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摘要：本文結(jié)合工程實例，介紹了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點，著重分析了柱腳節(jié)點、梁柱節(jié)點以及與普通混凝土柱的連接等，指出了設(shè)計中應(yīng)注意的細節(jié)。結(jié)構(gòu)體系的選擇、實用的節(jié)點設(shè)計，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了很好的參考價值。...

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在廈門檢驗檢疫綜合實驗樓工程中的應(yīng)用

蘇永文

(炎黃聯(lián)合建筑設(shè)計有限公司廈門分公司  361004)

一、前言

    鋼管混凝土(CFST)結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能優(yōu)越、耐火耐腐蝕性能較好、截面尺度小等特點，被廣泛的應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。

    20世紀印年代之前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究對象主要是圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。從60年代后半期以后，開始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。目前，圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，很多國家制定了相應(yīng)的設(shè)計和施工規(guī)范或規(guī)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(jié)構(gòu)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用已有40多年的歷史。l966年鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于北京地鐵車站工程，70年代又在單層工業(yè)廠房、重型構(gòu)架中得到了成功的應(yīng)用。近20年來，隨著國家經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)用，推動了建造技術(shù)的發(fā)展。

    本文結(jié)合鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在廈門檢驗檢疫綜合實驗樓工程中的應(yīng)用，通過分析比較，說明了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，并提出了實用的節(jié)點設(shè)計，供工程技術(shù)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(cè)，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(jié)構(gòu)選型

    結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)對結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)體系、平面布置、基礎(chǔ)形式等從適用、安全、抗風、抗震、經(jīng)濟、施工方便以及采用新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)等各方面進行綜合分析，選用經(jīng)濟合理的方案，使整個結(jié)構(gòu)有足夠的承載力、剛度和延性。

    本工程結(jié)構(gòu)選型為框架——筒體結(jié)構(gòu)體系，結(jié)合建筑平面特點利用東西兩側(cè)樓梯、電梯井形成有較強抗側(cè)能力的落地筒體，兩筒體之間布置柱距較大的框架結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)位移。

四、鋼管混凝土柱的應(yīng)用

    (一)柱結(jié)構(gòu)形式的分析比較

    由于建筑設(shè)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(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較普遍的柱結(jié)構(gòu)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(gòu)件技術(shù)上的優(yōu)越性可以總體上從考察以下幾個指標來進行，即構(gòu)件截面尺寸和自重、抗震性能、耐火性能、施工性能以及經(jīng)濟性能等。在設(shè)計過程中，我們對常用的柱結(jié)構(gòu)形式進行了分析。表1給出了常見柱結(jié)構(gòu)形式的性能比較情況。經(jīng)比較，本工程選用了圓鋼管混凝土柱。

    (二)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

    本工程設(shè)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(shè)計中的主要難點是節(jié)點的設(shè)計，以下是本工程中的幾種主要節(jié)點形式。

    1、柱腳節(jié)點

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

    本工程的基礎(chǔ)形式為大直徑人工挖孔樁，單柱單樁，樁徑為1400mm～1800mm。在柱腳節(jié)點設(shè)計上，采用二次澆筑的方式將鋼管埋人人工挖孔樁內(nèi)，使其緊密連接。承臺也設(shè)計成環(huán)形，類似于上部梁柱節(jié)點中柱采用的環(huán)梁，有效的銜接樁基、鋼管混凝土柱以及基礎(chǔ)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(yīng)做好錨栓及加強筋預(yù)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(jié)合緊密，且確保鋼管外側(cè)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(jié)點

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

    本工程梁柱節(jié)點形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁一鋼管混凝土柱節(jié)點，這也是我國大多數(shù)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)工程采用的節(jié)點形式：近幾年，建設(shè)部、建材總局和能源部先后頒布了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程，并提供了幾種典型的鋼管混凝土柱節(jié)點形式及構(gòu)造措施。許多結(jié)構(gòu)工程師也根據(jù)自己的工程經(jīng)驗和實際情況創(chuàng)造并設(shè)計出許多新型節(jié)點，面臨節(jié)點型式多樣化的現(xiàn)狀。

    常用的梁柱節(jié)點形式有環(huán)梁一鋼承重銷式和穿筋式兩種。對于中柱節(jié)點，框架梁內(nèi)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(jié)點框架粱內(nèi)力內(nèi)力較小，配筋少，則適合采用穿筋式。

    常用的環(huán)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(guān)文獻[3]分析：(1)在低周反復(fù)荷載作用下，三種型式節(jié)點的破壞均為梁端的剪切破壞和彎曲破壞，節(jié)點滿足強柱弱梁、強節(jié)點弱構(gòu)件的抗震要求，具有良好的抗震性能。(2)節(jié)點的實際最大抗彎能力與計算抗彎能力之比均大于1，節(jié)點的強度滿足要求。單梁節(jié)點和單雙梁節(jié)點的轉(zhuǎn)角位移較小，節(jié)點的抗彎模量較大，節(jié)點為剛性節(jié)點，且有一定的耗能能力。雙梁節(jié)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(jié)點的CFST柱框架結(jié)構(gòu)的變形以剪切變形為主，層間位移、節(jié)點的角位移均滿足規(guī)范要求，理論計算值與試驗數(shù)據(jù)基本一致，結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好。三種型式的節(jié)點均可供設(shè)計時使用，其中單梁節(jié)點的綜合性能最佳，且施工最方便，節(jié)點區(qū)混凝土用量最省。

    本工程中柱節(jié)點采用單梁穿心鋼牛腿加環(huán)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(nèi)混凝土的澆注，穿入管內(nèi)的牛腿翼緣寬度逐漸減小至無翼緣。梁縱筋錨入環(huán)梁，梁的彎矩和剪力由環(huán)梁通  過鋼牛腿傳給鋼管混凝土柱。在設(shè)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(jié)點采用梁端局部加寬的穿筋式，并設(shè)置鋼牛腿增強節(jié)點剛度。邊柱由于受到建筑造型的限制，無法采用環(huán)梁節(jié)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(shù)量，梁角筋由鋼管外繞過，其余鋼筋通過鋼管上預(yù)留孔直接穿入鋼管內(nèi)。由于鋼筋繞行對彎矩及剪力傳遞產(chǎn)生的削弱，則通過設(shè)置小型鋼牛腿來解決。小型鋼牛腿宜設(shè)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(shù)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(yīng)適當加設(shè)加勁肋或內(nèi)襯鋼管，以傳遞鋼管混凝土柱內(nèi)力。

    3、鋼管混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱連接處節(jié)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(shè)計要求，設(shè)計中就在此樓層將鋼管混凝土柱轉(zhuǎn)換為普通鋼筋混凝土柱。此節(jié)點設(shè)計上，應(yīng)保證上下柱鋼筋(鋼管)的連接，并注意鋼筋(鋼管)延續(xù)性對避雷設(shè)計的重要性。

    鋼管混凝土柱的防火設(shè)計也應(yīng)注意。由于我國還沒有制定針對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的防火規(guī)定，對于已經(jīng)建成的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，有的采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要求外包混凝土，有的按照鋼結(jié)構(gòu)的要求涂防火材料，都沒有統(tǒng)一規(guī)定和科學(xué)的依據(jù)。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(wǎng)，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(shè)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(yè)主的好評。并于2006年獲福建省優(yōu)秀勘察設(shè)計獎。

五、小結(jié)

    1、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能優(yōu)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(fā)展，以及施工工藝的不斷提高，鋼管混凝土柱在房屋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用將越來越廣泛。

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

參考文獻:

[1]．中國工程建設(shè)標準化協(xié)會．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程(CECS28：90)[s]．北京：中國計劃出版社，l990

[2]．國家建筑材料工業(yè)局．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程(JCJ01—89)[s]．上海：同濟大學(xué)出版社，l989

[3]．鐘善桐．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[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(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  尚雯瀟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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