超高层框架柱方案选型及钢管混凝土柱设计要点
世界地震工程第２５卷雩ｌ言
钢管混凝土（ｃＹｒ，ＣｏｎｃｒｅｔｅＦｉｌｌｅｄＴｕｂｅ）柱是在钢管中浇注混凝士而成的组合构件。钢管混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用，使混凝土处于三向受压状态，提离了混凝＋的抗压强度，钢管内部的混凝主又可敬有效耱疰镄营发生嚣部惩夔。嚣笾，舔篱秘混凝±之阉懿麴互终震，使锈篱逡酃混凝±酶破坏形态，由脆佳破坏转变为塑性破坏，构件的延性往黥明显改善，耗耱畿力太大提高，具裔优越的抗震淫熊Ｈ。。。尤其是圆形钢管，对内部混凝土的约束作用最理想。对于高层结构，柱子的长细比通常比较小，研究表明无需对钢管混凝土柱的轴压比进行限制，就能够获褥较好的塑性变形能力。
在超高屎建筑结构设计中，外框筒柱不但需爰提供抗震及抗风刚度，在性能化设计以及罕遇地震条件下，还尤其嚣要鬟侯缓蹇戆强溲稻楚缝。钢管混凝主柱无疑是嚣蔫力学控毙较力铙舞的结橡选型，壶予熬爨色的延佳性熊，且无需控制轴蕊魄，因茂对于控制底部楼层柱截蟊受为有幂唾。
１钢管混凝土柱在超高层结构中的应用
近年寒，镶警混凝±在裹矮穰超高层建蓑缀擒孛
得到广泛的应用，其推广与发展邃度十分迅猛洚ｌ。
随着超高层建筑结构设计对构件力学性能要求
的显著提高，以及钢管混凝土栈施工工艺及配套技术
的不断发展和目臻成熟，近几年来，我国高层及越黼
层建筑痉用锈镣漫凝±酶工稷爽镄显著增魏。麴隧
１所示，天津津塔、广髑西塔、广髑电视塔、香港妖没
中心、北京财寓中心二期办公楼等，一大批超高展建
筑均全高设计采用了圆形钢管溅凝土柱，所在地域也
由６、７度区开始扩展至８度设防的高烈度区。
２钢管澄凝土与型钢滋凝土柱比较
２。１简述
钢管混凝±（ＣｒＴ）柱和型钢混凝土（ＳＲＣ）柱，均圈１趣高层建筑采用圆钢管混凝土柱实例Ｆｉｇ．１ＥｘａｍｐｌｅｓａｄｏｐｔｉｎｇｃｉｒｃｌｅｃＦｒ，ｃｏｌｕｍｎｉｎｓｕｐｅｒｈｉｇｈ—ｒｉｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇ
凳壹镪稳混凝±嚣释耪瓣组成瓣“缀合稳箨”，在舞层翔超毫屡建绞结孝驽孛是框架差薹经鬻采蒡ｌ豹构｛孛遣登。与钢筋滢凝土糯钢结梅裙毙，戴黼种组合构件可充分发挥不同材料盼长处，提供更大盼承载力秘更好的延性。但由于两者本身的构造差异，在力学性能、施工工艺、防火以及常点处理等方面又稃在许多不同。
２．２力学性能
为研究并比较型钢混凝土梭与钢管混凝土楗力学性能，分别对泼黼种构件，在相同截面尺寸、相同材料下遂行对毙，为缳涯麴嗣砉钢搴鳇魄较条搏，镪嚣激凝±蛙去诗入镶簸懿委蘸。嚣构捧毙较参数如表１ｊ多｝示、构件截露如图２所示。
表１ＳＲＣ与ｃＹｒ柱力学性能比较参数
Ｔａｂｌｅ１Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｆｏｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎ￥ＲＣａｎｄ
Ｃ鞭ｃｏｌｕｍｎ
豳２２备选方案簸蓠模型
ｒｉｓ。２Ｓｅｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｔｗｏｓｅｌｅｃｔｅｄ
ｓｅｈｅｎｌｅ￥
４２世界地震工程第２５卷
图４ＳＲＣ与Ｃｌｅｆ典型梁柱节点
Ｆｉｇ．４Ｔｙｐｉｃａｌ
ｂｅａｍ－ｃｏ｜ｕｎｌｌｌｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎＳＲＣａｎｄＣＦＴ
图５钢管混凝土柱的分段运输与吊装
Ｆｉｇ．５Ｓｅｃｔｉｏｎａｌｔｒａｎｓｐｏｌｌａｎｄ
ｈｏｉｓｔｉｎｇＯｎｓｉｔｅｆｏｒＣＦｒＣｏｌｕｍｎ
钢管混凝土柱，如图４（ｂ）和图５所示，其钢管通常以２—３层为一吊装段，在工厂预制完成，在现场直接安装，内部混凝土可在钢柱安装完毕后进行灌注，不需要支撑模板及钢筋绑扎，施Ｔ速度快。此外，钢柱的多层预先安装，为楼面钢梁及其混凝土的浇筑提供了工作面，大大加快了施工总体进度，但同时钢管混凝土柱表面需要一定的防腐及防火处理。
综上所述，两者在设计、施工等诸多方面，优缺点比较如下：
表２钢管混凝土与钢骨混凝土综合性能比较
Ｔａｂｌｅ２ＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎＳＲＣａｎｄＣＦｒ
３梁柱节点的合理选择
钢管混凝土柱与钢梁的刚性连接，通常有外环板、内环板和穿心节点３种类型，如下图６所示。◇玲玲
（ａ）外环节点（ｂ）内环节点（ｃ）穿心节点
图６钢管混凝土柱与钢粱节点构造平面示意图
Ｆｉｇ．６ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌｐｌａｎｏｆＣｒＹｃｏｌｕｍｎａｎｄｓｔｅｅｌ
ｂｅａｍｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
外环板连接，如图６（ａ）所示，其加劲板在钢管外部，环绕钢管布置。外环板连接传力明确可靠，适用性强，而且有助于保证混凝土的浇筑质量，但是节点板尺寸较大，板厚亦需要额外增加，因此节点用钢量明显提高。但其加劲肋设置在圆钢管外部，可以比较方便地设置连接板，如图４（ｂ）和图７所示，特别适用于复杂及斜交节点的设计，避免复杂内肋板加工焊接以及混凝土浇筑的不便。
内环板连接，如图６（ｂ）所示，环形加劲板设置于钢管内部，加劲板中央开洞并沿环向开设排气孔，以便浇筑混凝土。如图８所示，内环板连接其加劲板尺寸较小，而且钢管柱外侧没有加劲板，不影响幕墙等围护
结构构造要求。内环板连接通常用于直径１ｍ以及更大的柱子，当然这要由加工、施工的工艺水平而定。
第３期殷超，等：超高层框架柱方案选型及钢管混凝土柱设计要点４３
图７外环节点应用于复杂斜交粱柱节点图８圆钢管混凝土柱内环节点Ｆｉｇ．７ＯｕｔｅｒｒｉｎｇｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎａｄｏｐｔｅｄｉｎｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄＦｉｇ．８
ＩｎｎｅｒｒｉｎｇｐｌａｔｅｆｏｒｃｉｒｃｌｅＣＦＩ＂ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｂｌｉｑｕｅｃｒｏｓｓｉｎｇｂｅａｍ－ｃｏｌｕｍｎｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
穿心节点，如图６（ｃ）所示，指刚性连接的钢梁其翼缘（或翼缘和腹板）在钢管内部贯通布置。穿心节点保持了内环节点用钢量节省的优点，而内力传递更为直接，其在反复荷载作用下，滞回及延性性能较内环及外环节点更加良好。试验数据表明喁］，对于工字型钢梁与钢管混凝土柱不同的连接形式，其中外环板的延性系数为２．８３，而翼缘穿心节点为３．７６，翼缘和腹板共同穿心则达到４．３７，体现了更加优异的延性性能和耗能机制。
穿心节点一般应用于柱两侧钢梁基本位于同一直线的条件，利于弯矩的直线传递，对于平面有倾角的情况，仍需结合实际情况，考虑其节点选型。
综上所述，钢管混凝土不同梁柱节点，综合优缺点比较如下：
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（ａ）穿心节点示意图Ｃｏ）滞回曲线图９钢梁翼缘与腹板穿心梁柱节点及滞回曲线‘８１Ｆｉｇ．９ｃｆ＇ｒｂｅａｍ—ｃｏｌＬｎ＇ｎｒｌｒｉ西ｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
ｗｉｔｈｆｌａｎｇｅａｎｄｗｅｂｐｌａｔｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｌｏｏｐ
４混凝土密实度及构件整体性控制表３钢管混凝土不同梁柱节点形式比较Ｔａｂｌｅ３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
Ｃ兀’ｂｅａｍ—ｃｏｌｕｍｎｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
钢管混凝土柱的力学特性与内部混凝土和钢管壁保持整体性有很大关系，混凝土浇灌质量的好坏将直接影响钢管混凝土构件设计目标的实现。在实际工程中，为实现钢管内混凝土充分发挥三向受压的套箍效应，确保钢管和混凝土作为组合构件的共同作用，需要妥善解决以下两个问题：（１）常温下钢管混凝土在水化凝结过程中由于混凝土收缩，使钢管和混凝土之间产生离析作用。（２）外界温度上升时由于钢的线膨胀系数大于混凝土线膨胀系数，且钢管在外直接受热，产生“空脱”现象。
对于控制混凝土干缩对钢管混凝土柱的不利影响，尤其对于应用于超高层结构中的大直径钢管混凝土柱内大体积混凝土的施工，需要在水泥掺合料（粉煤灰、矿渣等）、混凝土的养护、砂率、含泥量、水灰比控制、添加剂的选用（缓凝剂、微膨胀剂等）、施工温度的选择、施工浇筑方案的组织实施等方面进行综合统筹，控制混凝土和易性和凝结时间。
对于控制混凝土密实度，应采用自密实免振捣混凝土，其制备需结合施工所在地混凝土骨料、水质特点、
世界地震工程第２５卷
添加剂，对配合比进行专门的配置，并在施工前进行足尺试验，控制塌落度。由于管内混凝土施工缝表面如产生出现浮浆，难以清理，混凝土易产生断裂，因此，必须确保混凝土不产生离析，当地预制混凝土搅拌站宜进行专线制备，确保混凝土性能稳定性，同时混凝土单方造价有一定提高。
对于钢管壁的温度膨胀问题，应控制混凝土浇筑时的外界温度，尽量避免冬季施工，如有必要可对钢管进行预加热，施加温度预应力，待温度降低、钢管收缩，达到紧箍效果。
综上所述，影响钢管混凝土共同作用的主要问题及防治措施如表４所示。
表４影响钢管和混凝土共同作用因素及其防治措施
Ｔａｂｌｅ４Ｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｕｂｅａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎｓｉｄｅａｎｄｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ
主要问题防治措施
混凝土水化干缩
钢管升温膨胀
混凝土浇筑不密实
控制水灰比、塌落度；合理选择添加剂、施工养护等
施Ｔ温度控制；施加温度预应力
优先采取顶升法；采取足尺试验；控制骨料配合比及塌落度等
５混凝土浇筑形式的选择
钢管混凝土柱浇筑混凝土的主要方式有以下２种。（１）高位抛落法，即利用自密实混凝土从高位顺钢管流下，自上而下进行浇筑，无需振捣；（２）泵送顶升法。采用混凝土输送泵直接将高流态混凝土压入钢管，自下而上填满钢管，无需振捣。
由于钢管混凝土梁柱内隔板节点用钢量，较外隔板显著降低，因此顶升法多配合内隔板混凝土的施工。隔板表面开设通气孑Ｌ，有利于混凝土浇筑密实度的保障，有利于避免抛落法混凝土易产生离析的影响。
顶升法利于现场工作面的展开，加快施工进度，如图１０所示。混凝土灌注可在已经施工完毕的楼板中进
行，在钢柱侧面预设灌浆孔，完成浇筑后封闭，此法可避免抛落法高空作业的安全危险，便于施工安全的保障。
综上所示，钢管混凝土柱不同浇筑方法优缺点如表５所示。图１０钢管混凝土柱］页升法施工及灌浆孔Ｆｉｇ．１０Ｃｏｎｃｒｅｔｅｌｉｆｔ－ｕｐｐｏｕｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃＦｒｃｏｌｕｍｎａｎｄｔｈｅｐｏｕｒｉｎｇｈｏｌｅ
表５钢管混凝土不同浇筑方法比较
Ｔａｂｌｅ５Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｒｅｔｅｐｏｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ
当然，采用何种浇筑方法还需要视施工承包商的技术力量与施工经验而定。
６防火性能及涂料的选择
高层及超高层建筑结构防火是一项必须重视的问题。钢管混凝土柱需要按照防火时限要求进行防火喷涂。主要措施有混凝土或水泥砂浆包覆法、防火涂料保护法、防火板保护法等。其中防火涂料分为膨胀型（薄涂型）和非膨胀型（厚涂型）２类。
对于钢管混凝土柱，因其内部存在大量吸热性能较好的混凝土，钢管和混凝土共同工作，从而使其比纯
超高层框架柱方案选型及钢管混凝土柱设计要点
作者：殷超， 张艳霞， 吴徽， YIN Chao， ZHANG Yanxia， WU Hui
作者单位：殷超,YIN Chao(奥雅纳工程顾问,北京,100020)， 张艳霞,吴徽,ZHANG Yanxia,WU Hui(北京建筑工程学院,北京,100044)
刊名：
世界地震工程
英文刊名：WORLD EARTHQUAKE ENGINEERING
年，卷(期)：2009,25(3)
参考文献(15条)
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1.葛家琪.韩志宏.张国军.王明珠成都传媒中心大厦结构方案选型与抗震性能分析[会议论文]-2008
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