关于钢管混凝土结构在高层建筑结构设计中应用研究

关于钢管混凝土结构在高层建筑结构设计中的应用研究摘要：钢管混凝土（即钢管混凝土）具有承载力高、抗震性能好、节约钢材和施工简捷等突出优点，因而在高层和超高层建筑中得到了日益广泛的应用。

本文就钢管混凝土结构在高层建筑结构设计的应用进行探讨。

关键词：钢管混凝土结构高层建筑结构设计
abstract: concrete filled steel tube (i.e., concrete filled steel tube ) which has high bearing capacity, good anti-seismic performance, steel saving and simple construction and other advantages, so in the high-rise and super high-rise building has been widely applied. in this paper, the concrete filled steel tube structure in tall building structural design application.
key words: steel tube concrete structure in high-rise building structure design
[中图分类号] tu753.8 [文献标识码]a[文章编号]
钢管混凝土结构以其承载力高、抗震性能好、混凝土延性好、耐火性能好、施工简便以及造价经济合理等一系列优点而广泛应用于高层和超高层建筑中。

相对于其它结构材料而言，钢管混凝土结构的研究还很不充分，尤其是结构体系的研究更少，还存在着一些需要进一步研究和解决的问题。

本文就钢管混凝土结构在高层建筑结构设计的应用进行探讨。

一、钢管混凝土结构的应用特点
钢管混凝土是在钢管中填入混凝土后形成的建筑构件，按截面形状可分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。

它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程相互之间的组合作用，充分地发挥了这两种材料的优点，使混凝土的塑性和韧性大为改善，且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，使钢管混凝土整体具有承载力高、塑性和韧性好、经济效益优良和施工方便等优点。

钢管混凝土虽由两种材料组合而成，但对构件业而言，它被视为一种新材料，即所谓的“组合材料”（不再区分钢管和混凝土）。

而且钢管混凝土构件在不同荷载组合作用下的性能变化是连续的和统一的；钢管混凝土构件的性能随几何参数，如含钢率、长细比和空心率等的改变是连续的和统一的；钢管混凝土构件的性能随着物理参数，如钢材和混凝土的强度等的变化是连续的和统一的；钢管混凝土构件的性能随其截面形状，如圆形、多边形、八边形、六边形和正方形等的改变也是连续的和统一的等。

钢管高强度混凝土性能的研究高强度混凝土（世界各国对高强度混凝土的定义有所不同，在我国，一般认为强度等级为c60 及以上的混凝土为高强混凝土）是近年来国内外学者研究的热门课题。

这类高强度混凝土优点是强度高，可以节约水泥，减小构件截面尺寸，减轻结构自重，因而常用于荷载很大的结构，如高层建筑，地下工程和大跨结构的支柱等。

然而，高强混凝土的弱点是脆性大，延性差大，这就阻碍它在实际工程中的应用，尤其在复杂受力状态下，结构受脆性破坏控
制，其工作的可靠性大大降低。

如果将高强度混凝土灌入钢管高强度混凝土，高强度混凝土受到钢管的有效约束，其延性将大为增强。

此外，在复杂受力状态下，钢管具有很大的抗剪和抗扭能力。

这样，通过二者的组合，可以有效地克服高强混凝土脆性大、延性大的弱点，使高强混凝土的工程应用得以实现，经济效益得以充分发挥。

大量实例证明，与普通强度混凝土的钢管混凝土和钢柱相比，钢管高强度混凝土可节约钢材50％左右，降低造价；和钢筋混凝土柱相比，不需要模板，且可节约混凝土50％以上，减轻结构自重50％以上，而耗钢量和造价略多或约相等。

钢管混凝土工程应用新进展钢管混凝土结构宜用于轴心受压或偏心较小的压柱。

二、结构设计要点
一般高层工业与民用建筑中使用钢管混凝土结构多采用单肢柱形式；下面主要讨论单肢钢管混凝土柱的设计方法。

1、一般要求
钢管可采用直缝焊接管、螺旋形缝焊接管或无缝钢管；外径不宜小于100 mm ；壁厚不宜小于4 mm。

混凝土强度等级不宜低于c30 。

套箍指标θ宜限制在0.3～3 之间。

一般框架结构单肢钢管混凝土柱的长细比不宜超过20 。

2、结构计算
《钢管混凝土结构设计与施工规程》(以下简称规程)规定；钢管混凝土柱主要采用极限状态设计方法。

单肢柱的轴向受压承载力应满足:
n ≤ nu =фlфe no ；
no = fcac( i+θ+θ) ；
θ = faaa/ fcac
式中: no —————钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值；
θ—————钢管混凝土的套箍指标；
fc —————混凝土的抗压强度设计值；
ac —————钢管内混凝土的横截面面积；
fa —————钢管的抗拉、抗压强度设计值；
aa —————钢管的横截面面积；
фl —————考虑长细比影响的承载力折减系数；
фe —————考虑偏心率影响的承载力折减系数。

由于目前常用的结构计算软件如pkpm 系列、tbsa 系列软件等尚缺乏对钢管混凝土结构的支持；所以目前设计中常将预估的钢管混凝土柱等刚度代换为实心圆钢柱；输入软件进行结构整体计算；得到各柱的最不利内力值；最后手工校核钢管混凝土柱的承载能力。

3、节点构造
一般钢管混凝土柱与钢梁或钢筋混凝土梁组成的框架结构体系中；梁柱连接节点常采用刚性节点。

钢管混凝土柱由基础开始一直通到建筑物顶端；各楼层结构中的横梁都从柱侧面与柱相连；梁端的弯矩和剪力通过一些连接件可靠地传给柱身。

钢梁常在梁的翼缘
平面内围绕钢管混凝土柱设置加强环；将梁端弯矩转变为水平力通过加强环传给柱；梁腹板直接焊接或通过连接板与柱连接传递竖向剪力。

混凝土预制梁梁端上下可预埋钢板和加强环焊接；梁下设牛腿(也可在梁内暗设)传递剪力。

对于现浇混凝土梁；可采用平行双梁的形式；也可将梁端局部加宽，使纵筋绕过钢管。

钢管混凝土柱的柱脚也有两种做法，一种是同预制钢筋混凝土柱相同的插入式杯口基础，另一种是同钢结构相同的端承式柱脚。

应注意柱脚钢管的端头必须用钢板封固，并应验算柱与基础连接面的混凝土局部受压强度。

三、钢管柱混凝土柱设计与施工应用过程
某大厦为三十一层商住楼，地下室三层为车库，一层至四层为商场，四层顶为结构转换层，五层为设备层，上部为住宅。

整个结构采用框支剪力墙结构，围绕楼、电梯井筒核心，部分框支柱在一层至四层采用了钢管混凝土柱，管径分别为ф＝1000，ф＝1200。

钢管圆柱采用16mnn 钢制做，壁厚20，管内浇筑混凝土c40，圆钢管柱共6 根，ф＝1000，2 根。

ф＝1200，4根，钢管顶部为钢筋混凝土板式转换层。

1、钢管混凝土单肢柱的承载力：
nu＝фlфeno，
no＝fcac（1+θ＋θ）
θ＝faaa/fcac，
依据计算公式：
管径ф＝1000，fa＝300n/ mm2，aa＝0.0615㎡，fc＝19.1n/mm，。