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摘要：本文結合工程實例，介紹了鋼管混凝土結構的特點，著重分析了柱腳節點、梁柱節點以及與普通混凝土柱的連接等，指出了設計中應注意的細節。結構體系的選擇、實用的節點設計，為鋼管混凝土結構的應用提供了很好的參考價值。...

鋼管混凝土結構在廈門檢驗檢疫綜合實驗樓工程中的應用

蘇永文

(炎黃聯合建筑設計有限公司廈門分公司  361004)

一、前言

    鋼管混凝土(CFST)結構具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能優越、耐火耐腐蝕性能較好、截面尺度小等特點，被廣泛的應用于建筑領域。

    20世紀印年代之前，鋼管混凝土結構的研究對象主要是圓鋼管混凝土結構。從60年代后半期以后，開始比較系統地研究矩形鋼管混凝土結構。目前，圓鋼管混凝土結構的研究已經取得了豐碩的成果，很多國家制定了相應的設計和施工規范或規程，如歐洲標準EC4(1996)、德國標準DINl8800(1997)、美國標準ACl319—89、SSLC(1979)和LRFD(1997)、日本標準 AIJ(1980，1997)。我國鋼管混凝土結構技術的開發和應用已有40多年的歷史。l966年鋼管混凝土結構應用于北京地鐵車站工程，70年代又在單層工業廠房、重型構架中得到了成功的應用。近20年來，隨著國家經濟的迅猛發展，鋼管混凝土結構在我國的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成效地應用，推動了建造技術的發展。

    本文結合鋼管混凝土結構在廈門檢驗檢疫綜合實驗樓工程中的應用，通過分析比較，說明了鋼管混凝土結構的優點，并提出了實用的節點設計，供工程技術人員參考。

二、工程概況

    廈門檢驗檢疫綜合實驗樓位于廈門東渡路與金鼎路交界處南側，系集停車、報驗、會議、辦公、實驗于一體的一類高層綜合樓，總用地面積2968.02㎡，總建筑面積24048.51㎡m，地上二十三層，地下一層，總高度為90.4m。

三、結構選型

    結構設計應對結構選型、結構體系、平面布置、基礎形式等從適用、安全、抗風、抗震、經濟、施工方便以及采用新結構和新技術等各方面進行綜合分析，選用經濟合理的方案，使整個結構有足夠的承載力、剛度和延性。

    本工程結構選型為框架——筒體結構體系，結合建筑平面特點利用東西兩側樓梯、電梯井形成有較強抗側能力的落地筒體，兩筒體之間布置柱距較大的框架結構，為建筑提供了靈活布置的大空間。這樣既能夠滿足建筑功能要求，又能夠有效地控制結構位移。

四、鋼管混凝土柱的應用

    (一)柱結構形式的分析比較

    由于建筑設計中框架柱均采用圓柱，且從建筑使用功能及美觀實用考慮，要求對柱截面尺寸嚴格控制，盡可能減小柱截面。在建筑結構中應用比較普遍的柱結構形式主要有鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱和鋼柱等。衡量一種柱構件技術上的優越性可以總體上從考察以下幾個指標來進行，即構件截面尺寸和自重、抗震性能、耐火性能、施工性能以及經濟性能等。在設計過程中，我們對常用的柱結構形式進行了分析。表1給出了常見柱結構形式的性能比較情況。經比較，本工程選用了圓鋼管混凝土柱。

    (二)鋼管混凝土結構設計

    本工程設計中，十層以下采用鋼管混凝土柱，十層以上采用普通鋼筋混凝土柱。鋼管混凝土柱外徑Φ900mm/l～ΦlOOOmm，鋼管壁厚為l3mm-18mm。鋼管混凝土柱設計中的主要難點是節點的設計，以下是本工程中的幾種主要節點形式。

    1、柱腳節點

    鋼管混凝土柱腳與基礎的連接，分插入式和端承式兩種。應用錨栓連接鋼管混凝土柱與基礎的端承式節點，由于克服了插入式節點影響基礎鋼筋布置的缺點，且構造簡單，傳力明確，為本工程所選用。

    本工程的基礎形式為大直徑人工挖孔樁，單柱單樁，樁徑為1400mm～1800mm。在柱腳節點設計上，采用二次澆筑的方式將鋼管埋人人工挖孔樁內，使其緊密連接。承臺也設計成環形，類似于上部梁柱節點中柱采用的環梁，有效的銜接樁基、鋼管混凝土柱以及基礎梁。具體施工步驟：

    (1)將人工挖孔樁澆筑至樁頂標高以下l950mm處，在此處應做好錨栓及加強筋預埋；(2)鋼管就位，鋼管底端與第一次澆筑面留出450mm的間隙，以保證施工縫處混凝土結合緊密，且確保鋼管外側人工挖孔樁的澆筑密實；(3)澆筑混凝土至人工挖孔樁頂；(4)制作承臺及地下室底板鋼筋，澆注承臺及底板混凝土。

    2、梁柱節點

    梁柱節點極為重要，作為傳遞彎矩以及剪力的紐帶，其設計應滿足框架節點抗震設計原則，即“強剪弱彎，強柱弱梁，節點更強”。

    本工程梁柱節點形式為現澆鋼筋混凝土梁一鋼管混凝土柱節點，這也是我國大多數鋼管混凝土結構工程采用的節點形式：近幾年，建設部、建材總局和能源部先后頒布了鋼管混凝土結構設計與施工規程，并提供了幾種典型的鋼管混凝土柱節點形式及構造措施。許多結構工程師也根據自己的工程經驗和實際情況創造并設計出許多新型節點，面臨節點型式多樣化的現狀。

    常用的梁柱節點形式有環梁一鋼承重銷式和穿筋式兩種。對于中柱節點，框架梁內力較大，配筋多，采用穿筋式將對鋼管受力性能造成的嚴重破壞，顯然是不合適的。而邊柱節點框架粱內力內力較小，配筋少，則適合采用穿筋式。

    常用的環梁一鋼承重銷式又分為單梁式、雙梁式、單雙梁式三種。參考相關文獻[3]分析：(1)在低周反復荷載作用下，三種型式節點的破壞均為梁端的剪切破壞和彎曲破壞，節點滿足強柱弱梁、強節點弱構件的抗震要求，具有良好的抗震性能。(2)節點的實際最大抗彎能力與計算抗彎能力之比均大于1，節點的強度滿足要求。單梁節點和單雙梁節點的轉角位移較小，節點的抗彎模量較大，節點為剛性節點，且有一定的耗能能力。雙梁節點的延性很好，但剛性性能相對較差。(3)地震模擬振動臺試驗顯示，在地震荷載作用下，采用單梁節點的CFST柱框架結構的變形以剪切變形為主，層間位移、節點的角位移均滿足規范要求，理論計算值與試驗數據基本一致，結構整體抗震性能良好。三種型式的節點均可供設計時使用，其中單梁節點的綜合性能最佳，且施工最方便，節點區混凝土用量最省。

    本工程中柱節點采用單梁穿心鋼牛腿加環梁的型式，牛腿是由三塊鋼板焊接而成的工字型鋼，為了便于鋼  管內混凝土的澆注，穿入管內的牛腿翼緣寬度逐漸減小至無翼緣。梁縱筋錨入環梁，梁的彎矩和剪力由環梁通  過鋼牛腿傳給鋼管混凝土柱。在設計鋼牛腿時，要保證剛牛腿的抗彎和抗剪承載力分別高于鋼筋混凝土梁的抗彎及抗剪承載力。

    本工程中柱節點采用梁端局部加寬的穿筋式，并設置鋼牛腿增強節點剛度。邊柱由于受到建筑造型的限制，無法采用環梁節點。考慮到邊梁承受的荷載較小，配筋相對較少，采用大直徑鋼筋，減少鋼筋數量，梁角筋由鋼管外繞過，其余鋼筋通過鋼管上預留孔直接穿入鋼管內。由于鋼筋繞行對彎矩及剪力傳遞產生的削弱，則通過設置小型鋼牛腿來解決。小型鋼牛腿宜設于梁底，部分梁底筋可焊在鋼牛腿上，減少穿入鋼管的鋼筋數量，也就減少了對鋼管的削弱，為了補償鋼管混凝土柱由于鋼管上開孔造成的局部截面削弱，該處應適當加設加勁肋或內襯鋼管，以傳遞鋼管混凝土柱內力。

    3、鋼管混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱連接處節點

    隨著荷載遞減，在十層處普通鋼筋混凝土柱的截面尺寸已能滿足建筑設計要求，設計中就在此樓層將鋼管混凝土柱轉換為普通鋼筋混凝土柱。此節點設計上，應保證上下柱鋼筋(鋼管)的連接，并注意鋼筋(鋼管)延續性對避雷設計的重要性。

    鋼管混凝土柱的防火設計也應注意。由于我國還沒有制定針對鋼管混凝土結構的防火規定，對于已經建成的鋼管混凝土結構，有的采用鋼筋混凝土結構的要求外包混凝土，有的按照鋼結構的要求涂防火材料，都沒有統一規定和科學的依據。本工程中采用的是在鋼管外做一道封閉的固定于鋼管外壁的鋼絲網，再噴射50厚C25細石混凝土。

    廈門檢驗檢疫綜合實驗樓2001年設計，2002年開始施工，2005年竣工并投入使用。使用至今情況良好，獲得業主的好評。并于2006年獲福建省優秀勘察設計獎。

五、小結

    1、鋼管混凝土結構具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能優越、耐火耐腐蝕性能較好、截面尺度小等特點，隨著高層建筑的迅速發展，以及施工工藝的不斷提高，鋼管混凝土柱在房屋結構中的應用將越來越廣泛。

    2、節點的設計和施工是鋼管混凝土結構技術中的重點、難點。在工程應用中應認真分析比較，正確選用節點形式，做到受力明確、施工簡便。本文中對柱腳節點、梁柱節點以及與普通混凝土柱連接節點等作了分析對比，并提出了實用的節點設計，供工程技術人員參考。

參考文獻:

[1]．中國工程建設標準化協會．鋼管混凝土結構設計與施工規程(CECS28：90)[s]．北京：中國計劃出版社，l990

[2]．國家建筑材料工業局．鋼管混凝土結構設計與施工規程(JCJ01—89)[s]．上海：同濟大學出版社，l989

[3]．鐘善桐．鋼管混凝土結構[M]．哈爾濱：黑龍江科技出版社，l994

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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