圆钢管混凝土叠合柱设计要点浅析

何定锴

摘要： 随着社会和城市经济的发展，城市建设用地逐渐趋于紧张，建筑高度不断攀升，对建筑结构设计提出了更高的要求。超高层写字楼中，常见的结构形式大多为框架核心筒结构，其中外框架重力柱采用圆钢管混凝土叠合柱已在国内较多工程得到实践应用，并在安全性、建筑功能、经济性等各方面取得较好效果。

关键词：圆钢管混凝土；叠合柱；连接节点；做法分析；

引言

圆钢管混凝土叠合柱虽以得到实践应用并取得较好效果，但其受力特点及设计方法和传统的混凝土框架柱有本质区别。本文笔者根据工程实践经验，对钢管混凝土叠合柱相关设计要点进行浅析，为工程设计人员提供参考。

1. 圆钢管混凝土叠合柱工程特点
   1. 叠合柱概要

由中部圆形钢管混凝土和钢管外钢筋混凝土叠合而成的柱称为钢管混凝土叠合柱，简称叠合柱。叠合柱钢管内混凝土和钢管外混凝土强度等级可相同、也可不同，可同期施工、也可不同期施工。同期施工是指,同时浇筑钢管内混凝土和钢管外混凝土；不同期施工是指，先浇筑钢管内混凝土形成钢管混凝土柱，承受部分施工期间的竖向荷载，后浇筑钢管外混凝土。同期施工的叠合柱也称为组合柱。为方便施工和设计，一般采用同期施工。

1.2型钢含量低，经济性好

叠合柱由于其独特的受力形式，钢管内混凝土由于受到钢管的横向约束，处于三向受压状态，形成套箍效应，可充分发挥管内混凝土的抗压强度。根据经验，混凝土截面尺寸及轴压比相同的叠合柱与十字劲型钢混凝土组合柱，叠合柱的型钢用量仅为十字劲型钢混凝土组合柱的50%~60%左右，其经济性显而易见。

1.3抗压强度高，截面尺寸小，建筑功能性好

叠合柱由于分发挥管内混凝土的抗压强度，具有较高的抗压承载力。根据工程实践，在240m高框架核心筒结构中，用混凝土柱与叠合柱对比分析，首层在相同设计轴压比的情况下，混凝土柱截面尺寸达到2100mm×2100mm，而叠合柱仅1500mm×1500mm（钢管外径为1100mm，壁厚为35mm）即可，柱横截面尺寸相差近两倍。巨大的混凝土柱对建筑功能的布置带来各种不便，因此，叠合柱的轻巧更加受到建筑方案及业主的青睐。

2. 圆钢管混凝土叠合柱计算要点

叠合柱结构弹性内力和位移算时，叠合柱的轴向刚度、抗弯刚度和抗剪刚度，采用叠加法计算，即分别计算管外混凝土、钢管、管内混凝土的刚度后相加得到。原旧规范CECS188:2005《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》，承载力计算时按钢管混凝土部分和管外混凝土部分分别计算，钢管内外所用的计算内力按刚度分配。现新规范CECS188:2018《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》对承载力计算进行了优化，大体思路保持不变，钢管内外承载力仍分别计算，但对应计算内力不再按刚度分配，由钢管内外各自的承载能力确定。计算公式详见规范CECS188:2018《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》，此处不再逐条列出。

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2.1偏心受压正截面受压承载力计算

叠合柱的受压承载力大部分由钢管混凝土柱贡献，由于钢管内混凝土处于三向受压状态，形成套箍效应，使得钢管内混凝土抗压强度可提高约2~3.5倍。

偏心受压叠合柱正截面受压承载力采用叠加法计算，即叠合柱正截面受压承载力为钢管混凝土柱正截面受压承载力和管外钢筋混凝土柱正截面受压承载力之和。当叠合柱为大偏心受压时，不考虑轴力对钢管混凝土柱正截面受压承载力的影响，管外钢筋混凝土的轴力设计值取叠合柱的轴力设计值，管外钢筋混凝土的弯矩设计值取叠合柱弯矩设计值；叠合柱为小偏心受压时，轴力设计值在钢管混凝土柱与管外钢筋混凝土之间按各自承载力的比例进行分配，钢管混凝土柱分担的弯矩设计值由钢管混凝土柱分配到的轴力确定,管外钢筋混凝土的弯矩设计值取叠合柱弯矩设计值扣除钢管混凝土柱分担的弯矩设计值。管外钢筋混凝土分担的轴力设计值和弯矩设计,按扣除钢管混凝土的环形截面钢筋混凝土柱进行承载力计算，确定柱的纵向钢筋。

2.2斜截面受剪承载力

斜截面受剪承载力可分为偏心受压斜截面受剪承载力和偏心受拉斜截面受剪承载力，两者计算公式基本一致，区别仅为偏心受压时，受剪承载力可考虑0.07倍压力的有利贡献，偏心受拉时，受剪承载力需扣除0.2倍压力的不利作用。验算叠合柱受剪承载力时，考虑了钢管的抗剪作用。除去钢管，叠合柱剩余部分计算采用现行国家标准规定的钢筋混凝土柱的相关方法计算混凝土、轴压力和箍筋对受剪承载力的贡献。

3. 圆钢管混凝土叠合柱梁柱节点设计

梁柱连接节点应传力明确，构造简单，整体性好，安全可靠和施工方便。混凝土框架梁与叠合柱的连接宜为刚性连接。钢筋混凝土梁与叠合柱可采用穿筋连接、变宽度梁连接、混凝土环梁连接、带外伸钢板的外加强环连接、外伸牛腿连接，也可采用其他经试验研究验证的可行的连接方式。其中常用的连接方式为穿筋连接、变宽度梁连接和混凝土环梁连接，也是笔者在工程实践中，经综合考虑后，选用的三种连接方式，其构造简单，施工相对方便，本文就这三种连接方式进行浅析。其余连接方式虽受力可靠，但由于其构造复杂，现场实施难度大，焊接工作量大，在比选过程中被剔除。

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3.1穿筋连接

穿筋连接是钢筋混凝土梁与叠合柱刚性连接最简单、施工最方便的连接方式，梁纵筋数量不多时，可采用单筋穿筋或并筋穿筋连接。为方便钢管加工及现场施工，通常为并筋穿筋，钢管开较大洞口，加厚节点核心区钢管壁进行补强（常用方法），也可洞口上下分别加设内环板及洞口两侧分别加设竖向加劲助的方法进行补强，开洞率不得大于50%。由于开洞处位于节点核心区，周边受到梁和楼板的水平向约束，叠合柱整体抗压承载力仍然可以保证。做法如下图所示：

3.2变宽度梁连接

当钢筋混凝土梁截面较大，且纵筋根数较多时，与叠合柱可采用梁端加宽的方式进行连接，梁内侧纵向钢筋可穿过钢管混凝土，梁外侧纵向钢筋可连续绕过钢管混凝土，绕筋斜度不宜大于 1:6，且应在梁变宽度处配置附加箍筋。此方式与穿筋连接相结合，钢筋连接锚固可靠、施工方便，同时解决了开洞率的问题。做法如下图所示：

3.3混凝土环梁连接

钢筋混凝土梁与叠合柱采用混凝土环梁连接，根据周颖,于海燕,钱江等人[4][5]基于试验分析研究，其受力性能安全可靠性，DBJ/T15 128-2017《高层建筑钢-混凝土混合结构技术规程》也已给出相关的计算方法。混凝土环梁连接做法已得到工程实践应用，并取得良好效果。由于塔楼周边地下室柱网相对复杂，梁定位与塔楼多为斜交 ，梁梁之间夹角有大有小，采用穿筋连接时，钢管开洞大小无法统一尺寸，或因梁梁夹角大小造成钢管洞口重叠，采用环梁连接可解决此问题，同时也可避免钢管在底部轴力较大的楼层开过大的洞口。做法如下图所示：

地下室叠合柱梁柱节点采用环梁连接虽具有一定优势，但相对于穿筋连接做法，现场有一定焊接工作量，增加了钢筋绑扎难度，应综合考虑实际情况采用。

4. 结束语

圆钢管混凝土叠合柱虽已在国内较多工程得到实践应用，其设计方法已相对成熟，但仍需重视概念设计，充分了解计算原理，尤其应结合工程实际情况慎重设计梁柱节点连接做法。设计人员应在已有的工程实践经验及案例上不断的思考总结，更新和完善叠合柱的设计方法。

参考文献

[1] CECS188:2019《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》[S],北京:中国计划出版社,2019.

[2] CECS188:2005《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》[S],北京:中国计划出版社,2005.

[3]DBJ/T15 128-2017《高层建筑钢-混凝土混合结构技术规程》[S],北京:中国建筑工业出版社,2018.

[4] 周颖,于海燕,钱江,等.钢管混凝土叠合柱环梁节点试验研究[J].建筑结构学报.2015，36(1):69-78.

[5] 周颖,于海燕,钱江,等.钢管混凝土叠合柱节点环梁受弯承载力计算方法[J].建筑结构学报.2015，36(1):79-86.