专利名称：钢管高强砼叠合柱的结构设计与施工方法
技术领域：
本发明涉及一种高层建筑的框架柱的结构设计与施工方法，特别是对抗震要求较高的框架柱结构。
目前，高强砼已广泛应用于高层建筑的框架柱中。高强砼材料致密坚硬，抗渗、抗冻及耐久性均优于普通砼，能有效地减小构件断面，增加建筑物的使用面积。但高强砼脆性较大，不利于框架柱抗震，在地震区采用高强砼柱子，为了克服高强砼本身的脆性，一般采取限制设计轴压比和增加含箍率等办法。实践经验表明限制轴压比过严，会使柱断面减不下来，降低了效益，非常不利于高强砼的推广。因此，既要充分利用高强砼的优点，又合理抑制其缺点的工程设计概念和构造措施逐渐被提到日程上。
受力性能良好的钢管砼柱已逐渐应用到高强砼柱的设计之中。这种柱外表采用大直径钢管，内部浇筑高强砼，由于钢管对其内部砼的强力约束，既使组合构件钢管砼柱具有很好的延性，又能充分发挥钢管内被约束砼的承载能力，基本上不受轴压比限制，在一定程度上弥补高强砼柱的不足。但钢管砼柱应用中也存在一些问题，一是节点处理问题，由于我国高层建筑大部分仍用普通钢筋砼肋形楼盖，因此需研究梁柱节点的做法，因为钢管直径大，进入节点区影响梁钢筋穿过；其次是要用大直径钢管，其用钢量偏大，造价较高；再则由于大钢管露在柱外表，涉及到钢管的表面处理、防火、防锈等具体问题。
与本发明最接近的技术是本发明人研究的“钢管高强砼核心柱结构设计方法”(已另案申请专利)。它的特点是在柱中应用高强砼，在柱核心部位配置钢管，管内浇筑砼，管外是钢筋砼，其柱截面由外到内依次为外围钢筋砼、钢管、管内砼，形成组合构件。柱核心的钢管直径约为柱截面边长的1/3左右。由于钢管直径较小，梁的钢筋在节点区比较容易绕过钢管，有利于梁柱节点处理，利用核心区钢管与管内砼形成的钢管砼“柱芯”承担相当一部分竖向荷载并提高构件的抗震性能，可使柱断面减小10～20％。
但钢管高强砼核心柱技术也有一定的局限性。首先，对于核心区的钢管砼，钢管约束管内砼，而外围的钢筋砼又约束核心的钢管砼，使得核心钢管砼受力性能非常优越，可以承担相当大竖向荷载。但是，在柱中，核心的钢管砼和外围钢筋砼所承担的轴力是按其各自的竖向刚度分配的，因此，核心钢管砼承担的轴力一般不超过柱总轴力的20％，核心钢管砼未充分发挥它的作用，因此，在减小柱断面方面和提高柱的抗震性方面仍存在需改进之处。
本发明的目的是基于钢管砼柱和钢管高强砼核心柱这类组合构件的不足之处，提供一种能更充分减小柱断面，同时提高抗震性能的钢管高强砼叠合柱结构，这是组合构件的新发展。
本方法发明通过有效地控制柱断面各部分竖向荷载分配的方法，来更合理地使柱中的核心钢管砼承担更大的轴办。钢管高强砼叠合柱(以下简称叠合柱)的断面由外到内是外围钢筋砼、钢管、管内砼三部分，虽然核心的钢管砼部分占柱截面总面积的比例较小，但其受力性能良好，具有较大承载能力，施工时按设计要求使柱柱核心的钢管砼先期承受约1/4～1/2的总竖向力，然后，剩余的竖向力由外围砼和核心钢管砼按刚度分配承担。这样可大幅度减小作用于柱外围砼的轴压力，可有效地减小柱断面和提高柱抗震性能。
叠合柱的特点是对柱断面的不同部位区别控制轴压比。柱子在偏压时最需要限制轴压比的部位是柱子断面的四周边缘受压区，应使设计轴力作用下的外围砼压应变值小于砼的极限压应变0.0033(高强砼为0.003)并有一段较大差值，以保证柱有必要的变形能力。断面的中央部位对轴压比的要求不严，可以采取对轴压比基本不受限制的钢管砼为核心。要在一个断面不同部位采取不同的设计轴压比限值，唯有通过设计和实际施工中的“叠合”的办法才能实现。
叠合柱的又一特点是可以充分发挥核心钢管的承载能力。由于外围钢筋砼对核心钢管砼的强力约束，计算组合后的核心钢管砼承载力时一般可以不计钢管的长细比和荷载偏心率的影响(ΦL和Φe均取1.0)；只要控制好钢管砼和外围砼的钢度、尺寸比例，可以做到钢管砼和外围砼接近同时达到极限强度(钢管砼核心柱往往是外围砼先期破坏)，做到物尽其用。
核心钢管砼所用钢管为A3或16锰钢，可以是无缝钢管或螺旋焊接钢管。钢管一层(楼)一次对接焊，要确保焊缝强度超过母材。钢管上要留有排气孔，使浇注钢管内部砼时能够排出空气，砼能够密实。为保证钢管与外围钢筋砼共同工作，部分箍筋与钢管点焊，以增加握裹力。
采用钢管高强砼叠合柱进行柱设计时，初选柱截面和核心区钢管，一般钢管直径在250～600(mm)之间，壁厚8～15(mm)之间。初选截面以后，设计施工工艺程序，使核心钢管砼承担施工期荷载达到该柱的最大组合轴力的1/4～1/2，余下的组合轴力按截面各部分刚度分配给核心钢管砼和外围钢筋砼，再计算外围钢筋砼轴压比，如果外围钢筋砼部分的轴压比小于等于规定的轴压比限值，则钢管及柱截面选择合适。
在钢管高强砼叠合柱施工中，先安装核心钢管，浇筑管中的高强砼，以此核心钢管砼为支柱，浇筑本层及以上各层的肋形楼盖，在楼板与柱穿过处予留后浇孔，当核心钢管砼承受的施工期荷载约达到该柱的最大组合轴力的1/4～1/2时，再叠合浇筑核心钢管外围的柱砼。
设计叠合柱时的主要技术指标①后期施加的竖向力按刚度分配柱子的竖向刚度∑EA=Ec1Ac1+EaAa+Ec2Ac2式中Ec1、Ea、Ec2和Ac1、Aa、Ac2分别为外围钢筋砼、钢管和管内砼的弹性模量和截面积。
外围钢筋砼分担的竖向力N外=Ec1Ac1(Nmax-N1)/∑EA钢管砼分担的竖向力Nt=Nx+(EaAa+Ec2Ac2)(Nmax-N1)/∑EA式中Nmax--最大组合轴力(包括地震作用)设计值；N1--叠合时核心钢管砼所承受的施工期轴力设计值。
②轴压比及其限值外围砼的轴压比λ外=N外/fc1Ac1式中fc1为外围砼的强度设计值；Ac1为外围砼的截面积； N外为外围砼承担的最大组合轴力(包括地震作用)设计值。
抗震设计时主要应控制外围砼的轴压比。根据试验，考虑核心钢管的存在，外围砼的轴压比还要随钢管直径D和柱截面边长b的比值而定，可比无核心钢管的普通高强砼柱的轴压比限值放宽一些，当D＜b/3时放宽0.05；当D≥b/2时放宽0.10其它情况取插入值，见下表叠合柱外围砼的轴压比限值(抗震等级)(抗震等级)(抗震等级)一级 二级 三级C40 0.75(0.80)0.85(0.90)0.95(0.95)C50 0.75(0.80)0.85(0.90)0.90(0.95)C60 0.70(0.75 ) 0.80(0.85)0.90(0.90)C70 0.65(0.70)0.75(0.80)0.85(0.90)C80 0.60(0.65)0.70(0.75)0.80(0.85)注表中括弧前数值用于D＜b/3时；括弧内数值用于D≥b/2时；其它情况内插。
③配箍率由于核心钢管砼的存在，大大提高了柱的抗剪强度，一般情况下核心钢管砼足以承担柱子的剪力，箍筋的作用主要为约束外围砼。
钢管高强砼叠合柱的配箍率可比普通高强砼柱适当降低，最小体积配箍率可以采取《高强砼结构设计与施工指南》中关于螺旋箍筋的相应规定。此外，在计算砼体积配箍率时应扣除核心钢管砼所占体积；根据轴压比确定配箍率时，应取柱子的外围轴压比。
④轴力比、叠合比核心钢管砼在叠合柱中起最重要的作用。由于外围砼的约束，叠合柱中的钢管砼比普通钢管砼更能发挥其承载能力。可以用轴力比n来衡量在设计荷载下钢管砼承载力是否充分发挥n=Nt/No
Nt为叠合后钢管砼实际承受的竖向为；No为钢管砼的承载力设计值，按下列公式计算；No=fc2Ac2(1+θ1/2+θ)=faAa/fc2Ac2式中θ为钢管砼的套箍指标，宜≥0.5；fc2为管内砼抗压强度设计值；Ac2为管内砼截面积；fa为钢管的强度设计值；Aa为钢管的横截面积。
设计叠合柱时应力求n大一些，这就与叠合时间，预加给核心钢管砼的竖向力有关，用叠合比m来表示；m=N1/Nmaxm值一般取1/4～1/2，分析表明，m值愈大，n值愈趋于1.0，故施工时应根据实际情况精确计算施工期荷载以便确定最佳叠合时间。但m值也不能任意取，应满足控制条件；Nt≤No有条件时宜采用较大的钢管直径(一般不超过柱边宽度减300mm)、较大的钢管壁厚，并在管内浇筑高强、高弹性模量的高性能砼。
⑤纵筋配筋率柱子的外围砼纵筋最小配筋率按柱子的毛截面计算，数值不应小于“建筑抗震设计规范(GBJ11-89)第6、3、7条规定。考虑到叠合柱外围砼与核心钢管砼之间因受砼徐变、干缩等因素产生的不利影响，宜适当加大纵筋用量，以大于等于1.0％为宜。此外，轴力比n并未用到1.0，一般用到0.85～0.95。
叠合柱与一般普通高强砼柱相比，因核心钢管的存在，增强了柱断面的抗剪能力，比单靠箍筋更有效，特别是在短柱情况下，亦容易做到强剪弱弯。其抗震性能既保留钢管砼核心柱的优点，又由于其外围砼的轴压比可以设计得较小而具有更大的延性。试验表明，钢管砼叠合柱在水平反复荷载作用下，其位移延性系数比同样断面的钢管砼核心柱约提高30％～70％。同钢管砼柱相比，用钢量减少，由于核心钢管在柱内部，不存在钢管表面处理和防火问题，而且梁、柱节点相对容易处理，具体方法在实施例中介绍。
图1为叠合柱断面示意图；图2为叠合柱梁、柱节点平面图；图3为叠合柱梁、柱节点立视图。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步介绍如附图1所示，叠合柱断面由外到内依次为外围钢筋砼5、柱核心区域的钢管1和管内砼4组成，其中外围钢筋砼5中配置有箍筋2和纵筋3，其中与钢管1接触的箍筋2同钢管1接触部位焊接。施工时，先浇筑钢管1内的砼4，当楼层施工到接近预期的叠合比时m，配墨管外的纵筋3和箍筋2，即配置钢筋骨架，最后浇筑外围砼5，实现“叠合”效果。
关于叠合柱梁、柱节点问题，尽管叠合柱的钢管直径比钢管砼柱的钢管小，有时仍影响节点区梁钢筋的穿过，为此专门设计了一种节点构造，此处仅对有关叠合柱的情况叙述如下如附图2、3所示，当叠合柱的下层核心钢管1通过梁、柱节点时，将下层核心钢管1直径改小，用直径较小的(100～300mm)节点钢管7并焊接翅片8，翅片8为矩形钢板，焊接在节点钢管7的外壁上，共四片，彼此夹角为90度，在下层核心钢管1的管壁上切4个与翅片8相对应的槽口12，翅片8插入下层核心钢管1的槽口12内并焊接，注意保持节点钢管7与下层、上层核心钢管1和6同轴，节点钢管7通过翅片8以同样办法连接上层核心钢管6。梁的主筋通过节点区时一部分主筋9穿过翅片8上的孔洞，通过节点，另一部分可焊在翅片8上，如主筋11。在浇筑楼板时，要为后期浇筑柱外围砼在楼板中设予留孔10。这种节点使下层核心钢管1通过节点钢管7和翅片8与上层核心钢管6有机地结合起来。
下面以应用实例来介绍叠合柱的设计某建筑物上拟采用叠合柱。
最大组合轴力Nmax＝1142KN，采用600×600mm柱，核心钢管砼选取为φ325-9，管中砼为C80，外围砼为C50。
钢管截面积Aa=8930mm2，管内砼截面积Ac=74020mm2，钢管砼的套箍指标θ=faAa/fcAc=210×8930/37.5×74020=0.676。
钢管砼轴心受压的承载设计值No=fcAc(1+θ1/2+θ)=37.5×74020(1+0.822+0.676)=6933700N=6933.7KN核心钢管砼的竖向刚度E1A1=EaAa+EcAc=206×103×8930+3.9×104×74020=472636×104外围砼的竖向刚度E2A2=3.45×104×277040=955788×104外围砼分担的竖荷比=955788/(955788+472636)=0.669要叠合比为0.4时，即40％Nmax时叠合浇筑外围砼，这时核心钢管砼承担的轴力为No1=0.4Nmax=0.4×11420=4457KN，余下的轴力11420-4457=6685KN，再由钢管砼和外围砼分配外围砼分担轴力0.669×6685=4472KN钢管砼分担轴力为0.331×6685=2213KN钢管砼承受的总轴力为4457+2213=6670KN＜6933.7KN，可，轴力比0.96。
外围砼的轴压比λ外=4472000/23.5×277040=0.69，可。
柱子的纵向配筋为16Φ25，配筋率为2.18％，加密区体积配箍率为1.27％。
以钢管砼为核心的柱强度计算公式Nu=fcmbx+∑σstA′si+σ′stA′st-∑σsiAsi-σstAst+(fcm,c-fcm)Acor；Mu=Nue。=fcmbx(h/2-x/2)+∑σ′siA′siY′i+∑σsiAsiYi+σ′stA′stY′st+σstAstYst+(fcm,c-fcm)A′corY′cor；式中fc-钢管外围砼轴心抗压强度(MPa)；fcm-钢管外砼弯曲抗压强度，fcm=1.1fc(MPa)；b-构件截面宽度(mm)；X-受压区高度(mm)；σ′ai-受压钢筋应力(MPa)；A′si-受压钢筋截面面积(mm2)；σ′st-受压钢管的平均应力(MPa)；A′st-受压钢管的截面面积(mm2)；σsi-受拉钢筋应力(MPa)；Asi-受拉钢筋截面积(mm2)；σst-受拉钢管的平均应力(MPa)；Ast-受拉钢管的截面面积(mm2)；fc,c-钢管内核心砼轴心受压强度(MPa)；fcm,c-钢管内核心砼弯曲抗压强度，fcm,c=1.1fc,c(MPa)；A′cor-受压区核心砼的截面积(mm2)；Y′i-受压钢筋形心对截面形心轴的距离(mm)；Yi-受拉钢筋形心对截面形心轴的距离(mm)；Y′cor-受压区核心砼形心对截面形心轴距离(mm)；Y′st-受压区钢管形心对截面形心轴距离(mm)；Yst-受拉区钢管形心对截面形心轴距离(mm)；也可以采用简化方法计算，对于给定的设计轴力N和设计弯矩M，事先按叠合比和竖向刚度比算出核心钢管承担的轴力值Ns，则实心钢筋砼截面设计值取Nc=N-Ns，弯矩设计值仍取Mc=M，偏心矩增大系数η和稳定系数ψ均按钢筋砼构件确定，按现行钢筋砼规范进行验算。验算结果偏于安全，精度能满足设计要求。
该柱中钢管砼的面积占总面积的23％，它承担了总轴力设计值的60％。
权利要求
1.一种用于高层建筑的框架柱的设计与施工方法，该柱断面构成由外到内依次为外围钢筋砼[5]、核心钢管[1]、管内砼[4]，其特征在于，施工时，先浇筑核心钢管[1]内的砼[4]，同时配置核心钢管[1]外的外围砼[5]的钢筋骨架，暂不浇筑外围砼[5]，以核心钢管[1]和管内的砼[4]为独立承重构件，使其承担竖向荷载，当其承担的竖向荷载同整个框架柱需承受的竖向荷载的比值达到设计要求时，再浇筑核心钢管外围的砼[5]。
全文摘要
本发明公开了一种用于高层建筑框架柱的设计与施工方法,该柱断面构成由外到内依次为外围钢筋砼、核心钢管、管内砼。施工时,先浇筑核心钢管内的砼,同时配置核心钢管外的外围砼的钢筋骨架,暂不浇筑外围砼,以核心钢管和管内的砼为独立承重构件,使其承担竖向荷载,当其承担的竖向荷载同整个框架柱需承受的竖向荷载的比值达到设计要求时,再浇筑核心钢管外围的砼。本发明能有效地减小框架柱断面,同时提高框架柱的抗震性能。
文档编号E04C3/30GK1224101SQ98113739
公开日1999年7月28日 申请日期1998年1月22日 优先权日1998年1月22日
发明者林立岩, 张忠刚 申请人:林立岩