矩形钢管混凝土柱在高层建筑中的应用

文花平，赵春亮

（1.浙江大陆建筑特种工程有限公司，浙江 杭州 310007；2.浙江中南绿建科技集团 有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

随着钢结构建筑的大力推广，矩形钢管混凝土柱目前大量应用到高层钢结构建筑中，国内对于钢管混凝土的理论文献较多，其中《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册（第四版）[1]对一些构造要求可供设计人员查阅，童根树.《钢结构与钢-混凝土组合结构设计方法》[2]提供了理论计算方法；但与实际项目结合进行系统分析的文献不多，本文从一线设计人员的视角出发，做了全面系统的介绍，对钢结构设计有一定经验的技术人员会从中找到经验和共鸣。

1 工程概况

本项目为：建设浙江中南绿建科技产业基地项目检测大楼，项目位于杭州富阳经济技术开发区场口新区，新区南至杭新景高速公路，地势平坦，属亚热带季风气候区，场口新区以打造“工业平台、区域中心”为目标，大力发展装配式建筑，人文环境优越。本项目建筑面积为19 679m2，地上12 层，裙房3 层，地下室1 层，地下室层高3.55m，首层层高5.4m，标准层层高3.9m。基础采用预应力管桩+承台。地上及地下柱均采用矩形钢管混凝土柱，地下室柱脚设计采用外露式柱脚，梁柱节点采用贯通隔板和内隔板结合的节点，设计安全等级：二级；耐火等级：地下一级 地上二级。设计正常使用年限50 年；建筑抗震设防类别：丙类；抗震设防烈度6 度；基本地震加速度值：0.05g；设计地震分组：第一组。场地类别：Ⅱ类；温度差：升温25℃、降温25℃。基本风压：0.45 KN/m2。基本雪压：0.50 KN/m2（100 年）。

2 计算简图

本项目平面尺寸23m×106.8m，高宽比为2.1。结构模型示意图如图1 所示，Y 向设置支撑。

图1 结构模型示意图

3 主要设计控制要点

3.1 地上结构体系确定

本项目长100.8m，宽20.4m，下部为3 层裙房，裙房与主楼交接处为主入口大厅，此范围2 层抽空，裙房中厅周边柱结构整体性过差，故采用不设缝方案；由于该结构Y 向刚度偏弱，故采取Y 向设置中心支撑体系，计算分析后位移角与X 向位移角接近，并满足规范1/400 的要求。

3.2 梁布置与梁高的确定及优化

本项目标准层层高3.9m，采用焊接H 型钢梁，使用净空要求＞3.2m，故房间内部梁高控制在400mm，柱距8.4m，采用自承式钢筋桁架楼承板，中间设一道次梁。

3.3 外挡墙、柱布置及截面选择

该项目柱距8.4m，地下室为停车库，每个开间设3 个车位，2.5m×3=7.5m，由此地下室柱如果采用砼柱，首层钢柱过渡到砼柱，每边外包180mm，这样地下室砼柱不能满足停车位的要求，故本项目地下室柱采用钢管混凝土柱，一层梁采用焊接H型钢梁；地下室外墙采用内侧贴钢管混凝土柱外皮，设置栓钉的做法，地下室外墙仅作为挡土墙使用，这样既保证了地下室外墙的连续性，又对钢管混凝土起了保护作用，避免钢柱腐蚀。

3.4 二阶P-Δ 效应和计算长度选择

本项目通过比较采用一阶弹性分析方法按有侧移进行计算，与采用二阶P-Δ 弹性分析与设计、柱计算长度系数取1，两种计算方法进行对比计算分析，采用一阶弹性分析方法，柱最大计算长度系数2.3，部分柱容许长细比超限，需加大截面，当采用二阶P-Δ 弹性分析方法时，柱计算长度系数取1，柱容许长细比满足规范要求，柱稳定应力比一阶弹性分析方法略高，考虑结构经济性及使用空间，最终确定采用二阶P-Δ 弹性分析方法。《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）[3]第7.3.9 条的条文说明指出：框架柱的长细比关系到钢结构的整体稳定。研究表明，钢结构高度加大时，轴力加大，坚向地震对框架柱的影响很大。因此，当构件长细比不满足规范容许长细比时，可以选择二阶P-Δ 弹性分析与设计。

3.5 外露式柱脚与埋入式柱脚比较

《矩形钢管混凝土结构技术规程》及《钢结构设计手册》第四版中规定：矩形钢管混凝土柱宜采用埋入式柱脚，当设置地下室且框架柱延伸至地下一层时，或7 度及以下抗震设防时，也可采用外包式柱脚或外露式柱脚；该项目若采用埋入式柱脚，柱脚埋入深度，《高层民用建筑钢结构技术规程》中8.6.1 规定柱截面边长不小于2.5，柱截面多数为500mm，2.5×500=1 250mm；另外，《高层民用建筑钢结构技术规程》中8.6.4 规定柱脚轴向力由柱底板直接传给基础。应按《混凝土结构设计规范》验算柱底板下混凝土的局部承压，承压面积为底板面积，《钢结构设计手册》第四版中13.8.4 柱脚埋入混凝土部分均设置栓钉，栓钉的传力机制在埋入式柱脚中作用不明显，钢柱通过栓钉传递给周围混凝土的剪力为25%～35%的柱轴力。主楼部分承台采用C40 混凝土，计算冲切需要柱底板下混凝土厚度为1650，承台需局部加厚，算上加厚部分，承台厚度为3 000mm，基础成本会加大，本项目采用外露式柱脚，若采用传统外露式柱脚柱脚板，柱脚板及加劲肋外包会导致每个空间减少一个车位，本项目根据实践经验，采用柱脚处承台预留400 深杯口，钢柱安装完成后二次浇灌，这样既满足使用要求，又避免了钢柱腐蚀。

3.6 梁柱刚接隔板的选择

本项目梁柱刚接隔板，对于成品冷弯直立缝钢管，采用贯通式隔板，贯通隔板的优点是不需采用熔嘴电渣焊焊接隔板，故此，钢柱应尽量采用成品矩形钢管。对于成品矩形钢管难于采购的柱，采用内隔板，内隔板需采用熔嘴电渣焊工艺。采用电渣焊时，柱壁板的厚度不宜小于16mm，否则难以保证焊接质量，柱壁板小于16mm 时，常因壁板太薄导致柱壁板融化。很多工程师对于电渣焊不太了解，导致一些箱型柱内隔板与柱壁板焊缝设计错误，仅将内隔板的三面与箱型柱壁板焊接，第四面不焊接，这样会大大降低了梁柱节点的承载力，带来极大安全隐患，这也是监理工程师重点检查项。

3.7 钢次梁设计

本项目钢次梁采用组合梁设计，YJK 计算时缺乏组合梁施工阶段的计算，组合梁计算通过PKPM 工具箱进行补充分析，避免施工阶段设置临时支撑，计算采用施工阶段不设支撑，挠度累加到使用阶段。

钢梁上铺钢筋混凝土楼板，钢梁的挠度一般较混凝土梁更大，尤其是采用组合梁设计的钢次梁，其挠度更大。钢梁对楼板的竖向约束较小，采用传统计算方法不考虑钢梁挠度，楼板的配筋会与实际相差较大，这也是很多钢结构房屋的楼板产生裂缝的主要原因。因此，适当加大钢次梁截面、组合梁的应力和挠度应留有足够的空间，本项目应力比控制不大于0.7，挠度控制不大于1/300，楼板计算采用有限元方法计算，考虑钢次梁的实际刚度，而非传统的楼板周边均假定为固定支座的弹性板计算。

组合梁纵向抗剪计算是《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）新增的内容，可以有效防止在剪力连接件集中剪力作用下，组合梁混凝土板可能发生纵向开裂的现象。组合梁纵向抗剪能力与混凝土板尺寸及板内横向钢筋的配筋率等因素密切相关，作为组合梁设计最为特殊的一部分，组合梁纵向抗剪验算应引起足够的重视。

3.8 楼板形式选择

本项目通过对钢筋桁架楼承板现浇板、满堂脚手架现浇板、可拆卸钢筋桁架现浇板，三种常规钢结构项目的楼板做了对比分析，经济性方面：钢筋桁架楼承板现浇板180 元/m2、满堂脚手架现浇板135 元/m2，可拆卸钢筋桁架现浇板210 元/m2；装配率方面：满堂脚手架现浇板不计算装配率，其他两种计算装配率，综合比较选择钢筋桁架楼承板现浇板。钢筋桁架楼承板设计时一定要注意一些细节，设计图纸中应给出钢筋桁架板的铺设方向和范围，每块板间桁架钢筋应给出连接节点，应表示出绑扎连接还是搭接连接，避免施工过程中由于设计节点缺失，导致将计算时的连续固定支座，施工成简支支座，给楼板安全带来隐患。

3.9 梁柱刚接节点

在高层钢框架抗震设计中，梁与柱刚性连接的计算一直是一个令人困扰的问题。梁柱连接有两种形式，一种是梁柱现场连接，为了施工方便，采用翼缘焊接腹板栓接；另一种是在工厂将短悬臂与柱进行焊接，现场将梁与短悬臂拼接，后一种连接形式其实是 梁的拼接，且《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）不推荐这一连接形式，因此本本项目采用前一种梁柱刚接连接方式。

本项目梁柱刚接节点选用腹板螺栓连接，翼缘现场坡口焊接，腹板螺栓最少两列，梁高＞300 时，腹板采用双夹板，目前计算软件YJK、PKPM 对于钢结构节点计算还比较薄弱，程序计算很难满足设计需求，本项目通过不同规范分析。《建筑抗震设计规范》（GB5011-2001）规定，当梁翼缘的塑形截面模量小于梁全截面塑形截面模量的70%时，梁腹板与柱的连接螺栓不少于二列，当计算仅需一列时，应布置二列，且此时螺栓的总数不得少于计算值的1.5 倍。《建筑抗震设计规范》（GB5011-2010）（2016 版本）[4]规定，需要对连接二阶段设计。第一阶段，要求按构件承载力而不是设计内力进行连接计算，是考虑设计内力较小时将导致连接型号和数量偏少，或焊缝的有效截面尺寸偏小，给第二阶段连接（极限承载力）设计带来困难。《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015 规定，抗震设计时，构件按多遇地震作用下内力组合设计值选择截面，连接设计应符合构造措施要求，按弹塑性设计，连接的极限承载力应大于构件的全塑性承载力。

本项目通过计算对比分析，按梁翼缘控制塑形截面70% 控制计算螺栓，梁截面H400×150×8×10（＜70%）与H400×150×8×12（＞70%）采用《建筑抗震设计规范》（GB5011-2001）时分别为4 颗M20 与6 颗M20，翼缘厚度只是加大2mm，导致螺栓数量增加50%，而采用《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015，两种截面均为6 颗M20，显然《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015 更为合理，因此本项目采用《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015 进行计算。

3.10 防火涂料设计

在发生火灾15min 后，烟气温度达到700℃左右，钢构件达到500℃，钢材强度和弹性模量衰减45%～60%；30min 后会衰减80%左右，此时，构件会因其承载力或刚度不足，发生强度或稳定破坏，乃至整体倒塌。在火灾发生时，建筑发生破坏前也应留有足够的时间给人员逃生和消防救援。因此，如何控制钢结构在火灾下的升温速度和升高温度，经受足够长时间的火灾高温，是钢结构防火设计的核心。统计表明：未做防火保护的钢结构建筑，在火灾发生后20min 左右就会发生整体倒塌。

钢结构在火灾高温下的极限变形是L/20，称为耐火承载力极限状态（详GB14907）。这个高温状态极限变形值远超过正常使用状态构件变形限值，如挠度限值1/400、1/250 和位移限值1/500、1/800 等。因此，防火涂料除了首先要具备优异的“隔热性能”外，更要具备在高温大变形发展时同步变形的能力，称之为“耐热性能”或“工作性能”。燃烧时间越长，火场温度越高，构件变形越大，防火涂料越要能完整、完好地附着在钢材上而不被拉裂、不被脱落，简单说就是涂料不能被烧坏。因此，防火涂料不但是导热性低的隔热材料，更是粘性好韧性好的耐热材料，隔热性和耐热性是防火涂料的防火性能“二要素”，缺一不可。所以，结构设计文件必须对性能“二要素”作出明确要求，即GB51249 第3.1.4 条规定的“性能指标—干密度、粘结强度和抗压强度”。

非膨胀型防火涂料，国内称厚型防火涂料，其主要成分为无机绝热材料，遇火不膨胀，其防火机理是利用涂层固有的良好的绝热性以及高温下部分成分的蒸发和分解等烧蚀反应而产生的吸热作用，来阻隔和消耗火灾热量向基材的传递，延缓钢构件升温。非膨胀型防火涂料一般不燃、无毒、耐老化、耐久性较可靠，适用于永久性建筑中的钢结构防火保护。非膨胀型防火涂料涂层厚度一般为7～50mm，对应的构件耐火极限可达到0.5～3.0h。

非膨胀型防火涂料为无机材料，耐久性、耐老化性能良好。膨胀型防火涂料中有机高分子成分高，耐老化问题可能较为突出，但由于膨胀型防火涂料在工程中的大量应用主要始于20世纪90 年代中后期，目前这一问题还未引起足够重视。非膨胀型防火涂料可分为两类：一类是以矿物纤维为主要绝热骨料，掺加水泥和少量添加剂、预先在工厂混合而成的防火材料，需采用专用喷涂机械按干法喷涂工艺施工；另一类是以膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等颗粒材料为主要绝热骨料的防火涂料，可采用喷涂、抹涂等湿法施工。矿物纤维类防火涂料的隔热性能良好，但表面疏松，只适合于完全封闭的隐蔽工程，另外干式喷涂时容易产生细微纤维粉尘，对施工人员和环境的保护不利。目前在国内大量推广应用非膨胀型防火涂料主要为湿法施工：一是以珍珠岩为骨料，水玻璃（或硅溶胶）为黏结剂，属双组分包装涂料，采用喷涂施工；另一类是以膨胀蛭石、珍珠岩为骨料，水泥为黏结剂的单组分包装涂料，到现场只需加水拌匀即可使用，能喷也能抹，手工涂抹施工时涂层表面能达到光滑平整。水泥系防火涂料中，密度较高的品种具有优良的耐水性和抗冻融性。结构设计师应根据建筑类型、功能、重要性，对钢构件进行防火等级分类。耐火极限应根据构件在竖向荷载作用下的受力重要级和传力次序级，和不低于被支承构件耐火极限的原则，按照《建筑设计防火规范》GB50016 之第5.1.2、5.1.4 条规定来确定。非膨胀型的等效热传导系数数值范围：0.07～0.11；膨胀型等效热阻数值范围：0.2～0.5。

本项目防火等级地上为二级，地下为一级，框架梁地上的耐火极限≥1.5h，因此采用非膨胀型防火涂料，对于钢管混凝土的防火涂料厚度，根据《建筑钢结构防火技术规范》（GB 51249-2017）[5]附录C 选用，钢梁防火涂料厚度根据火灾工况下荷载计算确定，本项目地上钢梁最大厚度为30mm，为次梁，设计时考虑节约，防火涂料厚度可按截面分别给出厚度要求，但施工时就要按图纸要求进行详细区分，给施工带来不便，类似项目可根据实际情况，确定统一按最大值还是按截面区分不同厚度。

4 结论

通过以上对本项目设计阶段的分析总结，得出对于带有类似带地下室，采用高层钢管混凝土柱，地下室采用钢梁的具体项目详细分析，柱脚采用外露式柱脚浅杯口二次浇灌，梁柱节点贯通隔板，次梁按组合梁设计，并保留余量，是该类结构设计中要把握的要点，会使该类设计更加安全可靠、经济合理，为今后类似项目的结构选型、设计计算，积累了宝贵的经验。