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钢管高强砼组合柱节点形式的探讨——张春良
发布时间:2008-10-21  浏览次数:2586
  提要 钢管高强砼组合柱结构具有良好的抗震性能, 本文简要介绍了核心柱、叠合柱和组合柱的设计概念和计算方法,在原有CIC节点的基础上参考实际工程经验提出一种新的梁柱节点方案.
  关键词 轴压比,核心柱,叠合柱,组合柱,节点

引言
  高层建筑结构中框架柱承受的轴力很大,达数千吨。由于规范对柱的轴压比有严格的限制,如此高的轴压力即使采用高强砼也需要很大的柱断面,这不仅易出现短柱现象,而且因高强砼的脆性,须采取更严的轴压比限制和更高的配箍率来保证其抗震性能,这使得高强砼的高效抗压性能未能充分发挥出来。如何在满足框架柱轴压比限值,即保证框架柱抗震延性的前提下尽量减小柱断面,充分利用高强砼的优点,在建筑物中提供更多的可使用面积,是高层建筑结构设计中的一个难点。组合柱结构是我们在实际设计中采用并被试验证明具有良好抗震性能的一种结构体系[1][2] [3]。

二 
钢管高强砼组合柱结构体系 
  钢管砼柱因钢管对内部砼的三向强力约束而使其具有良好的抗震延性和承载能力,但钢管砼结构的梁柱节点构造复杂,用钢量较大,不利于防火防护,这些问题使其在实际工程中的应用受到一定的限制。实践中证明[4][5] [6],缩小钢管的断面,将钢管放在普通砼柱断面核心形成钢管砼核心柱,既可保留钢管砼柱承载力高、延性好的优点,又可较好地解决钢管砼柱的上述缺点。
  (一)钢管高强砼核心柱
  用钢管砼作为柱的核心是钢骨砼结构的一种特例,它可以改善高强砼柱的延性,提高柱的抗震性能和承载能力。尤其当核心钢管内浇注高强砼时,可克服高强砼的脆性而充分发挥其抗压性能。经实践证明[4][5] [6],因核心钢管砼尺寸较小,易于穿过框架节点,使节点区的梁柱配筋构造简单合理,便于施工。对钢管高强砼核心柱的受力性能通过一系列试验研究可得出以下主要结论[1][2] [3]
  (1)核心柱虽然仍靠外围的普通钢筋砼抗弯,但由于核心钢管分担了一部分轴力,使外围砼所实际承受的轴力减小,在相同弯距作用下,更容易使破坏形态控制在大偏压状态,即延性破坏。核心柱的延性明显高于普通砼柱。
  (2)核心钢管的存在,增强了柱断面的抗剪能力,比单靠箍筋抗剪更有效,即使在短柱情况下,也容易做到强剪弱弯。
  (3)由于钢管穿过节点核心区,提高了框架节点核心区的抗剪强度,可简化核心区的构造。
  (4)在水平反复荷载作用下延迟了柱子的开裂时间,延长了从开裂到峰值到破坏的过程,增强了柱端塑性铰的转动能力,这也是柱延性提高的一个明显标志。
  众所周知,柱轴压比是柱延性、即变形能力的一个重要影响因素,而柱轴压比实际是柱断面上平均压应力与柱砼轴心抗压强度的比值。在一定的砼强度等级下,柱断面压应力越小其转动变形能力越大,即延性越好。控制设计轴压比也就是控制柱断面在设计阶段(小震时)的平均压应变。当柱在偏心荷载尤其是大震引起的水平反复荷载作用下,断面上的边缘压应变达到或超过砼的极限压应变时,柱边缘受压区砼将产生压溃破坏。核心柱虽能改善普通砼柱的延性,但未能充分发挥核心区钢管砼良好的受压性能,较多地减小柱断面尺寸,提供更多的可使用面积。
  (二)  钢管高强砼叠合柱
  
钢管高强砼叠合柱是利用核心区的钢管高强砼作为施工期间的临时支撑柱,承受本层及以上数层的重量。一般情况下,当核心钢管砼的轴力约达到该柱最大设计轴力的1/4~1/3时,叠合浇筑钢管外围砼,使之形成一个整体柱来承受后期施加的荷载。施工时在柱四角楼板上预留后浇孔,浇筑外围砼前应设置好外围砼中的钢筋,并将钢箍与核心钢管管壁焊接,以增加相互间连接。
  叠合柱断面由钢管、管内砼和外围砼三部分组成,后期施加的荷载按此三部分的竖向刚度分配给三部分共同承受。由于核心钢管及内部砼虽占截面面积比例较小,但其竖向刚度相对较大以及先期已承受了约1/4~1/3的总轴力,则作用于柱外围砼上的轴压力一般为总设计轴力的1/2左右,若柱断面尺寸不变,则柱外围砼的设计轴压比明显减小,因此柱的延性即抗震性能明显提高;若要维持相同的轴压比,则可以较多地减小柱断面。
  经试验验证[2][4],钢管高强砼叠合柱的主要受力特点如下:
  (1)可以充分发挥核心钢管砼的承载能力。由于外围钢筋砼对核心钢管砼的强力约束,计算叠合后的核心钢管砼承载力时一般可以不计钢管的长细比及荷载偏心率的影响,经过合理的设计,控制好钢管砼和外围砼的刚度、尺寸比例,可以使钢管砼和外围砼几乎同时达到极限强度。
  (2)在一般受力状态下,叠合柱截面上的应力分布基本符合平截面假定。
  (3)叠合柱既保留了钢管砼核心柱的一系列优点,又由于外围砼的轴压比可以设计得较小,使得比后者的延性更好。经试验表明,钢管砼叠合柱在水平反复荷载作用下,其位移延性系数比同样断面的钢管砼核心柱约提高30%~70%。
  (三)  钢管高强砼组合柱结构体系
  
高层或超高层建筑的柱轴力自下而上相差很多。下部数层的柱轴力很大,且是关键部位,要求具有良好的抗震性,采用钢管高强砼叠合柱是比较适宜的,中间楼层的柱轴力比较适中,采用钢管砼核心柱即能满足抗震延性的要求,又可减少施工程序,而顶部数层的柱轴力一般很小,常常采用普通钢筋砼柱。这样,在实际工程中,将钢管高强砼叠合柱和钢管高强砼核心柱组合应用于高层建筑的不同部位,来适应其轴力的变化,即为钢管高强砼组合柱结构体系。

三 
设计计算

  (一) 叠合柱的刚度
  
叠合柱的竖向刚度ΣEA、弯曲刚度ΣEJ及剪切刚度ΣGA均由三部分各自的刚度组成:
   ΣEA = EC1AC1+ ESAS+ EC2AC2
   
ΣEJ = EC1JC1+ ESJS+ EC2JC2
   
ΣGA = GC1AC1+ GSAS+ GC2AC2
   
上式中,E、A、J为弹性模量、截面积和惯性矩,角标C1、C2表示钢管内、外的砼,S表示钢管。
  (二) 轴力分配与设计轴压比
  
叠合柱三部分各自承担的轴力根据三部分各自的竖向刚度比例来分配。外围砼承担的竖向力
   N C2= EC2AC2(Nmax-N1)/ΣEA
  钢管砼分担的竖向力
   N = N1+(EC1AC1+ESAS)(Nmax-N1)/ΣEA
  上式中Nmax为柱最大轴力设计值,N1是外围砼叠合前核心钢管砼承受的先期轴力。外围砼的设计轴压比为
   λC2= N C2/fC2AC2
  
上式中fC2、AC2分别为外围砼的轴心抗压强度设计值和截面积。
  某工程一层框架柱[6],原设计采用C60砼,柱断面为1300×1300 mm,采用叠合柱后,柱断面改为1000×1000 mm,实际用钢量未增加,而砼量减少了69%。
 
四  节点构造

  一种结构型式只有便于施工才有意义。梁柱节点构造是钢管砼核心柱和叠合柱能否在实际工程中应用的关键,且关系到结构的传力及抗剪性能,在很大程度上影响着结构的施工难易程度和技术经济指标。我们目前在工程中采用的是CIC节点形式[1]~[6],其特点是柱身钢管穿过节点核芯区时分段,将节点范围的钢管直径改小,以便梁的大部分纵筋从小钢管两侧穿过,小钢管两端各焊四个翅片,插入上下柱内粗钢管预留的四条缝内焊接,以便增强节点的承载能力,并起安装连接上下段柱身钢管的作用。
  经试验验证[7][8],CIC节点具有良好的变形能力和耗能能力,但由于节点核芯区的钢管直径很小,浇注小钢管内的砼时很困难,而且钢管外围砼未浇注前,节点仅靠核芯区小钢管、四个钢翅片和梁宽度范围的砼支撑先期要承受的轴力N1,节点区刚度偏小,截面很弱,因此柱外围砼叠合前后对框架梁的支撑约束条件变化很大,框架梁的内力计算复杂。
  参考其他工程经验[9],笔者以为可将钢管砼结构中比较成熟的承重销式节点引入钢管砼核心柱和叠合柱结构体系中。图中承重销仅用于传递梁端剪力,在钢管以外,承重销呈工字型截面,截面高度约为框架梁高的一半,承重销位于梁截面中部偏下;在钢管以内,承重销仅有腹板而无翼缘,以方便浇注钢管内砼。框架梁端部水平加腋,使角部纵筋从核心钢管外侧绕过并与钢管焊接,梁上部中间纵筋穿过核心钢管,且与管壁点焊,梁下部中间纵筋与承重销下翼缘焊接。对于核心柱,钢管内外的砼同时浇注,由于外围砼对钢管的强力约束,笔者认为可取消钢管内的承重销,使得浇注钢管内的砼更加容易。而对于叠合柱,承重销能传递梁板自重及施工荷载即可。试验表明[9],梁端剪力并不是全靠承重销传递的,而由于核心柱和叠合柱在钢管外都有近1/4柱断面的砼,其传力当比钢管砼结构更可靠。这种节点形式,上下柱内的钢管在节点区不再变小,以方便浇注钢管内砼。未浇注钢管外围砼前,框架柱是一完整的钢管砼柱,可克服CIC节点的上述缺点。
 
 
参考文献
(1)林立岩,以钢管砼为核心的高强砼叠合柱结构,第六届高层建筑抗震技术交流会论文集,珠海,1997
(2)林立岩等,以钢管砼为核心的高强砼叠合柱,第三届中日建筑结构技术交流会,深圳,1997
(3) Liyan Lin,Chunliang Zhang,etc.,“Laminated Column Structure with a High-strength Concrete-filled Tubular Core”,The fifth International Conference on Tall BuildingsHong Kong1998
(4)辽宁省建筑设计研究院,哈尔滨建筑大学,钢管高强砼叠合柱在辽宁省邮政枢纽工程中的应用,1997. 8
(5)辽宁省建筑设计研究院,哈尔滨建筑大学,CIC结构体系在沈阳和泰工程中的应用,1997. 8
(6)林立岩,张春良等,沈阳富林广场的钢管高强混凝土组合柱结构,第四届中日建筑结构技术交流会,大连,1999
(7)辽宁省建筑设计研究院,哈尔滨建筑大学,钢管高强砼叠合柱节点的试验研究,1997. 9
(8)黄智辉,钱稼茹等,钢管高强混凝土叠合柱核芯区抗剪试验研究,第十六届全国高层建筑结构学术交流会,上海,2000
(9)龚昌基,钢管砼柱节点形式的探讨---设计工作与学习札记,第十六届全国高层建筑结构学术交流会,上海,2000
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