钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱的技术经济比较分析

钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱的技术经济比较分析

何波

何波

广东城建达设计院有限公司

摘要：随着经济发展水平的不断提高，现代建筑工程对建筑材料和建筑结构的要求越来越高，人们对高层建筑使用空间的要求也越来越高，如何在保证结构安全合理的前提下，进一步实现使用空间的最大化、节约经济成本的目的。接下来本文将对钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱的技术经济进行合理的分析，为今后的建筑结构设计提供一个合理的价值参考。

关键词：钢管混凝土柱；钢管混凝土叠合柱；受力特性；技术经济；比较分析

引言

随着城市建设的不断加快，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，柱的轴力大，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，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，结构设计中可使用钢管混凝土柱和钢管混凝土叠合柱来代替普通钢筋混凝土柱，由于其承载力高，抗震性能好，柱的截面可以大大缩小，因此，高度较大的高层建筑很多都采用钢管混凝土柱和钢管混凝土叠合柱。下面对于钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱在高层建筑当中的应用和各自受力特点，进行分析与比较。再结合工程实例，通过分析两种结构方式的优点，来提出最佳的使用方案，实现实用性与经济性的双重价值。

一、钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱各自的结构受力特性

（一）、钢管混凝土柱的结构受力特性

（1）受力合理，能充分发挥混凝土与钢材的特长，从而使构件的承载能力大大提高。对混凝土来说，由于钢管的约束，改变了受力性能，变单向受压为三向受压，使构件抗压承载力提高显著。从另一方面而言，对于同样的负荷，钢管混凝土构件的断面将比钢筋混凝土构件显著减小。对钢管来说，薄壁钢构件对于局部缺陷特别敏感，由于混凝土充填了钢管，保证了薄壁钢管的局部稳定，使其弱点得到了弥补。

（2）具有良好的塑性性能。混凝土是脆性材料，混凝土的破坏具有明显的脆性性质。而钢管混凝土结构中，由于核心混凝土是处于三向约束状态，约束混凝土与普通混凝土不同，不仅改善了使用阶段的弹性性质，而且在破坏时产生很大的塑性变形，钢管混凝土柱的破坏，完全没有脆性特征，属于塑性破坏。

（3）施工简单，缩短工期。钢管本身就是模板，因此比钢筋混凝土构件省去了模板。钢管本身既是纵筋又是箍筋，这样便省去了模板及钢筋的制作安装工作。

（4）能获得了很好的经济效益。与钢筋混凝土结构相比，大约可减少混凝土量的一半，而用钢量也减少，减少了结构占地面积，取得了显著的经济效果。（5）具有良好的抗震性能。由于结构自重大大减轻，这对减小地震作用大为有利。结构具有良好的延性，这在抗震设计中是极为重要的。

尽管钢管混凝土结构的优点很多，但是由于它自身的特性决定了它尚存在的一些弊端，比如在节点连接构件上处理较复杂，施工难度较大，具体如下：a.当钢管混凝土柱与混凝土梁连接时，就必须借助于柱上的牛腿和加强板。如果与柱连接的梁较多且不在同一标高时，就会有许多的牛腿和加强板。如果采用明牛腿可能在美观上会受到影响。如果用暗牛腿，又会或多或少地给浇灌混凝土带来不便，影响施工进度。b.为了能够充分发挥钢管混凝土的承载力，钢管混凝土的连接应尽可能地将连接力可靠地传递到核心混凝土上。常采用柱顶盖板、柱脚底板和层间隔板、穿心板等来实现。当然前提条件必须是应保证管内混凝土的密实，做到这一点也是不易的。

（二）、钢管混凝土叠合柱的的结构受力特性

钢管混凝土叠合柱是由截面中部的钢管混凝土柱和钢管外的钢筋混凝土叠合而成的柱。钢管外的钢筋混凝土可以滞后（不同期）浇筑，也可以和管内混凝土同期浇筑（但可以用不同的强度等级）。叠合柱的核心部分设置钢管混凝土柱，让它承受总轴力的约3/4，并提供主要抗剪承载力；外围混凝土仅承担总轴力的1/4左右，让它的轴压比小，变形能力大，并承受截面上的大部分弯矩。

在高层重载柱设计时，增强柱子承载能力和抗震性能的主要理念和方法有：1）强化，采用高强高性能建筑材料；2）组合，将不同材料组合到一个构件中，取长补短；3）约束，通过对材料间的相互约束，或对弱性材料的约束改善其性能；4）叠合，使内力在截面中的分布更趋合理，从而增强其抗力和延性。钢管混凝土叠合柱兼容并蓄了以上四种增强理念，优化配置各种成柱材料，充分地发掘其潜力，大幅度减小柱断面。

叠合柱设计理念正是综合利用以上四种（强化、组合、约束、叠合）增强手段，使各种材料合理巧妙地组合于一个构件之中，实现优化配置。因此钢管混凝土叠合柱抗压、抗剪、抗弯、抗扭强度大，抗震、抗火、抗爆、抗冲撞性能好，而且截面积比普通混凝土柱明显减小、施工方便、取得了显著的经济效果。

二、钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱的技术经济比较分析

下面结合工程实例，对于钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱在高层建筑当中的应用和技术经济条件，进行分析与比较。通过分析两种结构方式的优点，来提出最佳的使用方案，实现实用性与经济性的双重价值。

实例：江门市某酒店，地下2层，地上27层，99.0米，51200㎡，底部大空间，3层框支转换，应用型钢混凝土梁解决大跨度转换梁的结构设计问题，但是工程经济性及使用空间的合理性却遭受考验，框支柱的尺寸直接影响首二层酒店大堂空间舒适性。下面为框支框架部分的主要结构形式和弯矩图：

其中框支柱A，抗震等级一级，轴力N=32500，弯矩M=3800.下面对框支柱A选用几种结构形式进行试算分析：

根据以上试算结果，可知：第一种：钢筋混凝土柱，尺寸最大，用钢量及砼量也最大，轴向受压承载力最小，三种方案中最不经济；第二种：钢管混凝土柱，用钢量及砼用量最小，轴向受压承载力较大，三种方案中最经济，但施工中节点处理较复杂，抗弯能力一般，另需做防火涂层；第三种：钢管混凝土叠合柱，用钢量及砼用量较小，轴向受压承载力最大，施工难度不大，节点构造简单可靠，抗弯能力及防火性能好。

本工程最终选择第三种方案钢管混凝土叠合柱，主要考虑到该方案：柱尺寸较小，受压承载力最大，抗弯及防火性能好，而且与本工程中转梁型钢混凝土梁节点构造较易处理。

结语：通过本文的研究发现，钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱在建筑材料的选择方面，各自有各自的优势所在，那么为了更好地去节约建筑成本可以针对于具体建筑物的施工要求，来合理的去选择钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱的使用，这样既保证了建筑物的质量，同时又进一步节约了成本。希望通过本文的研究，可以在钢管混凝土柱与钢管混凝土叠合柱的使用方面，为今后的建筑施工的提供科学的借鉴。

参考文献：

[1]GB50017-2003版.钢结构设计规范[S].北京：中华人民共和国建设部，2003.

[2]CECS188：2005钢管混凝土叠合柱结构技术规程[M].北京：中国工程建设标准化协会，2005.

[3]GB50936-2014.钢管混凝土结构技术规范[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2014.

[4]韩林海.钢管混凝土结构理论与实践[M].北京：科学出版社，2011.2.

[5]周学军，王郭强.钢与混凝土组合结构设计与施工[M].山东：山东科学技术出版社，2013.3.

[6]李鹏.钢管高强混凝土核心柱受压性能试验与理论研究[D].浙江：浙江大学建筑工程学院，2015.3