[转贴]：新达城广场钢管混凝土柱节点及耐火设计

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] 主要介绍了新达城广场钢管砼柱与钢筋混凝土框架梁的节点构造的设计思路，指出对不同的结构部位宜采用不同的节点构造，还介绍了钢管混凝土柱的一些特殊构造及耐火设计。

[关健词] 高层建筑 钢管混凝土柱 节点构造 耐火设计

Mainly giving informations about the train of thought in design of the joint construction of concrete filled steel tubular (CFST) columns with reinforced concrete beams in Sunteck Square. Pointing out that there should be different joint constructions in different parts of the structure. In addition, some of the special constructions and fire-resistant design in CFST columns have been introduced.

Keywords: high-rise building; concrete filled steel tubular column; joint construction; fire-resistant design.

一、前言
圆形钢管混凝土柱结构与其它结构相比，具有承载力高、塑性和抗震性能好，节省材料和施工较简便等优点。当应用于高层及超高层建筑中，这些优点更为突出。众所周知，当高层建筑的柱子采用普通钢筋混凝土柱时，由于抗震延性的要求，柱截面受轴压比限制，由此设计所得的柱截面尺寸往往较大，若采用钢管混凝土柱子，由于可以做到不限制轴压比而仅控制长细比[1]，使柱截面尺寸可大为减少，不但外形显得挺拔美观，而且还可增加建筑平面使用系数。正是因为这些优点，使得钢管混凝土柱尽管造价略高于普通钢筋混凝土柱，但仍然倍受建筑业主的欢迎，从而使钢管混凝土柱结构在高层建筑结构中应用越来越多，前途极为广阔。如同所有新技术新工艺一样，钢管混凝土柱应用于高层建筑结构中也需要经历一个不断发展完善的过程，例如怎样才能使钢管柱节点更安全可靠又经济合理，这就是一个需要不断探索和研究的课题。
本文通过作者在新达城广场工程中进行结构设计的设计思路，着重介绍了新达城广场钢管混凝土柱的节点构造设计及耐火设计。

二、工程概况
新达城广场大楼建于广州市广州大道北与水荫二横路交汇处，总用地面积为9100平方米，大楼是集商业、住宅、写字楼于一体的高层建筑，共有3层地下室，7层裙楼及两幢塔楼。裙楼平面为长梭形，长为148米，主立面向广州大道，南塔楼平面呈短梭形，共有30层，北塔楼略呈腰鼓形，共有28层。
各层平面使用功能安排：
1．地下一层为设备用房及小车库，地下二层为小车库，地下三层为平战结合安排六级人防设施及小车库；
2．首层为出入口及商业营业厅；
3．2~6层为商业厅；
4．架空平台层、结构及管道转换层兼作平台花园；
5．塔楼；
南塔：南部为住宅，北部为公寓式写字楼；
北塔：公寓式写字楼；
6．顶层：电梯机械间及高位水池；
大楼总建筑面积为80315.6m2,总建筑高度为99.8米，地下室总深度为13.4米。主体结构采用现浇框架一剪力墙结构，其中有40根柱采用钢管混凝土柱，南塔23根钢管混凝土柱在架空层经结构转换变成剪力墙及普通钢筋混凝土柱，北塔17根钢管混凝土柱则直通至塔楼顶层。基础型式采用人工挖孔桩，桩端进入微风化岩，地下室基坑支护采用锚杆挂网喷射混凝土支护结构，并有部分预应力锚杆。
结构计算采用多层及高层建筑结构空间分析程序TBSA5.0版，计算结果显示首层柱脚最大组合内力设计值为25243KN，若采用C40钢筋混凝土柱，按文[2]的要求，框支柱轴压比限值为0.70，则所需柱截面积为AC=25243000/（0.7×19.5）=1.85m2, 即需要圆柱直径D=1.55m。实际设计中采用f 1000钢管混凝土柱，管壁厚t=12mm，核心混凝土强度等级 C60，长细比入=13.9，满足文[1]的长细比条件，可不限制轴压比，由此，钢管混凝土柱截面积为ASC=p ×0.52=0.785m2, 每根钢管混凝土柱可比普通混凝土柱减少面积1.1m2, 换句话说，40根钢管混凝土柱总共可增加使用面积44m2，减轻总重量25×40×44=44000KN。

三、钢管混凝土柱节点设计
本工程钢管混凝土柱与钢筋混凝土框架梁的节点共有三种类型：双梁节点、半穿心牛腿单梁节点和环梁节点，作者根据每种节点的特点在不同的结构部位分别采用，满足不同的使用要求，以下分别述之。
(一) 柱脚节点
由于本工程柱脚位于地下三层，上部结构受水平风载和地震作用而引起的剪力和弯矩可以认为是由刚度较大的核心筒、地下室外侧墙及地下室周边的土体承受了，因此，底层柱脚节点主要传递轴力，剪力和弯矩可以忽略。为了方便施工，钢管不插入基础底板，仅在底板上插入构造竖筋，并伸入钢管内一定长度，为了改善基础板的局部承压，在钢管底部焊一个法兰盘，并用加劲肋加强整体刚度，用锚栓把法兰盘锚定在基础底板上。（图七）
(二) 双梁节点
作者采用文[3]研究的双梁节点，节点构造详图八。双梁节点的特点是施工较方便，梁钢筋可直通而不必断开。采用该类节点时，需要把常规的一根框架梁分离为互相平行的两根等截面梁，所以比较适宜用于梁高度受到限制，但对梁宽及梁位置无限制的部位。在本工程中，由于地下三层及二层的层高分别只有3.4米，考虑到使用功能的要求及预留设备管道所需要的空间，结构净高不宜少于2.9米，所以该两层采用双梁形式的结构布置，梁高限定在500mm，梁柱节点就采用双梁节点，这样既可满足建筑净空要求，又因双梁共同工作而保证框架梁的整体刚度，同时采用双梁结构比之单梁结构可使楼板净跨度减少，有利于增加板的刚度及减少板钢筋。对于地下室车道边缘的斜向梁的支承，采用了在钢管柱两侧紧贴管壁现浇两根钢筋混凝土构造柱，用以承托车道斜梁，而车道斜梁按简支梁考虑配筋，避免传递负弯矩到构造柱上，构造柱上的垂直荷载就直接传到基础底板。采取这样的处理方法是为了简化斜梁与钢管混凝土柱相交的节点构造及减少钢结构加工制作的工作量。
(三) 半穿心牛腿单梁节点
仍然采用文[3]研究的带有半穿心钢牛腿的单梁节点，节点构造详图九。这种类型节点的特点就是传力可靠明确，刚度较大，半穿心牛腿对钢管内核心混凝土 的浇灌影响不大，缺点就是构造较复杂，施工工序较多，特别是钢牛腿的加工制作要求比较精细和准确，施工误差稍大就可能导致钢筋无法安装。在结构设计计算中，对于带有地下室的高层建筑结构，一般是把建筑首层（标高为±0.00）作为上部结构的底部固定端考虑，为了符合计算假定，必须采取措施加强建筑首层梁、板的刚度。在本工程设计中，考虑到上述原因，决定在首层梁柱节点中采用刚度较大的半穿心牛腿单梁节点，此外把首层板加厚至150~200mm，框架梁截面加至400×700mm2，并对梁、板配筋作了适当加强。
(四) 环梁节点
环梁节点的构造就是在钢管外围绕钢管设置一环形钢筋混凝土梁用于传递弯矩，在环梁底部紧贴钢管外表面贴焊一环形钢筋，作为抗剪环，依靠混凝土与钢管壁的粘结力及抗剪环来传递剪力。（图十）采用这种类型的节点，由于没有了穿心构件，可大大方便制作、安装、浇灌混凝土等施工作业，节省钢材，减少焊接工作量。环梁节点最先由李少云博士等人提出，并经过一系列理论和试验研究[4]，初步证实该节点在静力荷载作用下是安全可靠的，并已在部分实际工程设计中得到应用。本文作者在李少云博士的协助下，在新达城广场上部结构的钢管混凝土柱中全部采用环梁节点，取得了方便施工、节省钢材、降低造价的良好效果，深受业主及施工单位欢迎。环梁节点的不足之处就是在边角柱处由于环梁的外凸对建筑立面效果造成一些影响，需要由建筑装饰设计予以配合。
为了确保本工程的梁柱节点在地震作用下安全可靠，特别委托同济大学对本工程受力最大的环梁节点按1：1的比例进行低周反复荷载试验，试验结果表明[5]：环梁节点抗弯性能及延性较好，钢筋屈服后仍有较好的变形能力和承载能力，可以实现“强节点弱框梁”。
应当指出，目前环梁节点的设计方法通常是先凭概念和经验进行设计，然后通过实验验证，尚未能形成一套完整的设计计算方法，需要进一步深入研究的问题还很多。无论如何，作者认为环梁节点作为一种新型的节点型式的思路是一种非常有益的探索，环梁节点具有良好的应用前景。
（五） 钢管混凝土柱与转换层钢筋混凝土大梁的连接
从结构空间分析计算结果可知，钢管混凝土柱顶端与转换层钢筋混凝土大梁连接处有轴力、弯矩、剪力、扭矩等多种复杂内力，节点构造设计必须要确保能可靠传递上述各种内力，保证节点刚性，又要构造简单合理，便于施工。作者在设计中根据钢管柱顶的各种内力，按等截面的（f 1000）普通钢筋混凝土双向压弯构件计算出所需要的纵向钢筋，然后把这些钢筋下部插入钢管柱核心混凝土中1000，上部伸入转换大梁中锚固，并配置箍筋形成钢筋笼（图十一），为了改善大梁底部与钢管壁连接处的局部承压，在钢管顶端焊接一个顶箍及钢板园环，当大梁宽度小于园环直径时，则在园环上部设置一个圆柱状的承压构件，配置承压钢筋并与转换大梁现浇成一整体。
（六） 钢管混凝土柱直径改变处的节点构造
在北塔第8层处，钢管混凝土柱的直径由1000mm改变为800mm。变直径的节点，是在环梁节点的基础上，参照文[6]插入式的柱脚节点进行设计，详见图十二。为了加强上下柱段的连接，在钢管内设置钢筋笼。钢筋笼的下端超过上柱段钢管的下部500mm；上端超过上柱钢管的接口位置500mm。钢筋笼的直径不宜太大，其箍筋与钢管内壁之间的净空应有50mm，以便于施工。上下钢管为同心圆，上下钢管之间设置连接板，以保证安装时两管相对位置的正确。由于柱截面改变，在变截面处局部会产生较复杂的应力，在下柱钢管顶部设置顶箍，以增加钢管对混凝土的约束力。

四、钢管混凝土柱的耐火设计
钢管混凝土结构的耐火性能不如普通钢筋混凝土结构，但是比钢结构要好。文[1]介绍了钢管混凝土柱耐火性能的研究成果，文中给出了钢管混凝土柱临界温度和耐火时间的确定方法，并给出了防火保护层厚度的计算公式。这些成果对实际工程中的钢管混凝土柱耐火设计具有很好的指导作用。
作者在新达城广场钢管混凝土柱的耐火设计中，曾经考虑过两种方案，其一是涂刷钢结构防火涂料，第二是外包钢筋混凝土保护层或挂钢丝网外抹水泥砂浆保护层。根据本工程的具体情况，钢管混凝土柱的计算参数为D=1000mm，=3.475/0.25=13.9, a =0.037/0.748=0.049, e0=879.4/25243=0.035<0.6, fy =235N/mm2, fck=36N/mm2, 从 文[1]提供的设计曲线上可算得裸柱的临界耐火时间为t=65min。若采用厚涂型钢结构防火涂料，导热系数l =0.1kcal/m.h.℃，据文[1]的计算公式，可算得为保证柱子达到极限耐火时间为3小时所需要的涂层厚度为d=36&acute; 0.1=3.6mm，后来考虑到涂刷防火涂料始终面临一个耐久性的问题，即涂料层每隔若干年就需要补漆维护，这给建筑使用带来了一些不便，经综合考虑，最后决定采用挂钢丝网外抹水泥砂浆保护层的做法。
按常规的作法，外包混凝土保护层厚度一般要100mm，但是如此一来，原来直径只有1米的钢管混凝土柱的最终成形直径就达1.2米，每根钢管柱砂浆保护层所占的面积就有0.345m2。40根钢管混凝土柱砂浆保护层所占总面积就达13.82m2，这使采用钢管混凝土柱可使柱截面减少所带来的好处被抵消了一部分。应用文[1]的理论，考虑砂浆在高温时的导热系数l =0.90kcal/m.h.℃，则可算出为保证柱子达到极限耐火时间为3小时所需要的砂浆保护层厚度为d=36&acute; 0.90=32.4mm。考虑到商场的火灾荷载较大，为了更安全计，实际工程中采用的厚度为d=50mm。
顺便说明一下，采用了挂钢丝网抹砂浆的保护层做法可以与填充墙与柱子连结钢筋的做法统一考虑，把连接钢筋一端伸入填充墙，另一端可绕钢管柱与钢丝网搭接，这就避免了连接筋与钢管壁烧焊从而损伤钢管壁的可能性。

五、结语
钢管混凝土柱结构应用在高层建筑结构中有很多优越性，正在得到越来越多的重视和越来越广泛的应用。从我国的国情出发，钢筋混凝土肋梁楼盖结构将在未来相当长的时期内占主导地位，因此钢管混凝土柱与现浇钢筋混凝土梁的连接节点构造就成为一个值得深入研究探讨的课题。事实上能否设计出一个既安全可靠又经济合理的节点型式或许会成为制约钢管柱结构在高层建筑中应用的“瓶颈”。到目前为止已经有许多学者和设计人员提出了许多不同的节点构造并进行了研究，这些不同的节点构造各有优缺点，各有其合适的使用范围。本文作者从新达城广场这一实际工程设计出发，分别探讨了双梁节点、半穿心牛腿单梁节点、环梁节点在结构不同部位的使用，经工程实践证明取得了较好的技术和经济效果。此外本文还介绍了新达城广场钢管混凝土柱的一些特殊构造以及耐火设计，供同行们共同切磋和研究。

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有实际意义，有借鉴价值。

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