圆钢棒在超高层建筑中的应用前景分析

高蕤 廖定雄

1.概述

近几年，我国城市高层、超高层建筑越来越多，结构体系也正朝着多样化的方向发展，并且设计思路也在持续地变化和更新着。为满足高度、空间变化和结构受力的要求，许多的高层、超高建筑竖向受力构件采用了型钢混凝土结构以及钢管混凝土结构，由于型钢或钢管和混凝土形成整体，共同受力，其受力性能要优于型钢或钢管和混凝土这两种结构的简单叠加，不仅增强了构件的承载力，而且有效提高了建筑物的抗震性能，因此在高层建筑得到了广泛应用。但是，型钢混凝土结构或钢管混凝土结构在核心区设置型钢、钢管导致了柱的箍筋布置以及梁的纵筋布置都较为困难，往往因钢筋无法安装而需临时修改设计，不但施工难度大，而且造价昂贵。而钢棒混凝土柱不仅在力学性能上能完全媲美型钢或钢管混凝土柱，有不错的耐点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂性能，而且韧性好、硬度高、整体程度高，在工程项目中能大大降低工程造价和施工难度[1]。

2.施工工艺及操作要点

圆钢棒混凝土柱是基于核心区内钢骨含钢量相同的原则，在柱内采用钢棒替代传统钢管或实腹式型钢的一种新型结构柱。其施工工艺及操作要点如下：

2.1 放样

首先，计算好第一节钢棒预埋及外露长度，相邻外露接头的位置要错开。然后根据钢棒所在楼层的层高、每根框架柱里钢棒的根数，确定好钢棒安装长度，一般不大于9m。

2.2 加工、制作

由钢棒厂家根据放样尺寸统一加工制作，安排专人驻场监督，保证钢棒长度、直径等规格尺寸符合现场需求，保证钢棒的垂直度以及底面的平整度等相关技术参数不超过规范允许偏差。

2.3 环箍、耳板焊接

圆钢棒表面比较光滑，为了增加钢棒与混凝土的摩擦力，采用Φ6mm 圆钢环钢棒满焊接、环箍间距450mm。耳板采用10mm 厚钢板，沿钢棒截面三等分位置焊接在钢棒两端侧面，每块耳板上下预留两个螺栓孔，且下部孔为竖向椭圆形。

2.4 堆放

一般将钢棒放置在槽钢上，钢棒间采用木方进行隔离，木方的高度应大于连接节点处耳板的高度，槽钢和木方间隔2m 放置。为了保障堆放稳定、安全，堆放层数不得超过9 层，应全面检查地面所有叠放的构件，对堆放的圆钢棒采取固定措施，防止堆放的钢棒滚落和倾倒。

2.5 现场安装

（1）钢棒的安装关键在于如何就位，一般采用组装夹具进行整体组装、整体吊装安装。组装胎架及夹具组装胎架设置为表面标高一致，表面平整度高的两根方钢。将柱按照设计安装间距放置在方钢表面后，通过组装夹具在离节点500mm 处用螺栓连接将柱内连接成一个整体后进行吊装。可通过小吊车进行组装，组装完成后再使用塔吊进行整体吊装。

（2）为了防止柱中心偏移和焊缝错边，现场采用单根上下三个方向耳板通过螺栓连接的方式进行安装。连接夹板采用上圆孔、下椭圆孔的方式，以便垂直度的微调整。

图1 钢棒的现场安装

（3）待完成水平对口后，马上校正钢棒垂直度。校正时，根据测量对接耳板方向的垂直度偏差，微调耳板螺栓调整垂直度，待垂直度校准完成后，拧紧螺栓并连接夹板和耳板，进行焊接固定，防止垂直度因钢筋绑扎及混凝土浇注发生偏移。

（4）采用线锤和钢尺分别进行钢棒的垂直度和各钢棒间距复核。因单节长度较长，且连接节点位于楼板1m 以上，定位安装完成后，超出楼板面5m以上，易发生倾斜。为有效防止意外碰撞导致发生倾倒，采用直径为20mm 的钢筋将所有钢棒焊接至整体，焊接位置为钢棒顶部下500mm，另在钢棒混凝土柱旁放置预埋件，待安装完成后使用斜拉杆将钢柱支撑固定。

3.不同混凝土柱的比较分析

钢管混凝土柱具有较高的承载力、节省钢材、较好的抗震性能以及抗火性能。但是，与常规的钢结构和混凝土结构相比，钢管混凝土柱作为钢混组合结构，其工艺更复杂。钢管混凝土柱有两种形式：（1）在钢管内填充混凝土而形成的组合结构；（2）在混凝土墙柱内设置钢管。钢管混凝土结构能够更充分有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，同时还克服了钢管结构在施工过程中容易发生的局部屈曲的缺点。钢管混凝土结构根据所使用钢管的截面形状可分为圆形钢管混凝土柱、矩形钢管混凝土柱和多边形钢管混凝土柱结构等，其中圆形钢管混凝土柱、矩形钢管混凝土柱是目前最常用的结构形式[2]。

型钢混凝土结构具有较好的耐火性和耐久性，型钢外包裹的混凝土具有抵抗有害介质侵蚀，防止钢材腐蚀生锈的作用。由于型钢混凝土结构中的钢与其外包混凝土结构互相作用，可充分发挥两种材料的优点。同时，型钢经混凝土包裹后，不仅能防止部件腐蚀生锈以及局部失稳，还能提高构件整体的承载力和刚度，从而具有更好的延展性和抗震性能。缺点是梁柱连接部位的质量保证难度比较大，施工操作较为不便[3]。

圆钢棒混凝土柱完美继承了实腹式型钢混凝土柱的优点，能充分发挥钢棒和钢筋混凝土柱的自身性能，将钢棒承载力高和延性好的特点与钢筋混凝土柱的稳定性和耐火性好结合起来。与普通的钢筋混凝土柱相比，钢棒混凝土柱中的钢棒提高了柱子的承载力和延性，并减小了构件的截面尺寸，在扩大建筑物使用空间的同时，还减轻了自身重量；与型钢混凝土柱相比，钢棒混凝土柱解决了实腹式型钢混凝土柱箍筋和梁纵筋布置困难的缺点，不会出现钢筋无法安装而需临时修改设计的困境，施工更加方便。与钢管混凝土相比，圆钢棒混凝土可避免钢管管内商品混凝土的脆性破坏。钢棒结构可提升结构阻力和刚度，有效防止局部及整体的屈曲。

实验和理论分析证明，钢棒混凝土柱水平极限承载力受轴压比和混凝土强度的影响明显，而含钢率和核心钢棒屈服强度对水平极限承载力影响很小，圆钢棒混凝土结构在轴向压力作用下，钢棒的轴向和径向受压，而环向整体受拉，钢棒混凝土结构则三向皆受压，处于三向应力状态。三向受压的结构抗压强度大大提高，同时塑性增大，其物理性能发生了质的变化，由原来的脆性材料转变为塑性材料。正是这种结构力学性质的根本变化，决定了钢棒混凝土结构的基本性能和特点。钢棒混凝土柱在核心区域配置的圆钢棒可以明显提高混凝土柱的抗震能力，也就提高了建筑结构的整体抗震能力，当建筑物遭遇强烈地震时，可减轻其危害，防止倒塌，因此钢棒混凝土结构的性能显示出巨大的生命力和发展前景。

施工注意要点：在进行圆钢棒构件安装时，要多次进行规格、垂直度、焊点、工序的复查；利用经纬仪对构件垂直度、轴线、坐标、间距等进行校准，确保施工准确无误。施工时，安全专员及技术员认真落实安全职责，严格要求施工。

4.总结

通过试验证明，圆钢棒随着轴压比增加，构件的水平极限承载力先增后减，符合压弯破坏规律，延性系数也随着混凝土强度的提升而减小，随着屈服强度的增大而增大。各数据结果表明，该结构具有良好的抗震性能，应鼓励各相关企业机构进行模拟研究，向各方向普及应用。

目前，钢棒在高速公路桥梁建设领域中已广泛应用，但在房屋建设领域中，钢棒的应用仍未普及。综上所述，钢棒混凝土柱可替代实腹式型钢混凝土柱，更好地应用于工程结构中，其抗震性能完全可与实腹式型钢混凝土柱媲美，不仅降低了梁柱节点钢筋及柱箍筋布置与施工的难度，而且可以降低工程造价。因此，钢棒在工程领域，特别是在高层建筑领域的应用将越来越普遍。