CN1224102A - 钢管高强砼核心柱结构设计方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于高层建筑框架柱中钢管高强砼核心柱结构设计方法,该柱断面由外围钢筋砼、核心钢管、管内砼组合而成,核心钢管与外围的箍筋局部点焊成一体,核心钢管内、外均浇筑砼,但管内宜用弹性模量更大的高性能砼。其特点是该核心柱设计方法弥补了高强砼脆性大的缺点,核心柱的抗水平荷载能力及延性均好于普通高强钢筋砼柱结构。本方法发明可广泛用于防震要求高的高层建筑的框架柱中。

Description

钢管高强砼核心柱结构设计方法

本方法发明涉及一种应用于建筑工程中高层或超高层建筑的框架柱结构设计方法。

近年来，高强砼已广泛应用于高层建筑的设计中。高强砼可以有效地减小构件断面，节省建筑材料，增加有效使用面积和空间。而且，高强砼材料致密坚硬，抗渗、抗冻及耐久性均优于普通砼。但是，高强砼的最大缺点是脆性大，构件的延性要比普通砼差，不利于建筑物抗震。为了改善柱延性，一般采取降低轴压比及增加配箍率两种方法来改善延性。但上述两种方法都有一定局限性，降低轴压比无疑是改善柱延性最有效的手段，但不利于减小构件断面。而增加配箍率也存着可施工性的限制(箍筋直径过粗难以施工)。特别不利于高强砼的推广应用。

经检索，与本发明最接近的技术是钢管砼柱(以下简称钢管砼)，这种柱结构是将砼填充进钢管之中，利用钢管良好的抗拉、抗压强度约束管中的砼。这种形式的框架柱(简称柱)承担竖向荷载和水平荷载的能力都很高，受力性能好，很适合在高层建筑和大跨度结构中应用。但它有如下几个缺点：

①由于钢管露在砼外面，防火、防锈性能不好；

②用钢量较大，造价较高；

③施工时，梁、柱节点不易处理。由于我国高层建筑大多仍用普通钢筋砼肋形楼盖，梁的钢筋通过节点时会受到钢管砼的妨碍，另外柱的外皮是钢管，梁与柱节点处结合不好。

本发明的目的要弥补高强砼的不足，研制一种能减小构件断面，提高抗震性，梁、柱节点处理方便，相对节省钢材的柱结构。

为达到上述目的，本发明提供一种钢管高强砼核心柱结构。一面进一步说明。钢管高强砼核心柱(以下简称核心柱)是一种组合构件，是在高强砼柱的核心设置钢管砼，核心钢管砼与柱同轴，核心柱断面由外到内依次是外围钢筋砼、钢管、管内砼。考虑施工中处理梁、柱节点方便及核心钢管砼对框架柱承载能力及延性的增强效果，钢管直径D与柱边长h的比值宜控制的最佳范围在：1/3≤D/h＜1/2。

核心柱中外围钢筋砼和核心钢管砼两部分所承受的竖向荷载是按各自的竖向刚度分配的，柱核心的钢管砼虽占柱截面面积的比例较小，但核心钢管内一般填强度高、弹性模量最大的高性能砼，使其竖向刚度相对较大，作为一个独立的承重构件，承担相当一部分竖向荷载，减轻了外围砼所承担的荷载。由于框架柱中核心区钢管砼的存在，提高了柱构件抗剪(抗水平力)能力，改善了柱构件的破坏形态。而且对柱构件截面刚度退化起到了抑制作用，对抑制砼裂缝的开展和延缓受压区砼的破坏都起到有利作用，增强了柱端塑性铰的转动能力。因此，提高了柱的抗震性能。

核心钢管砼所用钢管为A₃或16锰钢，可以是无缝钢管和螺旋焊接钢管。根据节点构造情况，钢管可以两层一次对接焊或一层一次对接焊，要确保焊缝强度起过母材。钢管上要留有排气孔，使浇筑钢管内部砼时能够排出空气，管中砼能够密实。钢管内外的砼一般宜先浇筑管内砼，接着浇筑管外砼。为保证钢管与外围的砼共同工作，部分柱箍筋与钢管点焊，以增加握裹力。

采用钢管高强砼核心柱结构进行框架柱设计时，分以下几个步骤：

①初选柱截面：

根据建筑物框架柱的轴力组合值和钢管外围采用砼的强度等级并按现行规范轴压比提高0.05～0.15，初选截面。

②选核心钢管：

核心钢管配置按前面提过的1/3≤D/h＜1/2的取值范围。一般情况，钢管直径在250～400(mm)之间，壁厚在8～12(mm)之间。

③按照框架柱中核心钢管砼及外围钢筋砼的截面刚度分配总竖向荷载：

要求核心钢管砼所承担的竖向荷载大于柱承受的总竖向荷载的10％，并尽量使核心钢管砼承担更多的轴力，如不满足则需重选核心钢管或提高管内砼的强度等级和弹性模量。

④轴压比：

核心柱计算轴压比时，扣除核心钢管砼承担的轴压力，计算外围砼轴压比。C40～C50级钢管砼核心柱地震作用下轴压比限值按下表执行。

           核心钢管砼柱外围轴压比限值

               一级    二级    三级

       C40     0.75    0.85    0.95

       C50     0.75    0.85    0.90

       C60     0.70    0.80    0.90

       C70     0.65    0.75    0.85

       C80     0.60    0.70    0.80

⑤配箍率：

核心柱最小配箍率可按《高强砼结构设计与施工指南》关于螺旋箍筋的相应规定执行。

⑥剪跨比：

为防止出现剪压破坏，在满足上述轴压比、体积配箍率、核心钢管的前提下，建议剪跨比不应小于1.0。

钢管高强砼核心柱结构，由于核心钢管砼的存在，柱截面比高强砼减小10％～20％。抗震延性比高强砼柱提高1～3倍。同钢管砼柱相比，在柱的核心区域配置钢管，外围仍是砼，防火性能优于钢管砼柱。在梁柱节点处理方面，核心区钢管直径仅为柱截面边长的1/3左右，梁钢筋容易穿过节点，便于节点处理。如果设计中发现核心柱的钢管对梁的钢筋穿过节点仍有妨碍时，可果用我们设计的一套节点构造，该节点构造已申请了实用新型专利，在下面的实施例中加以简要介绍。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为钢管高强砼核心柱平面示意图；

图2为钢管高强砼核心柱节点构造平面图；

图3为钢管高强砼核心柱节点构造立视图。

如附图1所示，核心柱截面由核心钢管1、箍筋2、纵筋3构成柱的骨架，部分箍筋2与钢管1在部位4点焊，核心钢管内砼5，宜采用高强、高弹性模量的高性能砼，6为核心钢管外围砼。

一般情况下，由于核心钢管尺寸不大，不太影响梁钢筋通过，当核心钢管直径较粗，对梁钢筋通过有影响时，可采用前面提到的节点实用新型。如附图2、附图3所示，当核心柱通过节点区时，将核心钢管1直径改小，改成直径较小的节点钢管10，在节点钢管10的外壁焊接4片翅片7,4片翅片围绕节点钢管10的轴心成轴对称分布，互相的夹角为90度，在节点区下层的核心钢管1的外壁上开4个与翅片7相应的槽口8，将节点钢管10的翅片7分别插入核心钢管1的槽口8中，在槽口8处将核心钢管1与翅片7焊接，以同样方法连接节点上层的核心钢管12，这样，节点下层的核心钢管1、节点钢管10、节点上层的核心钢管12同轴，且通过翅片焊接成一体。梁的钢筋通过节点区时，大部分钢筋如钢筋9可穿过翅片7上的予留孔洞，一部分钢筋如钢筋11可焊接在翅片7上。这样就解决了核心柱梁柱节点的处理问题，试验表明，该节点完全符合有关规范节点的设计规定。

下面以设计实例进一步说明核心柱的设计方法：

设计一座建筑面积为26000m²，主体高93.8m的公寓，该工程采用框架剪力墙结构，设防烈度为7度，经计算：其中某根柱子考虑地震作用组合轴力设计值N=19168KN。若采用C50级普通砼柱，则柱设计截面为1050×1050mm²。若采用本发明提供的核心柱结构，可以减小柱断面。下面是设计过程。

①初选柱截面及核心钢管：

考虑地震作用组合轴力设计值及砼强度等级，将轴压比提高0.1～0.15，初选柱截面950×950mm²。依据前面所述的设计方法可知，钢管外径D与柱截面边长h之比取为1/3～1/2。因此取钢管直径D=300mm，钢管壁厚t=10mm。

②轴压比：

在考虑轴压比时，可在全部竖向荷载中扣除核心钢管砼承担的竖向荷载以后，来计算外围钢筋砼部分的轴压比。

柱子的竖向刚度∑EA由三部分构成：

           ∑EA=E_c1A_c1+E_aA_a+E_c2A_c2

式中E_c1、E_a、E_c2和A_c1、A_a、A_c2分别为外围钢筋砼、钢管和管内砼的弹性模量和截面积。本工程钢管内外均采用C50砼，E_c1=E_c2=3.45×10⁴N/mm²； E_a=2.0×10⁵N/mm²。

外围砼分担的竖向力N_外=E_c1A_c1N_max/∑EA=0.867N_max=16618.7KN

    钢管砼分担的竖向力：N_t=(E_aA_a+E_c2A_c2)×N_max/∑EA=2549.3KN式中N_max--最大组合轴力(包括地震作用)设计值；

    外围砼的轴压比：

n=N_t/f_cA_c1=0.85式中f_c为外围砼的强度设计值；A_c1为外围砼的截面积。

抗震设计时主要应控制外围砼的轴压比。考虑核心钢管的存在，作为全截面核心的劲性钢材，提高了柱延性及抗剪能力，外围砼的轴压比限值参照《高强砼结构设计指南》放宽0.05。参见下表：

         核心钢管砼柱外围轴压比限值

            一级    二级    三级

      C40   0.75    0.85    0.95

      C50   0.75    0.85    0.90

      C60   0.70    0.80    0.90

      C70   0.65    0.75    0.85

      C80   0.60    0.70    0.80

经验算本工程设计轴压比与轴压比限值吻合，该工程柱截面及核心钢管的选择是合适的。

③最小体积配箍率：

尽管核心钢管砼可以承担相当的柱剪力，但适量的箍筋也是十分必要的。箍筋的作用主要是约束外围砼，防止核心钢管与外围砼粘结裂缝及抗剪。试验表明，钢管砼核心柱比普通柱具有更好的延性和耗能性能，可比一般钢筋砼柱适当降低最小体积配箍率。最小体积配箍率可取《高强砼结构设计指南》中关于螺旋箍筋的相应规定。在计算砼体积时，要扣除核心钢管砼所占体积。根据轴压比确定配箍率时，应取柱子外围钢筋砼轴压比。

该工程柱加密区的体积配箍率为ρsv=1.4％

④压弯构件承载能力的计算方法：

由于截面核心区钢管只占柱截面的一小部分，提出的强度计算方法应该与我国现行的《砼结构设计规范》中的强度计算方法保持一致。

      计算公式如下：

N_u=f_cmbx+∑σ_siA′_si+σ′_stA′_st-∑σ_siA_si-σ_stA_st+(f_cm,c-f_cm)A′_cor；

M_u=N_ue。=f_cmbx(h/2-x/2)+∑σ′_siA′_siY′_i+∑σ_siA_siY_i+σ′_stA′_stY′_st+σ_stA_stY_st+(f_cm,c-f_cm)A′_corY′_cor；式中：f_c-钢管外围砼轴心抗压强度(MPa)；

  f_cm-钢管外砼弯曲抗压强度，f_cm=1.1f_c(MPa)；

  b-构件截面宽度(mm)；

  X-受压区高度(mm)；

  σ′_si-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)；

  σ_si-受拉钢筋应力(MPa)；

  A_si-受拉钢筋截面积(mm²)；

  σ_st-受拉钢管的平均应力(MPa)；

  A_st-受拉钢管的截面面积(mm²)；

  f_c,c-钢管内核心砼轴心受压强度(MPa)：

  f_cm,c-钢管内核心砼弯曲抗压强度，f_cm,c=1.1f_c,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)；

  Y_i-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)；

  Y_st-受拉区钢管形心对截面形心轴距离(mm)；

采用钢管砼核心柱使柱断面由1050×1050(mm)减小到950×950(mm)，减小了柱砼用量19％，减少纵筋及箍筋用量20％以上，增加使用面积120m²，减少建筑面积85m²，节约建设资金近四十万元。

Claims (4)

1、一种用于高层建筑框架柱中钢管高强砼核心柱结构设计方法，该柱断面由外到内依次为外围钢筋砼、核心钢管、管内砼组合而成，其特征在于核心钢管直径D与柱截面边长h的比值范围为：1/3≤D/h＜1/2。

2、如权利要求1所述的钢管高强砼核心柱结构设计方法，其特征在于核心钢管与柱同轴，核心钢管在柱断面的投影是以柱轴心为圆心的圆环。

3、如权利要求1所述的钢管高强砼核心柱结构设计方法，其特征在于核心钢管内外均浇筑砼。

4、如权利要求1所述的钢管高强砼核心柱结构设计方法，其特征在于核心钢管外围的部分箍筋与核心钢管接触部位点焊，以使外围钢筋砼与核心钢管砼共同工作。

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