建筑抗震設計規(guī)范》（GB5011-2001）時分別為4 顆M20 與6 顆M20，翼緣厚度只是加大2mm，導致螺栓數(shù)量增加50%，而采用《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》JGJ99-2015，兩種截面均為6 顆M20，顯然《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》JGJ99-2015 更為合理，因此本項目采用《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》JGJ99-2015 進行計算。

3.10 防火涂料設計

在發(fā)生火災15min 后，煙氣溫度達到700℃左右，鋼構件達到500℃，鋼材強度和彈性模量衰減45%～60%；30min 后會衰減80%左右，此時，構件會因其承載力或剛度不足，發(fā)生強度或穩(wěn)定破壞，乃至整體倒塌。在火災發(fā)生時，建筑發(fā)生破壞前也應留有足夠的時間給人員逃生和消防救援。因此，如何控制鋼結構在火災下的升溫速度和升高溫度，經(jīng)受足夠長時間的火災高溫，是鋼結構防火設計的核心。統(tǒng)計表明：未做防火保護的鋼結構建筑，在火災發(fā)生后20min 左右就會發(fā)生整體倒塌。

鋼結構在火災高溫下的極限變形是L/20，稱為耐火承載力極限狀態(tài)（詳GB14907）。這個高溫狀態(tài)極限變形值遠超過正常使用狀態(tài)構件變形限值，如撓度限值1/400、1/250 和位移限值1/500、1/800 等。因此，防火涂料除了首先要具備優(yōu)異的“隔熱性能”外，更要具備在高溫大變形發(fā)展時同步變形的能力，稱之為“耐熱性能”或“工作性能”。燃燒時間越長，火場溫度越高，構件變形越大，防火涂料越要能完整、完好地附著在鋼材上而不被拉裂、不被脫落，簡單說就是涂料不能被燒壞。因此，防火涂料不但是導熱性低的隔熱材料，更是粘性好韌性好的耐熱材料，隔熱性和耐熱性是防火涂料的防火性能“二要素”，缺一不可。所以，結構設計文件必須對性能“二要素”作出明確要求，即GB51249 第3.1.4 條規(guī)定的“性能指標—干密度、粘結強度和抗壓強度”。

非膨脹型防火涂料，國內(nèi)稱厚型防火涂料，其主要成分為無機絕熱材料，遇火不膨脹，其防火機理是利用涂層固有的良好的絕熱性以及高溫下部分成分的蒸發(fā)和分解等燒蝕反應而產(chǎn)生的吸熱作用，來阻隔和消耗火災熱量向基材的傳遞，延緩鋼構件升溫。非膨脹型防火涂料一般不燃、無毒、耐老化、耐久性較可靠，適用于永久性建筑中的鋼結構防火保護。非膨脹型防火涂料涂層厚度一般為7～50mm，對應的構件耐火極限可達到0.5～3.0h。

非膨脹型防火涂料為無機材料，耐久性、耐老化性能良好。膨脹型防火涂料中有機高分子成分高，耐老化問題可能較為突出，但由于膨脹型防火涂料在工程中的大量應用主要始于20世紀90 年代中后期，目前這一問題還未引起足夠重視。非膨脹型防火涂料可分為兩類：一類是以礦物纖維為主要絕熱骨料，摻加水泥和少量添加劑、預先在工廠混合而成的防火材料，需采用專用噴涂機械按干法噴涂工藝施工；另一類是以膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等顆粒材料為主要絕熱骨料的防火涂料，可采用噴涂、抹涂等濕法施工。礦物纖維類防火涂料的隔熱性能良好，但表面疏松，只適合于完全封閉的隱蔽工程，另外干式噴涂時容易產(chǎn)生細微纖維粉塵，對施工人員和環(huán)境的保護不利。目前在國內(nèi)大量推廣應用非膨脹型防火涂料主要為濕法施工：一是以珍珠巖為骨料，水玻璃（或硅溶膠）為黏結劑，屬雙組分包裝涂料，采用噴涂施工；另一類是以膨脹蛭石、珍珠巖為骨料，水泥為黏結劑的單組分包裝涂料，到現(xiàn)場只需加水拌勻即可使用，能噴也能抹，手工涂抹施工時涂層表面能達到光滑平整。水泥系防火涂料中，密度較高的品種具有優(yōu)良的耐水性和抗凍融性。結構設計師應根據(jù)建筑類型、功能、重要性，對鋼構件進行防火等級分類。耐火極限應根據(jù)構件在豎向荷載作用下的受力重要級和傳力次序級，和不低于被支承構件耐火極限的原則，按照《建筑設計防火規(guī)范》GB50016 之第5.1.2、5.1.4 條規(guī)定來確定。非膨脹型的等效熱傳導系數(shù)數(shù)值范圍：0.07～0.11；膨脹型等效熱阻數(shù)值范圍：0.2～0.5。

本項目防火等級地上為二級，地下為一級，框架梁地上的耐火極限≥1.5h，因此采用非膨脹型防火涂料，對于鋼管混凝土的防火涂料厚度，根據(jù)《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》（GB 51249-2017）[5]附錄C 選用，鋼梁防火涂料厚度根據(jù)火災工況下荷載計算確定，本項目地上鋼梁最大厚度為30mm，為次梁，設計時考慮節(jié)約，防火涂料厚度可按截面分別給出厚度要求，但施工時就要按圖紙要求進行詳細區(qū)分，給施工帶來不便，類似項目可根據(jù)實際情況，確定統(tǒng)一按最大值還是按截面區(qū)分不同厚度。

4 結論

通過以上對本項目設計階段的分析總結，得出對于帶有類似帶地下室，采用高層鋼管混凝土柱，地下室采用鋼梁的具體項目詳細分析，柱腳采用外露式柱腳淺杯口二次澆灌，梁柱節(jié)點貫通隔板，次梁按組合梁設計，并保留余量，是該類結構設計中要把握的要點，會使該類設計更加安全可靠、經(jīng)濟合理，為今后類似項目的結構選型、設計計算，積累了寶貴的經(jīng)驗。