某超高层钢管混凝土柱的防护保护设计

宋红胜

（长沙经济技术开发区天润工程技术咨询有限公司 长沙 410000）

1 工程简况

某超高层建筑是集大型商场、高端写字楼和五星级酒店等于一体，建筑总高度220m；采用外框内筒的结构形式，其框架柱及抗侧力体系内筒的32根密排柱均采用了圆钢管混凝土。钢管混凝土柱有φ1400×30、1400×20、1200×20、1200×16mm 四种截面形式，钢管采用 Q345GJC，混凝土采用C60高强混凝土，柱的实际高度为4.4m。根据国家标准《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）[2]的有关规定，钢管混凝土柱的耐火极限要求达到3h。

2 防护保护层厚度设计

本文结合《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）[3]的相关条文规定，梳理了设计钢管混凝土柱的防护保护层厚度设计验算的步骤和注意事项。

2.1 初始条件和参数

本工程中需要设计的钢管混凝土柱相关参数如表1所示。表中，D和t分别为钢管外径和厚度，H为柱的实际高度，H0为考虑相邻约束条件后柱的计算高度，α为含钢率。

对于表1所示钢管混凝土柱，其相关材料参数如下：

Q345GJC 钢，屈服强度 fv=345MPa，弹性模量 Es=2.06×105N/mm2；C60混凝土，fck=41.5MPaEc=3.6×104N/mm2。

2.2 常温下承载能力计算

表1 钢管混凝土柱的相关几何和物理参数

钢管混凝土柱常温下的极限承载力是计算其火灾下荷载比的基础。对于表1所示的圆钢管混凝土柱，其常温下的极限承载力按《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）[3]中8.1.4条的计算方法进行确定。对表1中钢管混凝土柱常温下的稳定承载力进行了计算，如表1所示，表中λ代表构件长细比，对圆钢管混凝土柱λ=4H0/D。

2.3 火灾荷载水平

火灾是构件在使用期内可能遭受到的偶然和短期作用，且火灾中人群中的主动疏散等，参考国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[4]，火灾荷载标准值可不再考虑各荷载的分项系数。

根据《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）[3]，进行钢结构抗火验算时，可按偶然设计状况的作用效应组合，采用下列较不利的表达式：

式中，Sm为作用效应组合的设计值；SGk为永久荷载的标准值效应；STk为火灾下结构的标准温度作用效应；SOk为楼面或屋面活荷载标准值的效应；Swk为风荷载标准值的效应；φf为楼面或屋面活荷载的频遇值系数，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[4]的规定值取用；φq为楼面或屋面活荷载的准永久值系数，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[4]的规定值取用；γ0为结构抗火重要性系数，对于耐火等级为一级的建筑取1.1，对其他建筑取1.0。

本文计算中，永久荷载ΣΓk、活荷载ΣΘk和风荷载Σωk采用静力设计计算相关荷载数据，频遇值系数φφ和准永久系数φθ分别按照商场选取，分别为0.6和0.5，考虑到本建筑，为高层建筑，其抗火性能重要性较高，结构抗火重要性系数γ0取1.1。火灾下结构的温度作用效应在规程中没有明确地给出，须根据具体的对象选取。温度效应引起的荷载主要是由于升温过程中，结构出现热膨胀，膨胀的构件收到周围构件的约束，热变形受到限制，进而产生内力。其值大小与结构构件所处的位置、建筑功能、火灾场分布等有关。

为便于设计，本文采用公式与有限元方法想结合的方法，假设了一种较为不安全的火灾工况，认为上下两端固结的钢管混凝土柱的自由膨胀受到限制，对温度效应引起的荷载进行计算。

首先尝试采用公式方法对温度效应进行计算。温度效应引起的内力按照文献[5]中建议的公式进行计算。对于钢管混凝土柱构件，升温导致的轴力按照式（3）计算。

其中，NTe为温度引起的轴力，αs为材料的热膨胀系数，ET为温度为（T1+T2）/2时的材料弹性模量，T1和T2分别为受火构件两侧的温度，T0为受火前构件的内部温度。

升温时温度由外向里传递，一方面该工程的钢管混凝土结构的尺寸较大，另一方面混凝土本身导热系数较低，因此即便升温3h，其钢管混凝土截面内的温度分布仍然是非常不均匀的。而公式（3）中没有考虑到截面上温度分布不均匀的情况，在最后的荷载中无法度量这一情况。为此，采用文献[1]中的有限元方法，对温度效应引起的荷载进行度量。结果表明，温度效应引起的荷载增量约为正常使用阶段荷载的0.2倍。偏安全地考虑，验算中的温度荷载效应取为0.2倍的控制荷载。利用公式（2）计算荷载结果见表3所示。

表2 公式（1）计算温度效应引起荷载

利用公式（2）计算荷载结果如表3所示。将公式（2）和公式（1）计算的结果对比，并取较大者STmax，并列于表4最后一列。

表3 公式（2）计算温度效应引起荷载

上述荷载分量分别确定之后，可计算得到火灾下的荷载水平。如表4所示，表中n为火灾荷载比，n=N/Ncr。通过比较可知，火灾下的荷载水平与结构的控制荷载接近。

表4 受火时的钢管混凝土柱上的荷载水平

2.4 防火保护层厚度计算

一般情况下，实际工程中裸钢管混凝土柱不能满足《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）[2]中耐火等级（一级 3.0h；二级 2.5h）的要求，需进行防火保护。防火保护层材料采用《钢结构防火涂料》（GB14907-2002）[6]中的厚涂型钢结构防火涂料，其防火保护层厚度的计算可参考《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）[3]及韩林海（2007）[1]的计算方法进行，如式（4）所示。

圆形钢管混凝土柱：

对于圆钢管混凝土柱：ω=7.2·t，耐火极限t以h计；截面周长C以mm计；kt为火灾下构件承载力影响系数。以上公式的适用范围为：200mm≤D≤1400mm，10≤λ ≤60，30MPa≤fcu≤80MPa，235MPa≤fy≤420MPa，4%≤α≤20%，0≤e/r≤3.0，t≤3h。

根据我国规范《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）[2]中对一级耐火等级，柱耐火极限需满足3h；考虑到本工程的重要性，以及对于超高层建筑灭火救援的难度等原因，可适当提高钢管混凝土柱的耐火极限，本次设计时考虑了3h和4h两种。

表5 钢管混凝土柱防火保护层的简化计算结果

综上所述，根据《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）[3]的计算方法，可认为对于该工程中4种不同尺寸的钢管混凝土柱，对应于一级耐火等级（3h的耐火极限）推荐的防火层厚度为7.0mm。

3 结论

钢管混凝土结构应用于实际结构中时，一般需要进行防护保护的设计验算。进行设计验算时，需要结合实际工程中采用的截面尺寸、计算长度和作用在结构上的荷载水平等分别进行设计，特别是作用在结构上的荷载水平时需要考虑温度效应产生的荷载；当计算的厚涂型钢结构防火涂料的厚度小于施工需要的最小厚度7.0mm时，一般推荐采用7.0mm。