高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点

高层建筑中使用的钢管混凝土柱主要是圆形截面的，但有时也会采用其他截面型式而形成异型柱。

我国对圆形截面钢管混凝土柱已有深入的系统研究和实践经验［!，"，#］，而对异型截面柱的研究则比较少，应用也还不很多。

钢管混凝土柱与楼盖连结的节点，是实际应用中的一个重要部分。

当它与钢结构楼盖连结时，构造比较简单，但与钢筋混凝土楼盖连结时则比较复杂，甚至影响了对它的使用，因此不少单位开展了这方面的研究，并已取得了可观的成果，提出了多种多样的节点形式，为在高层建筑中推广应用钢管混凝土柱提供了更广阔的空间。

本文主要就高层建筑中所采用的钢管混凝土柱及其节点的形式和应用作一扼要的综合介绍。

!钢管混凝土柱我国在改革开放以来，高层建筑在数量上不断增加，高度也不断加高，而建造高层建筑大多数采用钢筋混凝土结构，结构自重很大，随着建筑高度的增!好世界广场大厦"新中国大厦图"采用钢管混凝土柱的高层建筑#赛格广场$合银大厦"概述钢管混凝土是在钢管中填充混凝土，利用钢管对填心混凝土的套箍作用，使核芯混凝土受纵向压力时处于三向受力状态，从而提高其轴向抗压能力。

钢管混凝土结构除强度高外，还有重量轻、延性好、耐疲劳和冲击、省料和施工方便等优点［!］。

由于钢管混凝土结构具有上述优点，因此在民用和工业建筑、桥梁和地铁等工程中得到广泛的应用。

近年来，随着我国高层建筑的发展，利用钢管混凝土作为其主要承重柱的也逐渐增多。

在高层建筑中使用钢管混凝土柱具有其特殊优点：用钢管混凝土柱代替普通钢筋混凝土柱，可以使柱截面大大缩小，而且可以提高抗震性能，方便施工等；利用钢管混凝土柱代替钢结构中的钢柱，可以减少用钢量，加强结构刚度；在高层建筑多层地下室的逆作法施工中，它更充当重要的角色。

广州市的好世界广场大厦（##层，图!$），新中国大厦（%&层，图!’），合银大厦（("层，图!)），深圳的赛格广场（*"层，图!+）等大型高层建筑，都以不同的形式采用了钢管混凝土柱，部分还将之构成内框筒或用于逆作法建造多层地下室，在技术上和经济上均取得很好的效果。

高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点容柏生,广东省建筑设计研究院广州%!--!-.摘要：我国一些高层建筑采用了钢管混凝土柱，取得了较好的技术和经济效果。

本文主要综合介绍用于高层建筑的钢管混凝土柱及其节点的形式，供设计时参考。

关键词：高层建筑；钢管混凝土柱；钢管混凝土柱节点广东土木与建筑/012/342/156789:6905:68;8<:2/82::582/!##!年"月第"期=12!##!2>?"#图!约束作用示意图加，柱的轴压力就越大，加上抗震设防的需要，为保证构件的延性，有关规范对钢筋混凝土柱均有控制轴压比（!"!#$"）的要求，同时混凝土的强度等级只做到#$"或再高一些，所以柱的截面很大，甚至达到了占用过大使用面积，影响建筑功能和观感的地步。

为了解决这一矛盾，结构设计中开始使用钢管混凝土柱来代替普通钢筋混凝土柱，由于其承载力高，柱的截面就可以大大缩小。

例如原来截面为%&’%&的钢筋混凝土方柱，可以用直径为()$&或者更小的钢管混凝土圆柱来代替，加上钢管混凝土柱的延性好，对抗震更为有利，因而效果十分显著。

此外，钢管（包括节点构造部分）可以在工厂预制，质量更有保证。

在施工中还可以省去钢筋和模板的安装，安装好的钢管又可以兼作楼盖模板的支承，使施工得到简化和加速。

因此，高度较大的高层建筑很多都采用钢管混凝土柱。

钢管混凝土柱的另一重要用途是用于多层地下室的逆作法施工。

高层建筑通常都带有地下室，随着建筑高度的增加，由于各种需要，地下室的层数一般都有%、*层或者更多。

地下室的施工难度较大（主要是基坑开挖及支护结构）且工期长，影响建筑物投入使用的时间。

为缩短建设周期，地下室采用逆作法施工是很有效的办法。

但多层地下室的逆作法施工，关键是如何先构筑成支承上部结构的临时竖向构件，这时钢管混凝土柱就成为主要角色，当根据柱位用冲、钻或挖孔的方法做成柱基础后，就可以直接把预制好的相应于地下室深度的整根钢管（包括支承地下室各层楼盖的节点）吊装就位，即成为既是建造上部结构的临时性也是以后永久性的支柱。

之后就一边往下逐层施工地下室，一边往上逐层施工上部结构，完全省去了整个地下室的施工期。

广州新中国大厦有+层地下室，采用上述方法施工，当地下室施工完毕时，上部结构已施工到%"层，缩短工期达半年之多［,］。

钢管混凝土柱的截面形式以圆形为主，但由于建筑设计或者结构上的需要，有时也有必要采用其他型式的截面如方形、矩形、-形或.形等的异形柱。

此外，随着工程的实践，还发展了一些变种的柱。

下面把已成功应用于实际工程的各种不同类型的钢管混凝土柱作一简单的叙述。

%)(圆形截面柱圆形截面钢管混凝土柱是最基本也是应用最多的形式。

根据约束混凝土的受力机理，环形截面的钢管是最合理的形式，因为它对核芯混凝土的约束是均匀的向心力，而钢环自身在核芯混凝土的向外挤压力作用下，则只有环向拉力（图%），因而约束效果最显著（相对也是最经济的）。

所以在条件许可时应该优先采用圆形截面柱。

对圆形截面钢管混凝土构件的应用，我国已有*"多年的历史，特别在/"年代，开展了系统的研究，在构件的工作状态、计算理论和设计方法等方面都取得了丰硕的成果［(，%］。

在此基础上，国家建筑材料工业局于(0/0年发布了《钢管混凝土结构设计与施工规程（1#1"(2/0）》［3］，中国工程建设标准化协会(00%年发布了《钢管混凝土结构设计与施工规程4#5#6%/70"8》［+］等。

这些规程既给出了计算方法，也提供了构造做法。

目前我国钢管混凝土柱的设计均以这些规程作为依据，通过长时间的实践，证明这些计算方法是合适的，构造做法也是得当的。

根据#5#6%/70"的规定，圆形截面钢管混凝土柱的轴向承载力设计值!9与套箍指标%有关，%的计算式为%:";&;"!&!，!9的值等于核心混凝土的承载力乘上一个提高系数（(<!"!<!），规程要求套箍指标%限制在")*=*)"之间，按此计算，当不考虑细长比和偏心率影响时，钢管混凝土柱的总承载力是核心混凝土部分承载力的()/=+),倍，大小取决于钢管的壁厚，当取钢管直径与其壁厚之比’(:,"时（规程建议值），则提高系数约为%)3，即钢管混凝土柱的截面仅为普通钢筋混凝土柱截面的3%>，可见对缩小柱截面的效果是十分显著的。

%)%异型截面柱钢管混凝土柱采用圆形截面虽然是最合理的，但从建筑和结构设计的需要来看?不可能千篇一律都是圆柱，总有需要用到其它截面形式的情况，如建筑平面不希望有凸出的圆弧，逆作法施工地下室时，支承筒体部分的地下支柱将来与实际筒体墙的结合需要等。

根据钢管混凝土柱的受力机理，若钢管是由直线段组成的几何图形，由于直线段钢板在核芯混凝土向外挤压时有弯曲变形，削弱了对核芯混凝土的约束作用（图*;），钢管混凝土柱核芯混凝土钢管外包!钢板变形1@A !""!AB)#容柏生：高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点!""!年#月第#期3影响轴向抗压能力的提高。

对方钢管混凝土柱所做的试验表明［!］，方钢管对核芯混凝土的约束虽不如圆钢管，但仍有很好的效果［"!］。

在广州新中国大厦结构设计中，不但要用到方形和矩形，还要用到#形和$形截面的柱。

为了更好地提高这类型柱的承载能力，提出了对异型截面钢管按一定间距设置拉杆以约束直线段钢板的弯曲变形，形成所谓带约束拉杆异型钢管混凝土柱［%，&］（图!’），并对这种柱进行了理论分析和构件试验。

研究结果表明［%］，带约束拉杆的异型截面钢管混凝土柱，外包钢管和核芯混凝土能牢固地结合，协调变形并共同工作，由于约束拉杆对直线段钢板变形的约束，钢管对核芯混凝土能起到较好的约束作用，使核芯混凝土的轴向承压能力得以提高，其整体轴向承载力大于钢管和核芯混凝土各自承载力的简单代数和，提高系数约在"()*)(%之间，随板件宽厚比的减小，特别是拉杆间距的减小（即加密拉杆）而增加。

上述研究结果表明：异型截面虽不如圆形截面好，但在工程有必要时还是可以采用的。

新中国大厦地下室逆作法施工中，钢筋混凝土核芯筒的地下临时支承用的就是这种柱（图+），地下室施工时补上所缺的墙段就成为完整的筒体。

该建筑上部的公寓和住宅，为避免柱外凸，也采用了小型的异型柱。

不过上述应用和研究都还是初步的，对其承载力的计算方法和构造处理，尚需继续探讨。

)(!其他形式的柱利用钢管混凝土柱的优点，在工程实践中还创造了一些其他形式或作用的柱型。

介绍下面几种：!钢管混凝土核芯柱提高普通钢筋混凝土柱的混凝土强度等级是缩小柱截面的方法之一，但当提高到,&-或,.-时，由于高强混凝土脆性大，使构件延性差，轴压比控制更严，达不到缩小柱截面的效果。

为此提出了在高强混凝土柱的核心处设置直径较小的钢管混凝土芯柱（直径约为柱截面边长的"!）（图/）。

试验表明：高强混凝土柱配置了钢管混凝土核芯柱后，除承载力有所提高外，其延性明显提高，破坏属于延性破坏，增强了柱断面的抗剪能力，柱的承载能力可提高"-0*"/0，由于钢管通过节点区而提高了节点核芯区的抗剪能力。

实践还证明，由于芯柱尺寸较小，使节点区的梁柱配筋构造相对比较简单。

"钢管混凝土叠合柱叠合柱的形式与上述的核芯柱完全一样（图%），所不同的是通过改变施工工序来改善其受力状况以达到最佳效果。

做法是：安装核芯钢管!浇灌管内混凝土!以它作为支柱安装楼层模板!施工若干层楼盖（要在柱边处留后浇孔）。

当核芯柱承担的轴力达到其设计轴力的"+*"!时，浇灌外围混凝土使之叠合成整体。

这样做的目的是人为地使核芯柱承担较多的轴压力，从而降低外围混凝土的压应力水平（外围混凝土一般承担柱总轴力的")左右）；核芯柱受外围钢筋混凝土部分的约束，可不考虑长细比和荷载偏心率的影响，承载能力高；外围钢筋混凝土部分承担轴力小，基本不受轴压比控制。

试验表明，叠合柱与普通钢筋混凝土柱相比，在水平力作用下，其延性系数可提高!-0*&-0。

这种柱的受力状态是合理的，用材也较省，但增加了施工的工序和难度，一般只宜用于底部的部分楼层。

#复合型钢管混凝土柱复合型钢管混凝土柱有：$在钢管混凝土柱内再布置型钢（图&1，&’），其承载力可以在原有钢管混凝土柱的基础上再得到提高，主要用于柱截面受到限制而又必须承担大荷载的情况。