《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》概述
《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》概述标准介绍
l概述
《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》概述钱稼茹林立岩
(清华大学土木工程系北京100084)(辽宁省建筑设计研究院沈阳110005) 由清华大学和辽宁省建筑设计研究院主编的中国工程建设标准化协会标准《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》CECS188:2005,已于2005 年11月1日起施行.
钢管混凝土叠合柱是在钢筋混凝土柱的中部设置钢管混凝土的一种叠合构件,已形成了我国自主开拓的一种结构体系.它较钢筋混凝土和钢骨混凝土(也称型钢混凝土)柱具有更优良的抗压和抗震性能.
钢管混凝土叠合柱(简称叠合柱)是由截面中部的钢管混凝土和钢管外的钢筋混凝土叠合而成的柱(图1).按照钢管内混凝土和钢管外钢筋混凝土是否同期浇筑,叠合柱可以分为同期施工叠合柱(也称为组合柱)和不同期施工叠合柱.不同期施工叠合柱的施工大体分为三步: 1)安装钢管,浇筑钢管内混凝土,形成钢管混凝土柱;2)以钢管混凝土柱为楼盖梁的支柱, 施工楼盖结构,使钢管混凝土柱承受施工期间的部分竖向荷载,浇筑楼板混凝土时,在柱周围的楼板上预留后浇孔;3)钢管混凝土柱的轴压力达到该柱轴压力设计值的0.3,0.6倍时,浇筑
钢管外混凝土,成为钢管混凝土叠合柱. (a)柱截面较大时(b)柱截面较小时图1叠合柱截面
(-r程建设标准化》2O06年第4期
叠合柱的主要优点有:1)钢管内浇筑高强混凝土,钢管的约束作用克服了高强混凝土的脆性,同时,使管内混凝土的轴心抗压强度大幅度提高,充分发挥了高强
混凝土受压能力高的优势,从而减小柱的截面尺寸,增大使用空间. 2)对于组合柱,作用在截面上的轴力设计值按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土;对于叠合柱,轴力设计值减去浇筑管外混凝土时钢管混凝土已经承受的轴力后,按轴向刚度分配给钢管混凝土和管外的钢筋混凝土.分配轴压力时,钢管混凝土的轴向刚度随其轴心受压承载力的提高而提高.结果,钢筋混凝土分担的轴压力比按管外,管内混凝土面积比分担的轴压力小得多.由于钢筋混凝土部分承担的轴压力小, 轴压比低,通过配置适量的纵筋和箍筋,容易实现具有延性的大偏心受压破坏形态.3)截面中部的钢管混凝土提高了柱的抗剪承载力,容易实现强剪弱弯.4)钢管混凝土提高了节点核芯区的抗剪承载力,可简化核芯区构造,方便施工. 5)在轴压力和往复水平力作用下,由于钢管混凝土的存在,延长了叠合柱从屈服到破坏的过程,提高了柱端塑性铰的转动能力,使叠合柱具有良好的延性和耗能能力.6)钢管内和钢管外都有混凝土,钢管壁不会发生屈曲.7)钢管外的混凝土可起抗火作用.
1995年辽宁省建筑设计研究院提出叠合柱的概念,并会同大连理工大学,哈尔
滨工业大学和清华大学进行了大量的试验,研究叠合柱及节点核芯区的受力性能和设计方法.叠合柱首先应用于沈阳日报社大厦的地下室逆作法施工.1996 年,辽宁省邮政枢纽采用叠合柱,成为第一幢采用叠合柱结构的高层建筑.至今,仅辽宁地区已有19幢高层建筑采用叠合柱结构,其中16幢已 31
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经建成并投入使用,包括:23层的辽宁省邮政枢纽,22层的沈阳和泰大厦,33层的沈阳电力花园双塔,28层的沈阳远吉大厦等.其中远吉大厦和贵和大厦在钢管
内采用CIO0高强混凝土;富林广场在钢管内设计采用C90混凝土, 实际按CIO0施工,检测表明,钢管内混凝土达到CIO0的强度.试点工程表明,只要合理组织施工,叠合柱结构的施工并不复杂,其进度比同类的钢筋混凝土结构略快.
叠合柱结构适用于我国非抗震和抗震地区的房屋建筑,尤其适用于抗震设防地
区的高层建筑. 2主要内容
《钢管混凝土叠合柱技术规程》的主要技术内容包括:总则,术语和符号,材料,荷载和地震作用,结构设计基本规定,叠合柱框架设计, 钢管混凝土剪力墙设计,构
件连接,结构施工和验收
3材料
规程根据《混凝土结构设计规范》
GB50010--2002规定的C40一C80混凝土的强度值和弹性模量值,外推得到
C85一CIO0混凝土的强度值和弹性模量值.GB50010--2002对C80 混凝土采用的
棱柱体强度与立方体强度的比值为 0.82,由此外推CIO0的相关比值为0.86,试验
实测的平均值为0.89,高于外推值.由于试验值比较少,仍采用0.82.混凝土考虑脆
性的折减系数也采用GB50010--2002的外推值.C80以上的混凝土,不同配合比时
弹性模量可能相差较大.因此,C80以上混凝土的弹性模量也可根据实验结果采用.
4结构设计
叠合柱结构是钢筋混凝土结构.其荷载,地震作用,建筑抗震设防类别和抗震设
防标准,建筑设计,结构体系和布置要求以及结构规则性要求等,应符合现行设计
规范.
4.1叠合柱的布置规定了叠合柱结构采用叠合柱的最少楼层数.部分框支剪力
墙结构的框支柱是框支层的重要抗震防线,框支柱采用叠合柱时,全部框支柱宜采
用叠合柱,其钢管至少 32
应伸至转换构件的顶面.在一幢建筑内,可以从下到上全部采用叠合柱,也可以
底部采用不同期施T叠合柱,中部采用组合柱,上部采用钢筋混凝土柱.叠合柱的
优点显着,当一幢建筑采用叠合柱时,应有尽可能多的楼层采用叠合柱.采用叠合
柱的层数,可通过计算确定,规程规定了采用叠合柱的最少层数:当高度不超过A级高度
钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度时,叠合柱至少应伸至房屋高度的
1/3处;当高度接近或达到B级高度钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度时,叠合柱至少应伸至房屋高度的 2/3处;当高度在A级高度与B级高度之间且未接近B级高度时,采用叠合柱的高度可在房屋高度的1/3—2/3之间.
4.2钢管混凝土剪力墙的布置钢管混凝土剪力墙包括无端柱和有端柱两种.与钢筋混凝土剪力墙相比,钢管混凝土剪力墙的正截面承载力和斜截面承载力提高,延性和耗能能力大.当建筑高度超过A级高度钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度时,剪力墙底部加强部位及以上一层或以上若干层布置钢管混凝土剪力墙.剪力墙可在下列位置设置钢管混凝土:无端柱剪力墙(墙上可没有洞口,或有一列洞口,或有多列洞口)的两端,宽度超过4m的洞口两侧,筒的转角,有端柱剪力墙的端柱内等.
4.3叠合柱结构的楼盖梁可为钢筋混凝土梁,钢骨(型钢)混凝土梁或钢梁.
4.4叠合柱结构的最大适用高度对框架结构和9度抗震设防时,其最大适用高度与《高层建筑混凝土结构技术规程》,IGJ3—2o02对 A级高度钢筋混凝土高层建筑最大适用高度的规定相同;对非抗震设计和6,7,8度抗震设防时,除框架结构外,其他结构的最大适用高度与现行JGJ3_2002对B级高度钢筋混凝土高层建筑最大适用高度的规定相同.
4.5框支层的层数框支柱为叠合柱且转
换层以下框支层设置钢管混凝土剪力墙时,地面以上的大空间层数:8度时不宜超过5层,7度时不宜超过8层,6度时可适当超过8层;底部带转换层的框架一核心筒结构和筒中筒结构的转换层以下采用叠合柱且转换层以下设置钢管混凝土剪力墙时,其转换层位置可比上述规定适当提《工程建设标准化》2帅6年第4期
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高.
4.6抗震等级叠合柱结构的抗震等级划
分,与JGJ3-_2002对相同烈度,相同结构类型, 相同高度的钢筋混凝土高层建筑结构的抗震等级划分相同.
4.7截面刚度叠合柱的截面弹性刚度为
管内混凝土,钢管和管外混凝土弹性刚度之和. 钢管混凝土剪力墙的截面弹性刚度取相同截面尺寸的钢筋混凝土剪力墙的截面弹性刚度. 4.8层问最大位移角的限值在风荷载和
地震作用下,与JGJ3对使用功能相同的钢筋混凝土结构的规定相同.
5叠合柱设计
5.1最小受剪截面验算叠合柱的最小受
剪截面时,考虑了钢管约束对管内混凝土轴心抗压强度的提高作用.
5.2叠合比不同期施工叠合柱,在浇筑
管外混凝土前,配置在截面中部的钢管混凝土柱已经承受了部分轴力.钢管混凝土柱先期承受的轴力与叠合柱的轴力设计值的比值称为叠合比.
若叠合比过大,则有可能不满足叠合后的承载力要求;若过小,则不能充分发挥叠合柱的特点. 叠合比可通过试算确定.一般情况下,叠合比可取0.3,0.6.
5.3轴力设计值的分配对不同期施工的叠合柱,轴力设计值减去浇筑管外混凝土前钢管混凝土柱已经承担的轴力后,按管外混凝土和管内混凝土的轴向刚度分配;对同期施工的叠合柱,按管外混凝土和管内混凝土的轴向刚度分配.管内混凝土的轴向刚度,考虑钢管约束后随强度的提高而提高.
5.4正截面承载力计算叠合柱在轴力和弯矩作用下的正截面承载力按《混凝土结构设计规范》GB50010--2002关于钢筋混凝土柱正截面承载力的公式计算.计
算时,轴压力采用钢筋混凝土部分承受的轴压力设计值,弯矩采用叠合柱全截面的弯矩设计值,按叠合柱的截面尺寸和钢管外混凝土的强度等级计算.
5.5斜截面承载力计算根据38个试件的试验结果给出叠合柱斜截面受剪承载
力的公式. 试验结果表明,叠合柱内的钢管混凝土可提高柱《工程建设标准化》
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斜截面受剪承载力.
5.6轴压比限值叠合柱的轴压比采用管外钢筋混凝土的轴压比,即钢筋混凝土
分担的轴力设计值除以管外混凝土轴心抗压强度设计值与管外混凝土截面面积的乘积.轴压比限值按《建筑抗震设计规范》GB5001l-_200l有关钢筋混凝土柱轴
压比限值的规定采用.
5.7构造要求规定了不同抗震等级框架柱中钢管混凝土的套箍指标和钢管的含骨率,规定了钢管的最小直径和钢管外混凝土的最小厚度;规定了叠合柱的混凝土强度等级;纵向钢筋的最小总配筋率,箍筋加密区箍筋的最大间距和最小直径,箍筋加密范围,箍筋加密区的体积配箍率,非箍筋加密区的体积配箍率,以及节点核
芯区的箍筋配置,按GB5001l00l关于相同抗震等级钢筋混凝土框架柱的规定执行.计算纵向钢筋的配筋率时,取纵向钢筋的截面面积与钢管外钢筋混凝土截面面积的比值;计算体积配箍率时,混凝土的体积取外围箍筋与钢管之问混凝土的体积.
6钢管混凝土剪力墙设计
6.1钢管混凝土剪力墙边缘构件内设置参与受力的钢管混凝土的剪力墙,包括
无端柱剪力墙和有端柱剪力墙.有端柱钢管混凝土剪力墙的端柱为叠合柱,端柱的构造要求与叠合柱的要求相同.
6.2无端柱钢管混凝土剪力墙规定了边缘构件内钢管混凝土的最小套箍指标和最小钢管截面面积;钢管壁外表面焊接闭合的钢筋环箍, 环箍问距不宜大于
lO00mm;剪力墙中竖向和横向分布钢筋的最小配筋率,约束边缘构件的范围及其配
箍特征值和纵向钢筋最小截面面积,构造边缘构件的范围及其配筋要求,与
GB5001l一 200l的规定一致.
6.3承载力正截面承载力计算方法与普通剪力墙相同,端部钢管的截面面积计人剪力墙
端部纵向钢筋的面积;斜截面承载力采用叠加法计算,即钢筋混凝土腹板的受剪承载力与钢管的受剪承载力叠加,钢管的抗剪作用考虑为销栓作用.
6.4轴压比限值无端柱时,轴压比限值 33
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(a)钢管贯通型
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(b)钢板翅片转换型(e)钢管钢筋转换型图2连接节点立剖面
与钢筋混凝土剪力墙相同;有端柱时,比钢筋混凝土剪力墙提高0.05.计算轴压比时,考虑钢管对混凝土的约束作用.
7连接设计
7.1构件连接包括钢管接长,梁柱连接, 组合柱与叠合柱连接以及叠合柱柱脚.
7.2钢筋混凝土梁与叠合柱连接可采用钢管贯通型,钢板翅片转换型和钢管钢筋转换型连接(图2).钢管贯通型连接的上下层钢管贯
通梁柱节点核芯区,在管壁开孔,梁的纵向钢筋直接穿过;在核芯区高度范围内,在钢管壁外表面焊接不少于两道闭合的钢筋环箍,目的是加强钢管与管外混凝土的粘结.其他两种连接的上下层钢管不贯通核芯区,采用厚壁小直径钢管加钢板翅片和钢筋连接上下层钢管.上下层钢管不贯通,便于梁纵向钢筋穿过核芯区,但应保证上下层钢管的连接有足够的承载力.
7.3钢骨混凝土梁与叠合柱连接上下层钢管在核芯区贯通,钢骨混凝土梁中的
钢梁与钢管之问可通过钢悬臂梁段及钢筋连接,悬臂梁段翼缘和腹板的厚度应分别不小于钢梁翼缘和腹板的厚度,钢骨混凝土梁的纵筋可穿过钢管与钢筋混凝土梁的纵筋连接,或与悬臂梁段的翼缘焊接.
8叠合柱算例
钢筋混凝土框架一核心筒结构,高120m,7 度抗震设防.二级框架,组合的轴力设计值为 103000kN,轴压比限值0.85.采用钢筋混凝土柱,C50,则截面为2300×2300,轴压比为 0.843,满足要求.
采用叠合柱,钢管外,内混凝土分别为
C50,C60.若截面为1700×1700,Q345钢的钢管直径,壁厚分别为1400mm,35mm.采用不同期浇筑叠合柱时的叠合比为0.3.两种叠合柱的计算结果见下表.叠合柱与钢筋混凝土柱的截面面积比为0.546.
管外,内混凝土管外,内混凝土轴压比
叠合柱的
面积比分担的轴力比钢筋混凝土钢管混凝土
同期0,467:0,5330.232:0.7680,7660.67 不同期
0,467:0,5330.162:0.8380,5360,73 (转自《建筑结构》2006年3月副刊) 《岩土锚杆(索)技术规程》CECS22:2005的勘误
由中冶集团建筑研究总院主编的《岩土锚杆(索)技术规程》CECS22:2005条文第9.4.6条第
一
款修改如下:
误正
拉力型锚杆最大试验荷载所测得的总位移量,应当超拉力型锚杆最大试验荷载所测得的弹性位移量,应当超
过……过……
《岩土锚杆(索)技术规程》编制组
《工程建设标准化=}2006年第4期