某超高層項(xiàng)目鋼管混凝土組合柱應(yīng)用*

程向東, 唐笑一, 王 明, 吳聯(lián)定, 衛(wèi)江華, 伏賢哲

(1成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司，貴陽(yáng) 550081；2上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；3上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心，上海 200080)

1 工程概況

本工程位于成都市金牛區(qū),總建筑面積為30.45萬(wàn)m2,由商業(yè)綜合體、辦公及公寓組成。其中,A座為辦公樓,建筑屋面標(biāo)高210m;B、C座為L(zhǎng)oft公寓,建筑屋面標(biāo)高199m,建筑效果圖見(jiàn)圖1。本文以C座為研究對(duì)象,C座標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸為40m×41m,地上總層數(shù)為46層,其中1～4層為商業(yè),層高為6.6m,5～46層為辦公,層高為4.1m,總高度199m,結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土組合柱框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。

圖1 超高層建筑效果圖

2 基本設(shè)計(jì)依據(jù)及性能目標(biāo)

本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。結(jié)合本工程設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度、房屋高度、結(jié)構(gòu)發(fā)揮延性變形的能力、結(jié)構(gòu)造價(jià)、震后的各種損失及修復(fù)難度等因素,進(jìn)行抗震性能評(píng)估時(shí),其性能目標(biāo)擬定為C級(jí)[1]。

表1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)

3 外框柱方案比選

由于B塔樓結(jié)構(gòu)層數(shù)較多,且單位面積質(zhì)量較大(底部約為25.6kN/m2),外框架柱的平均受荷覆蓋面積為88～95m2,見(jiàn)圖2填充范圍。C塔樓為L(zhǎng)oft公寓,荷載較大,導(dǎo)致單根框架柱的軸力非常大,底部單根框架柱的軸力約為92 049kN,兼顧到結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗震延性要求(軸壓比等),進(jìn)而造成外框普通型鋼混凝土柱的截面較大,底部柱的截面約為2.2m×2.2m。

圖2 B塔樓受荷面積示意圖

各類構(gòu)件材料設(shè)置及控制指標(biāo)見(jiàn)表2。為了減小外框架柱尺寸,盡可能提供可用的建筑使用面積,筆者建議超高層公寓下部外框架柱在鋼管內(nèi)外同時(shí)澆筑混凝土,形成鋼管混凝土組合柱[1],核心部分設(shè)置鋼管混凝土,使其承受3/4軸力[2],即方案一,見(jiàn)圖3(a)。普通鋼管混凝土柱為方案二,見(jiàn)圖3(b),并對(duì)比上述兩種方案的結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo),見(jiàn)表3、4。

表2 材料設(shè)置及軸壓比控制

表3 整體指標(biāo)對(duì)比

圖3 型鋼混凝土柱構(gòu)造對(duì)比示意圖

由表3可知,普通鋼管混凝土柱截面大于鋼管混凝土組合柱截面,方案二總質(zhì)量大于方案一,而兩種方案結(jié)構(gòu)的整體特性基本一致[3]。

由表4可知,結(jié)構(gòu)整體成本方案一優(yōu)于方案二(材料價(jià)格在不同時(shí)間、不同區(qū)域會(huì)有差異[4]);在使用空間方面,方案一由于柱子截面變小,建筑使用空間增加;1～7層商業(yè)使用面積平均每根柱子增加1.95m2,塔樓標(biāo)準(zhǔn)層使用面積平均每根柱子增加1.5～1.8 m2,進(jìn)而可以節(jié)省相應(yīng)框架柱外裝修成本。

表4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

綜上所述,采用鋼管混凝土組合柱的綜合性能優(yōu)于型鋼混凝土柱。

4 鋼管混凝土組合柱工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

鋼管混凝土組合柱(疊合柱)結(jié)構(gòu)具有承載力高、剛度大、抗火性能良好和變形能力好等優(yōu)點(diǎn)[5],然而在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。

鋼管混凝土組合柱截面構(gòu)造的主要控制指標(biāo)有套箍指標(biāo)、含管率和徑厚比[6],按照《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 188—2019)[7]進(jìn)行設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目配筋設(shè)計(jì)采用YJK設(shè)計(jì)軟件。

本項(xiàng)目采用鋼筋混凝土梁,梁柱節(jié)點(diǎn)布置大多采用梁居柱中及梁齊柱邊布置的形式;梁齊柱邊布置的節(jié)點(diǎn)形式盡量將梁錨固于管外鋼筋混凝土區(qū)域,若有局部鋼筋與鋼管相交,即采用圖集《型鋼混凝土鋼筋排布及構(gòu)造詳圖》(12SG904-1)[8]的構(gòu)造做法;梁居柱中的節(jié)點(diǎn)形式是最常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)形式,本項(xiàng)目對(duì)鋼管進(jìn)行開(kāi)孔穿筋,大大降低了施工難度及成本。

鋼管混凝土組合柱梁柱節(jié)點(diǎn)處為了保證梁鋼筋的錨固及節(jié)點(diǎn)的受力,常采用的方式為:在鋼管上焊接鋼牛腿或套管,其對(duì)施工精度要求高且用材較多,牛腿腹板上需預(yù)留箍筋穿過(guò)的孔道,加大了施工工藝難度。本項(xiàng)目采用施工更便利且成本更節(jié)約的鋼管開(kāi)孔穿筋的方式,并研究開(kāi)孔對(duì)組合柱承載力的削弱作用。圖4為鋼管設(shè)置牛腿與開(kāi)洞施工示意圖。

圖4 鋼管設(shè)置牛腿與開(kāi)洞施工示意圖

相關(guān)試驗(yàn)研究表明,鋼管混凝土組合柱軸壓試驗(yàn)通常是外圍混凝土壓碎而破壞,而管內(nèi)混凝土損傷不大,普通鋼管混凝土柱在軸壓作用下管外角部往往是應(yīng)力較大區(qū)域,為薄弱部位。為了解決應(yīng)力局部過(guò)大問(wèn)題,充分發(fā)揮混凝土全截面的抗壓強(qiáng)度,有觀點(diǎn)認(rèn)為加強(qiáng)鋼管混凝土柱角部的配筋(增加縱筋和箍筋數(shù)量)能得到理想的效果(圖5),但此方案耗費(fèi)大量鋼筋并難以保證施工質(zhì)量。

為從利于施工、受力合理、經(jīng)濟(jì)性良好幾方面得到綜合效益較高的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及相應(yīng)的配筋加強(qiáng)方式,采用大型有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬,分析模型示意見(jiàn)圖7,采用的橫截面如圖6所示。模型構(gòu)件長(zhǎng)度5400mm,混凝土采用實(shí)體單元C3D8R,鋼管采用殼單元S4R,鋼筋采用桁架單元T3D2;鋼材和鋼筋采用雙折線的本構(gòu)曲線,管內(nèi)混凝土采用韓林海在《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐》中建議的適用于有限元分析并考慮套箍系數(shù)的本構(gòu)曲線,管外混凝土采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)建議的本構(gòu)曲線。分析模型示意見(jiàn)圖7,底面固定,頂面采用全截面位移加載模式,以期得到該柱在軸壓作用下有下降段的荷載-位移曲線。

圖6 分析模型橫截面

4.1 穿筋分析方案

采用5種方案進(jìn)行分析。方案A:在柱高中部環(huán)向布置一排4個(gè)尺寸為400×800的矩形孔,見(jiàn)圖8(a);方案B:開(kāi)孔同方案A,并在孔上下分別設(shè)置1道直徑28mm的加強(qiáng)箍筋,共2道加強(qiáng)箍筋;方案C:在柱高中部環(huán)向布置兩排,每排4個(gè)尺寸為400×100的矩形孔,見(jiàn)圖8(b);方案D:開(kāi)孔同方案C,并在孔上下分別設(shè)置1道直徑28mm的加強(qiáng)箍筋,共4道加強(qiáng)箍筋;方案E:在柱高中部預(yù)留環(huán)向洞口將鋼管切斷,洞高100mm。方案E僅作為模擬受力最不利方案,施工固定及漏漿處理等難以實(shí)現(xiàn),不作為備選方案。

圖8 不同方案分析模型示意圖

為考慮框架梁對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束作用,選取開(kāi)洞大小為400×800的方案進(jìn)行分析,梁截面尺寸為400×800,方案A-2為角柱被兩根正交梁約束;方案A-3為邊柱被三根梁約束;方案A-4為中柱被正交四根梁約束,見(jiàn)圖9;方案B-4為中柱被正交四根梁約束并在孔上下分別設(shè)置1道直徑28mm的加強(qiáng)箍筋。

圖9 方案A-4中柱考慮框架梁約束節(jié)點(diǎn)分析模型

4.2 開(kāi)孔分析結(jié)果

不同開(kāi)孔形式及考慮加強(qiáng)筋、框架梁約束作用下的軸力-位移分析結(jié)果如圖10所示,其中規(guī)范值為根據(jù)《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 188∶2005)第6.2.3條第一款計(jì)算的軸力。

圖10 鋼管混凝土組合柱的軸力-位移曲線

由圖10(a)可知:未做任何開(kāi)孔處理的方案的極限承載力為214 217kN,而在鋼管上開(kāi)孔削弱之后鋼管混凝土組合柱的承載力都在不同程度上有所降低,其中方案E的承載力降低的程度最大,降低了19.6%;其余開(kāi)孔形式的鋼管混凝土組合柱承載力均在191 000kN左右,承載力相比未做開(kāi)孔處理的方案降低了10.8%。在鋼管預(yù)留孔道附近附加的水平箍筋對(duì)鋼管或者疊合柱的補(bǔ)強(qiáng)作用有限。各個(gè)方案鋼管混凝土組合柱的極限承載力相比罕遇地震作用下的承載力有約1.5～1.6倍富裕度。

由圖10(b)可知:考慮框梁約束后鋼管混凝土組合柱的承載力都有較大程度的提高;在鋼管預(yù)留孔道附近附加的水平箍筋對(duì)鋼管或者疊合柱的補(bǔ)強(qiáng)作用有限;在鋼管上預(yù)留同框梁截面大小的矩形孔洞并考慮框梁約束后,鋼管混凝土組合柱的邊柱、角柱、中柱的承載力幾乎沒(méi)有降低(分別降低了3.13%、3.71%和0.86%),均約為罕遇地震作用下產(chǎn)生軸力的1.8倍。

部分鋼管混凝土組合柱中鋼管在軸向位移為6.63mm處的鋼管應(yīng)力云圖見(jiàn)圖11,其余見(jiàn)表5?？芍?所有方案的鋼管混凝土組合柱的軸力均接近145 000kN,均大于罕遇地震作用下鋼管混凝土組合柱軸力。

表5 鋼管混凝土組合柱鋼管最大應(yīng)力及其所在位置

圖11 鋼管混凝土組合柱鋼管應(yīng)力云圖/MPa

各方案的鋼管在開(kāi)孔部位均出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力最大位置均在矩形孔的角部及邊緣;方案A～方案D最大應(yīng)力為345MPa,為未開(kāi)孔方案的1.28倍;考慮梁約束后,鋼管應(yīng)力得到明顯改善,鋼材仍處于彈性階段,最大應(yīng)力為未開(kāi)孔方案的1.21倍;邊柱與角柱考慮框架梁約束后,鋼管應(yīng)力的改善程度較中柱低。

4.3 不同箍筋約束下的分析結(jié)果

除鋼管的開(kāi)孔以外,鋼管外鋼筋混凝土中箍筋的配置形式對(duì)承載力影響較大,本文采用箍筋約束形式有7種,其中A型為外封閉箍+內(nèi)封閉箍+水平拉筋+斜向拉筋,B型為外封閉箍+內(nèi)封閉箍+斜向拉筋,C型為僅外封閉箍,D型為外封閉箍+兩道內(nèi)封閉箍+水平拉筋,E型為外封閉箍+水平拉筋+斜向拉筋,EA型為外封閉箍+斜向拉筋,F型為外封閉箍+內(nèi)封閉箍+斜向拉筋,箍筋級(jí)別均為三級(jí)鋼,見(jiàn)圖12。

圖12 箍筋約束形式

提取組合柱中部橫截面在軸向位移為11.81mm處的混凝土應(yīng)力云圖,此時(shí)所有方案的疊合柱接近極限承載力,2倍于罕遇地震作用下組合柱的軸力。

不同箍筋約束形式下鋼管外混凝土的應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖13～17。圖中,A-20/10表示外箍直徑20mm,內(nèi)箍直徑10 mm,A-20表示箍筋直徑均20mm。

圖13 A型箍筋約束

分析結(jié)果表明:箍筋的轉(zhuǎn)角部位對(duì)混凝土有較強(qiáng)的約束作用;對(duì)比圖14、15可知,A型箍筋數(shù)量多于B型,但其對(duì)混凝土的約束作用無(wú)明顯改善;由圖15可知,增大鋼筋直徑對(duì)混凝土的約束作用無(wú)明顯改善;由圖14可知,A型箍筋直徑對(duì)應(yīng)力分布影響較大,箍筋直徑越大應(yīng)力分布越不均勻,且兩者極限承載力接近;由圖17可知,角部設(shè)置芯柱對(duì)混凝土受力改善作用不明顯;箍筋的彎折轉(zhuǎn)角越多,越能充分發(fā)揮混凝土的抗壓作用,截面的最大應(yīng)力分布越趨于均勻。

圖14 B型箍筋約束

圖15 C、D型箍筋約束

圖16 E型箍筋約束

圖17 EA、F型箍筋約束

5 結(jié)論

(1)鋼管混凝土組合柱可采用鋼管開(kāi)孔穿筋的形式,相比鋼管未作開(kāi)孔處理的鋼管混凝土組合柱,矩形開(kāi)孔承載力降低約10.8%,預(yù)留環(huán)向洞口承載力降低約19.6%,采用矩形開(kāi)孔比預(yù)留環(huán)向洞口的方式更有利,矩形開(kāi)孔尺寸大小等于框架梁截面尺寸。

(2)考慮框架梁的實(shí)際約束作用,承載力相比未做開(kāi)孔處理時(shí)降低5%以內(nèi),開(kāi)孔周?chē)辉賳为?dú)另設(shè)加強(qiáng)箍。

(3)矩形開(kāi)孔鋼管在開(kāi)孔角部出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大應(yīng)力是未作開(kāi)孔處理鋼管最大應(yīng)力的1.28倍,在考慮框架梁的約束作用下,最大應(yīng)力是未作開(kāi)孔處理鋼管最大應(yīng)力的1.21倍,在超過(guò)罕遇地震作用力的作用下,最大應(yīng)力均不超過(guò)屈服應(yīng)力。

(4)本文研究了7種常用的箍筋形式,綜合考慮受力性能及施工難度,A、D、F型箍筋構(gòu)造復(fù)雜施工難度大,且對(duì)受力改善作用不明顯;角部設(shè)置芯柱對(duì)受力的改善不明顯;增大鋼筋直徑對(duì)混凝土的約束作用無(wú)明顯改善;故采用E型箍筋形式(角部不設(shè)置芯柱),外箍直徑采用20mm,其余箍筋直徑最小采用10mm。