钢管混凝土叠合柱的设计和施工方法研究1

福建农林大学金山学院本科毕业论文

论文题目：钢管混凝土叠合柱的设计和施工方法研究

学 院：___ 金山学院____ _ _ _ 专业年级：__ 土木工程 2008级____ 学 号：__ 082236108___ _ 姓 名：____ _ 李东海_____ __ _ 指导教师、职称：___ 廖飞宇 讲师___ _

2012年 5 月

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Steel pipe concrete laminated column design and

construction method of

College： Golden Hill College Specialty and Grade：Civil Engineering2008 Number： 082236108 Name： li dong hai Advisor： lecturer. Liao Fei-yu Submitted time: May,2012

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目 录

摘要????????????????????????????????????1 Abstract??????????????????????????????????1 1 引言??????????????????????????????????2 2 钢管混凝土叠合柱力学特性与优缺点????????????????????4 2.1钢管混凝土叠合柱力学特性????????????????????4 2.2 钢管混凝土叠合柱在普通结构中应用的优点?????????????????6 2.3 钢管混凝土叠合柱在高层建筑中应用的优点?????????????????6 2.4 相比其它类型构件????????????????????????????8 2.5 钢管混凝土叠合柱的缺点 ????????????????????????8 2.6 钢管混凝土叠合柱研究现状文献综述???????????????????10 3 钢管混凝土叠合柱的施工方法?????????????????????? 11 3.1 钢管混凝土叠合柱柱管制作??????????????????????? 11 3.2 钢管混凝土叠合柱柱管安装??????????????????????? 12 3.3 钢筋混凝土梁柱与钢管混凝土叠合柱连接技术 ??????????????? 15 3.4 混凝土施工?????????????????????????????? 18 3.5 钢管混凝土叠合柱施工方法现状文献综述??????????????????19 4 结束语?????????????????????????????????19 参考文献?????????????????????????????????20 致谢 ???????????????????????????????????22

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钢管混凝土叠合柱的设计和施工方法研究

摘要:钢管混凝土叠合柱是由截面中部钢管混凝土和钢管外侧钢筋混凝土叠合而成的

柱,它具有强化（采用高强高性能建筑材料）、组合（将不同材料组合到一个构件中）、约束（通过对材料间的相互约束、或对弱性材料的约束改善性能）、叠合（使内力在截面中的分布更趋合理、增强抗力与延性）四种增强理念,通过有效组合增强结构承载能力和抗震性能,适用于我国非抗震和抗震地区的建筑结构,尤其是抗震设防地区的高层建筑, 且截面积比普通混凝土柱明显减小, 是一种具有广阔发展前景的结构体系。

关键词： 钢管混凝土叠合柱 高强混凝土 施工 分析

Abstract: Concrete steel tube composite columns is composed of concrete filled steel tube and steel tube outer central section reinforced concrete superposed column, it is aggrandizement ( using high performance building materials ), combination of different materials into a member ), bound ( through the material between the mutual constraint, or weak material confinement improving performance ), laminated ( the internal force in the cross section of a more reasonable distribution, strengthen the resistance and ductility ) four reinforced concept, through effective combination of reinforced structure bearing capacity and seismic behavior, applicable to our country non seismic and aseismic areas of the building structure, especially the high-rise building in the region of seismic fortification, and cross-sectional area than ordinary concrete is obviously reduced, is a broad development prospects of the structure system.

Key words: Concrete steel tube composite columns High strength concrete Construction Analysis

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1 引言

钢管混凝土叠合柱(简称叠合柱) 于1995年首次在沈阳日报大厦地下室工程中应用 ，使自支护半逆作法施工地下室获得成功。1996年，辽宁省邮政枢纽工程采用叠合柱，成为第一幢采用钢管混凝土叠合柱结构的高层建筑 。经过10年的深化研究，叠合柱结构体系已在国内不少高层或地下工程中获得应用[1]，如某市的地铁车站，地下4层，地上16层，以叠合柱具有良好的抗震、抗火、抗爆、抗冲撞性能以及有利于自支护、半逆作法施工的优点加以应用。清华大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学等单位进行了大量的结构性能试验，使这种结构日趋成熟，已成为我国自主开发的一种结构体系。由清华大学和辽宁省建筑设计研究院主编的《钢管混凝土叠合柱技术规程(CECS188 :2005)

[2]

(简称《规程》) 已于2005年11月1日颁布施行。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(图1) 。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。外围混凝土中的纵筋尽量以直径粗且根数少的方式布置于截面的角区，主筋和箍筋还应满足外围混凝土的最小配筋率要求。

(a)

(b)

图1 叠合柱截面

《规程》应用之初，有的技术人员对该种结构体系的技术经济性掌握不好，对施工的难易程度也不甚理解。几年来的试点工程表明，只要合理组织，这种结构的施工并不复杂，节点构造也很简单可靠，和普通混凝土柱比较，由于后叠合部分的施工不占主导工期，整体施工进度要快，梁钢筋的绑扎和定位精度高。至于柱本身的技术经济性，与普通混凝土柱比较，首先表现在可以明显减小柱断面上，建筑自重减轻，水泥用量减少，建设

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能耗降低;其次两者总用钢量基本持平或略有增加;与相同荷载相同断面的型钢混凝土柱比较，用钢量要少得多。几年来，随着高强高性能混凝土的推广应用和高强厚壁直缝埋弧焊管的大量供应，使叠合柱的设计可以做到更加先进合理、更加经济。尤其是C80级以上高强、高弹性模量、高施工性能的超高强混凝土的应用，更使叠合柱的优越性得以充分发挥。表1列举了沈阳市已成功建成并采用C100级混凝土的几个工程实例，均由一般土建施工队伍施工。这些工程大都是通过商业开发投资修建，每个工程都要和业主一起作详细的技术经济论证，让业主心服口服。当然，分析论证时一定要全面，不仅针对柱本身的造价，还要考虑到柱表面积减少引起的装修造价的降低，考虑到增加使用面积引起的综合效益等，如表1中第5项东大科技楼工程由于柱断面由1m ×1m减为0.16m ×0.16m，使每个标准教室都能增设一列固定坐席;在地下车库中由于柱断面减少，使柱间停车位由2个增加到3个等。

付表1 沈阳市采用C100级钢管混凝土叠合柱的工程 序工程名地上层数 主体结构情况 备注 号 称 高度(m) 建筑面积(万m2 ) 1 沈阳富 林广场 30 125 810 框架筒体结构，外框柱间距层8 以上为415m ，层8 以下转换为9m ，采用框支叠合柱 28 地下室逆作法，9611 从地下层2 到地2143 上层5为框支层， 用叠合柱，地上层6 以上为剪力墙结构 28 大底盘上设双塔89145 楼，塔楼为剪力511 墙结构，底部4 层大底盘采用框支叠合柱 主塔40，副塔34 框架2筒体结构， 主塔180，副塔塔楼均用叠合148 柱，最大柱边长1918 由1 600减为1 200 16 框剪结构，带有4 6611 个中庭，600 ×600 3199 组合柱， 2001年完成叠合柱施工， 为我国第一次在钢管内采用C100自密实混凝土 2 沈阳远 吉大厦 2002年完成叠合柱施工， 2005年建成使用 3 沈阳贵 和回迁 楼 2002年完成叠合柱施工， 2005年建成使用 4 沈阳万 鑫大厦 2005年完成叠合柱施工， 2006年结构封顶， 为沈阳市目前最高建筑 5 东北大 学科技 楼 2005年完成叠合柱施工， 2006年上半年结构封 顶，2007年5月建成使用 3

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注:钢管外混凝土均为C60。钢管内混凝土除工程1为C90(设计) ，C100(施工)外，其余工程均为C100。

表1中的几个已建成实例均是在管内采用C100级混凝土，在管外采用C60级混凝土，一般柱断面的边长可减少400～600mm，还有许多工程管内采用C80，管外用C60混凝土，也取得了很好的经济效益。辽宁省个别偏远地区的工程，管内用C60，管外用C40混凝土，也比全用C40级混凝土柱断面明显缩小。

2 钢管混凝土叠合柱的力学特性与优缺点

2.1钢管混凝土叠合柱的力学特性

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，大幅度减小成柱断面。

2.1.1 强化

提高建筑材料的材质。目前我国已能生产高强(Q345~ Q410级钢材)、厚壁( 最厚可达40~ 60mm)的结构用直缝埋弧焊管，比早期使用的Q235、壁厚12mm的螺旋卷管有了长足的进步，对管内混凝土可以提供更大的套箍指标;在混凝土材料方面，高强、高弹性模量、可泵送、低收缩、低徐变、适量早强的混凝土研制成功，特别是有的高强混凝土的后期强度仍有一定的增长，可以抵消由于徐变和材料的非线性引起的不良影响。由于叠合柱的特点在于其轴压承载力主要来自性价比较高的混凝土，而不主要靠钢材，这是它在经济上优于其它钢和混凝土组合柱结构的原因所在。将超高强混凝土用于钢管之中，可以抑制其自身性能缺点，充分发挥高强的特点，用量又少，是超高强混凝土工程应用的最佳场合。辽宁地区已有20多幢高层建筑在管内采用C80~ C100级自密实混凝土， 其配制材料已成功实现国产化[3]。

2.2.2 组合

叠合柱基本上是钢和混凝土的组合，主要靠混凝土承受轴压力。钢管内用的是高强素混凝土( 如C60~ C100级)，钢管外用的是一般强度的钢筋混凝土( 如C40~ C60级)。叠合柱基本上属于混凝土结构，但由于不同材料在截面上组合时的分布位置合理，使核心混凝土和核心钢管一起主要起抗压和抗剪作用，外围混凝土和外围钢筋起部分抗压， 但主要起抗弯作用。钢管主要起套箍约束作用，用量较少，用钢量远远低于同样荷载的 型钢混凝土柱和钢管混凝土柱。

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2.3.3 约束

通过钢管约束管内素混凝土，提高其轴压承载力和塑性，又通过管外钢筋混凝土约束核心区的钢管混凝土，可充分利用钢管混凝土的短柱轴压承载力。管外钢筋混凝土对核心钢管混凝土的约束增强作用。管外钢筋混凝土的设置，一方面使钢管壁不会或推迟发生向外屈曲，提高钢管壁的轴压极限强度，同时由于管壁的增强，使之对管内混凝土的约束作用增强;另一方面管外钢筋混凝土的存在，整体上提高了核心钢管混凝土的受压稳定性和偏压时减小由于偏心距对轴压强度的折减。一般钢管混凝土柱的承载力设计值为其短柱的轴压承载力设计值乘以U1(考虑长细比影响的承载力折减系数)和Ue(考虑偏心率影响的承载力折减系数)。只当柱的长细比4时，U1才等于110，当长细比>4以后，U1 急剧减少。Ue的折减也很快。试以一个<508的钢管混凝土柱为例，其计算长度为412m，则U1=0176;当偏心距e=100mm时，Ue=0170，U1/Ue=0176@017=01532[4]，也就是说有接近一半(47%)的短柱承载力被折减掉了。所以工程界曾有一种议论，认为钢管混凝土不适用于荷载很轻、弯矩较大的柱，管内也不必用强度等级大的混凝土，就是因为荷载过小时，选的管径不能过小，致使其短柱承载力未能发挥。叠合柱结构是钢筋混凝土结构，柱子的稳定性宜按钢筋混凝土柱考虑，只当长细比>8时才进行承载力折减，当柱中钢管居中时，外围混凝土承受主要弯矩，也无需进行Ue折减。因此只要控制好叠合柱的尺寸(实际工程中很容易做到长细比8)，其核心钢管不论尺寸大小，其短柱的轴压承载力可以充分加以利用。叠合柱具有多重约束作用:钢管壁约束管内混凝土，钢管内、外混凝土约束钢管壁，管外钢筋混凝土又对核心钢管混凝土构成整体约束。在这种相互多重约束下，改善了各种材料的应力状态和工作条件，使叠合柱中各种材料的优点和性能都可以充分发挥出来。

2.4.4 叠合

利用时间差进行截面优化组合，达到竖向轴向力的合理分配。混凝土理论证明[5]，柱子的抗震延性控制，实质上是控制柱子在设计阶段(小震组合)的压应变值不应过大;无论普通混凝土柱或组合柱，在偏压破坏时的最大压应变均发生在截面的边缘，大震时当边缘混凝土的压应变超过极限压应变值(01003~010033)时，则产生压溃现象，导致截面破坏[6]。叠合理念是设法改变设计阶段轴力在截面上的分布，减小外围混凝土的边缘压应变值，使之与极限压应变值相差更大， 达到增加截面的转动变形能力，增加延性，并可适当减小柱外围的截面积。而核心区的钢管混凝土没有控制轴压比的要求，则通过叠合可分担到更多的轴力，可充分利用其短柱的承载力。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。在具体操作时，每个工程的优化目标可以不同，如有的追求造价最低，有的追求断面最小，有的局限于用当地材料搞优化设计(如利用当地现行的混凝土强度等级和可购到的钢管规格型号等)。这就要求在设计过程中因地制宜地控制调整好各种设计参数，总是能达到相对最优的目标。

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2.2 钢管混凝土叠合柱在普通结构中应用的优点

2.2.1 承载力大大提高

经有关专家实验和理论分析证明钢管混凝土叠合结构受压构件强度承载力可以达到钢管和混凝土单独承载力之和的1.7~2.0倍。

2.2.2 有良好的塑性和抗震性能

据有关实验数据表明:钢管混凝土轴向压缩到原长的2/3构件表面已褶曲，但仍有一定的承载能力，可见塑性之好。在压弯剪循环荷载作用下，水平力与位移之间的滞回曲线十分饱满，吸能能力很好，基本无刚度退化，抗震性能大大优越于钢筋混凝土结构。

2.2.3 经济效果显著

据有关数据表明，和钢柱相比可节约钢材50%左右，造价大幅度降低。和钢筋砼柱相比可节约混凝土70%左右，减轻自重70%，节省模板100% [7]，而用钢量相等或略多。这一点在已建成的诸多建筑中得到了充分证明，前苏联的NCETB河铁路桥与钢拱桥相比节约钢52%，降低造价20%。大连造船厂船体装配车间采用钢管混凝叠合柱与常规设计钢柱相比，节省钢材56%。美国双联广场大厦比通常的钢框架结构节省钢材50% ，总造价降低30%。

2.2.4 施工简单，可以大大缩短工期

美国太平洋第一中心大厦建设速度达到了每周四层，速度之快是其它结构无法相比的。该种结构形式和钢结构相比零件少，焊缝短，可以采用构造简单的插入式柱脚， 免去了复杂的柱脚构造。钢管还是“ 钢筋”，它兼有混凝土柱中纵向受拉、受压钢筋和横向箍筋之作用。从施工过程讲制作钢管远比制作钢筋骨架省工得多， 而且便于浇灌。钢管本身就是劲性结构构件，在施工阶段可以起劲性钢骨架的作用，节省了许多支撑构件和脚手架，简化了施工安装工艺。在北方严寒地区，还可以冬季安装空钢管组成的框架或构架。开春后再浇灌混凝土，从而争取了时间，加快了建设速度。

2.3 钢管混凝土叠合柱在高层建筑中应用的优点

在高层建筑中,与钢筋混凝土和钢结构相比钢管叠合结构的优越性显得更为突出。

2.3.1 钢管混凝土叠合柱的抗压和抗剪承载力高

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经实验证明，抗压承载力为混凝土柱的一倍以上，同时抗剪承载力也比钢筋砼柱高许多。和钢柱相比，抗压承载力虽略低, 但却无局部失稳问题。而且钢管混凝土的塑性性能好, 防止了管内砼的脆性破坏。在高层建筑中可以做到不限制轴压比。这是钢筋混凝土结构无法做到的。在截面上可以比砼结构构件减小50%以上。北京国际贸易中心塔楼的八根钢管混凝土叠合柱截面为1400 x 30, 而采用钢筋混凝土时,截面尺寸要做2200 x 2200mm, 截面减少2/3。深圳赛格广场大厦的受力最大柱, 受轴向力N=90000KN, 采用钢管砼柱为1600 x 28, 如采用钢筋混凝土柱要做到2400 x 2200mm, 减少了63%的截面[8,9,10]。

2.3.2 扩大了使用空间

由于钢管混凝土叠合柱的承载力高, 不但柱子截面小, 而且还可以采用大柱网, 大空间的框架结构体系。经有关专家测算在高层建筑中采用钢管混凝土叠合柱比采用钢筋混凝土结构增加使用面积3% ~ 6% ,某广场大厦, 总建筑面积16万平方米, 按5%计算就可以增加使用面积8000平方米, 相当于多建出一个中型写字楼。

2.3.3 柱子截面减小对结构抗震有利

和钢筋混凝土柱相比, 钢管混凝土叠合柱的自重大幅度减小, 地震作用引起的地震反应也将减小。具有关资料分析, 高层建筑中采用钢管混凝土叠合柱和钢梁等结构体系比采用钢筋混凝土结构自重可以减少1/ 3~ 1/ 2, 地震作用可以减小一半, 相当于设防烈度下降一度。做为搞结构的人都明白这将意味着结构构件截面的再进一步减小。

2.3.4 柱子截面减小, 降低了地基基础的造价

采用钢筋混凝土的高层建筑, 其自重一般为1.5t/ m2~ 2t/ m2(不包括基础) 而采用钢管混凝土叠合柱钢梁结构时, 一般自重都小于1t/ m, 在国外, 有低达0.5t/ m2~ 0.6t/ m2 的例子。显然, 和采用钢筋混凝土结构相比, 采用钢管混凝土叠合柱可以减小地基上单位面积荷载25%以上, 自然基础尺寸也相应减少,降低了基础工程造价。

2.3.5 钢管混凝土叠合柱的钢管较薄, 简化了施工

在高层建筑和超高层建筑中采用钢管混凝土叠合柱时, 钢管厚度一般不超过40mm, 而采用钢结构时,需要的钢板厚度可达80~ 100mm 甚至更大。这样的厚板, 目前国内的产品质量保证率很低, 大部分需要国外进口。同时对厚板制作和对接焊接质量要求也很高, 特别是现场进行柱段对接焊接相当困难, 有时可能成为阻碍现场施工进度的一个复杂工序。

2.3.6 钢管砼柱的耐火性能好

由于钢管内外灌有混凝土, 能吸收大量的热能, 因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀, 增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明: 达到一级耐火三小时

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要求和钢柱相比可节约防火涂料1/ 2~ 2/ 3甚至更多, 随着钢管直径增大, 节约涂料也越多。

2.3.7 可安全可靠地采用高强度混凝土

近几看来, C60混凝土的应用已较为普遍, C70和C80甚至更高标号的混凝土也已能生产投入使用。据有关专家介绍为了防止高强混凝土构件(指C60以上的混凝土) 的脆性破坏, 箍筋率高达20%以上[11], 这样大的箍筋率将造成截面箍筋密布, 构造十分复杂, 增加了施工的难度。用钢管混凝土, 不但构造简捷, 施工方便且能达到防止高强混凝土脆性破坏的目的; 能够真正发挥高强混凝土的作用, 同时并不多费钢材。

2.4 相比其它类型构件

从构成上看, 劲性钢管混凝土组合柱属于钢骨混凝土柱中的一种,它将钢筋混凝土 与钢管混凝土有机地结合起来,与其他类型构件相比,具备了如下一些优点：

2.4.1 与钢筋混凝土柱相比:由于柱中核心钢管混凝土的承载能力远高于相同截面的混

凝土构件, 因而可有效减小构件截面尺寸并减轻自重;而由于钢管混凝土的存在, 构件的延性和抗剪能力得到提高,有利于地震地区的结构抗震。

2.4.2 与钢柱相比：由于钢管埋置于外包混凝土内, 构件的耐久性和防火性能大为提

高；而核心铆管中由于混凝土的存在, 可以延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲, 从而可保证其钢材性能的充分发挥。

2.4.3 与钢管混凝土柱相比：由于其核心钢管尺寸较小, 易于穿过框架节点, 可让横向

构件的横向钢筋直接锚固在钢管上, 使节点处构造处理简单。

2.4.4 与型钢混凝土柱相比：核心钢管对内核混凝土的约束作用使其具有更高的承载力

和更好的变形能力。

2.5 钢管混凝土叠合柱的缺点

尽管钢管混凝土叠合柱的优点很多, 但是由于它自身的特性决定了它尚存在的一 些弊端。

2.5.1 使用范围有限

从现已建成的众多建筑来看, 钢管混凝土叠合柱的使用范围还仅限于柱、桥墩、拱架等。目前还很少有使用钢管混凝土梁叠合结构的先例。这是因为梁一般都做成矩形, 而矩形的钢管混凝土受力比较复杂而且构造要求繁琐, 经济效益不佳。

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2.5.2 从结构构件的连接构造上讲, 钢管混凝土叠合柱也有许多缺点

1) 当钢管混凝土叠合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。

2) 当钢管混凝土叠合柱与无梁盖连接时, 尤其是采用升板法施工时, 板与柱的连接构造是相当复杂的,会直接影响到施工的进度。

3) 为了能够充分发挥钢管混凝土叠合柱的承载力, 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。横隔板和上、下柱的连接是比较繁琐的, 尤其是对于小直径管, 特别不便于施工。穿心板的制作也很麻烦,而且还会妨碍管内混凝土的浇注和振捣。一般仅在大直径钢管混凝土中使用。

2.5.3 从钢管构件的制作、安装要求讲也是具有一定难度和繁锁性

1) 钢管混凝土叠合柱用的钢管, 焊接、制作要求较高; 一般应优先采用螺旋焊管, 无螺旋焊接管时, 也可以用滚床自行卷制钢管, 但卷管的方向应与钢板压延方向垂直且对管的内径有一定的要求。焊接时除一般钢结构的制作要求外要严格保证管的平、直不得有翘曲, 表面锈蚀和冲击痕迹。特别是它对钢管内壁的除锈要求, 可能会增加钢管的制作周期。显然在制作难度上也较普通钢结构高。

2) 在构件制作过程中, 钢管的对接是一个难点。结构要求焊后的管肢要平直, 这就需要在焊接时采取相应的措施和特别注意焊接的顺序以及考虑到焊接变形的影响。管肢对接焊接前, 对于小直径钢管应采用点焊定位, 对于大直径钢管应另用附加钢筋焊于钢管外壁作临时固定联焊。在钢管对接焊过程中, 如发现点焊定位处的焊缝出现微裂缝, 则该微裂缝部位必须全部铲除重焊。为了确保联接处的焊缝质量, 在现场拼接时, 在管内接缝处必须设置附加衬管。对于格构式柱要求柱的肢管和各种腹杆的组装连接尺寸和角度必须准确。特别是腹杆与肢管联接处的间隙应采用自动切管机按照相接面管的 直径和角度切割成空间相交曲线的管端。如无自动切割机时应按板金展开图进行放样切割。在高层建筑中常常采用变径的钢管, 变径管的对接就又是一个施工难点, 变径处节点构造较为复杂, 无疑会影响到施工的进度。

2.5.4 从质量检查及施工方法上讲, 这种结构构件形式也是存在弊端的

1) 钢管混凝土叠合柱管内混凝土的浇注属于隐蔽工程, 混凝土的浇灌质量是无法直观检查的。当采用人工浇灌并振捣时, 只能依靠操作人员的责任心和严密的施工组织管理来保证施工质量。如果超声脉冲检测发现有不密实部位, 就得将钢管钻孔压浆补强, 然后再将钻孔补焊封固。所以无论从质量检测还是完善施工质量都是较为费工的。

2) 从混凝土浇灌方面讲。如果采用泵送顶升法, 施工就必须有与之配套的泵及输

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送设备, 而且对粗骨料的粒径、水灰比、坍落度要求比较严格。采用高位抛落法施工, 混凝土的配合比要求亦很严格。必须先进行配合比实验来确定水灰比, 然后才可以正式浇注。因此, 无论采用哪种方式施工, 都必须有严密的施工组织管理。这或许会比普通钢筋砼结构施工更需要管理。

2.6 钢管混凝土叠合柱研究现状文献综述

文献[1] 混凝土和钢材两种材料的不同组合方式,构成了现代高层建筑的主要结构体系。 充分利用混凝土和钢材两种材料性能的特点,将两种材料有效组合,形成一系列新颖、高效的新构件、新体系。 从钢筋混凝土、钢骨混凝土、钢管混凝土到今天的钢管高强混凝土组合结构,混凝土和钢的组合更趋完美。

文献[2] 钢管混凝土叠合柱由截面中部钢管混凝土和钢管外侧钢筋混凝土叠合而成,东海商务中心（一期）工程两栋超高层办公楼为叠合柱结构体系,采用钢管贯通、翅片连接、钢管钢筋3种连接方式及RC环梁节点,技术先进,施工快捷,取得了较好社会和经济效益。

文献[3] 回顾了钢管混凝土叠合柱技术的发展和取得的成就。通过一项具体工程的柱子设计, 论述钢管混凝土叠合柱的特点与设计概念, 对成柱过程中不同组成材料采取强化、组合、约束、叠合等手段, 达到截面优化。同时分析讨论叠合柱的技术经济性和优化设计的目标。

文献[4] 综述了钢管混凝土结构理论研究及应用的现状和新进展。 对钢管混凝土的静力性能,长期荷载作用下的力学性能、动力性能及耐火性能等研究成果做了概述,并对其粘结性能研究、钢管高强高性能混凝土研究、火灾后剩余承载力研究等最新研究进展和关键技术进行了介绍。 总结了钢管混凝土结构在拱桥和高层超高层建筑中的应用,并对其需要进一步深入研究的关键技术问题进行了探讨。 对我国钢管混凝土结构技术的发展现状作了简要灌混

文献[5] 简单的介绍了钢管混凝土结构的发展及其在工程实践上的广泛应用。根据国内外对钢管混凝土的研究, 介绍了钢管混凝土结构的发展和特点、钢管与混凝土的共同工作、钢管混凝土构件的受力性能及其有关计算理论; 并从抗震性能、经济效果、构造做法以及施工等方面与钢结构和钢筋混凝土结构进行了详细的比较, 通过分析有关资料及大量的统计数据阐述了钢管混凝土在应用中的优、缺点。

文献[6] 单介绍了钢管混凝土结构的兴起和发展; 列举实例阐述了该种结构形式的广泛用途; 从钢管混凝土短试件承受轴心压力作用的实验结果简单剖析了钢管混凝土柱最基本的受力特性; 并针对该种结构的特点从承载力、抗震性能、经济效果、构造做法以及施工的难易程度等方面与钢结构和钢筋混凝土结构进行了详细的比较, 通过分析有关资料及大量的统计数据阐述了钢管混凝土运用在具体工程中所体现出的优、缺点。

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文献[7]钢管混凝土结构由于具有一系列优点,近年来在国内外的研究和应用取得了令人瞩目的成果。介绍了钢管混凝土结构的特点,论述了钢管混凝土在国内外的发展现状,探讨了钢管混凝土结构的发展前景。

文献[8]比较了钢管高强混凝土叠合柱与普通高强混凝土柱的在周期往复荷载作用 下抗震能力和破坏形式； 然后根据试验结果． 分析了叠台柱受水平荷载作用时, 外围钢筋混凝土与核心钢管混凝土之问轴力及水平力的分配关系： 最后讨论了外围混凝土强度等级及名义轴压比等参数对叠台柱抗震性能的影响。

文献[9]研究现有高强混凝土及铜臂混凝土本构关系,运用合成法编制了计算程序·对钢管高强混凝土叠合柱的截面弯矩一曲率关系进行了全过程分析,并讨论丁主要参数对上述关系的影响；经大量回归分析,建立了钢管高强混凝土叠合柱截面弯矩一曲率关系的三折线模型。

文献[10]以深圳卓越皇岗世纪中心项目的塔楼设计为例\介绍了使用有关设计软件对钢管混凝土叠合柱的设计计算方法及钢管混凝土叠合柱与钢筋混凝土梁节点的处理方法。

文献[11]讨论以钢管混凝土为核心支柱,后期叠合浇注外围钢管混凝土的叠合柱的抗震机理和设计方法。

文献[12] 介绍钢管高强砼为核心的钢筋砼叠台柱的工作机理,试验情况和设计应用。

文献[13]在富林广场工程设计的基础上,针对设计中采用的外包钢管混凝土柱在利用现有的结构设计软件进行计算时,遇到软件无法录入柱的参数,而必须进行等效代换。本文对3种代换方式：强度代换、弯曲刚度代换、压缩刚度代换进行比较分析。

3 钢管混凝土叠合柱的施工方法

3.1 钢管混凝土叠合柱柱管制作

3.1.1 工艺流程

详图深化→下料→开坡口→卷管（点焊）→焊接直缝→矫圆→组焊钢管（环缝）→构件及焊缝外观检查→焊缝超声波检测→合格交验。

3.1.2 操作要点

3.1.2.1 柱管制作

采用X-Steel软件进行详图深化与结构分解,包括节点拼装总图、节点拼装顺序图、杆件图、节点图及材料明细表等,并对复杂节点进行计算机拼装模拟,通过数据文件发送

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至数控精密切割设备切割板材, 进行开坡口、卷管与组焊工作,柱管内侧纵缝为自动埋弧焊,内环缝为CO2气体保护焊,外环缝扣槽为埋弧自动焊[15]。

3.1.2.2 连接翅片芯

连接翅片芯是在无缝钢管径向沿全长双面角焊缝焊接4片钢板（图2）[16],用于上下层钢管柱之间的连接,宽度伸出钢管柱管外侧12mm。柱管两端沿轴线切割4处缝槽（宽度大于翅片厚度2 mm）,将翅片芯插入柱管缝槽内并沿连接部位全长焊接,保证其同圆度,消除应力集中,备用。

图2 连接翅片芯示意

3.1.2.3 构件开孔

钢管叠合柱钢结构制孔主要为螺栓及钢筋穿过孔,采用数控机床钻制加工；开设钢管穿筋孔前进行计算机精确放样,并在钢管上设置安装定位线,避免安装误差造成穿筋 困难。

3.2 钢管混凝土叠合柱柱管安装

3.2.1 工艺流程

地脚螺栓预埋→安装首节柱→逐节吊装连接。

3.2.2 操作要点

3.2.2.1 地脚螺栓预埋

拟工程采用端承式柱脚, 于地下室底板预埋连接件； 为保证埋设精度, 安装前先测设标高与平面控制线,预埋采用型钢制作的安装支架固定,确保连接件定位准确；底板

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混凝土浇筑时从四周向中间进行,振动棒不得触及螺栓预埋件,设专人对预埋件进行监测,发现偏移及时处理。

3.2.2.2 首节柱吊装

安装前在已浇筑完成的地下室底板上进行放线,并对预埋件进行复测与校正；确认无误后用塔式起重机将首节钢管柱吊升到位, 将其底板穿入地脚螺栓,放置在调节好的螺帽上,柱四周中心线应与基础中心线对齐吻合,穿上压板,将螺栓拧紧,完成钢管柱就位。

3.2.2.3逐节钢管柱吊装

起吊前在柱底板向上1m处画水平线,管外壁每隔900 mm沿纵向弹一条竖线用于对接复核；钢管柱采用4吊点对称起吊,起吊时吊点另一端下设橡胶垫,吊索在钢管焊接完成后方可解除； 钢管柱吊起当柱身划线与下节柱控制线基本吻合后调整就位固定, 在垂直方向各架设1台水准仪和经纬仪,通过水准仪观测钢管柱上的水平线来控制钢管柱的标高, 用经纬仪观测钢管柱的两条母线并通过设置在钢丝绳中间的法兰螺栓调节其垂直度。

3.2.2.4 柱管连接

同径钢管柱连接采用焊接与钢板翅片连接两种方式；异径钢管柱的连接采用钢板翅片转换连接。 1) 焊接

同径钢管接长采用等强度坡口对接焊缝, 拼接焊缝设置在每层楼板标高1.500 m左 右,连接处设置管壁较厚的内衬管段作为现场环形焊缝的背衬。将吊起的上节柱按划线位置缓缓插入下节柱内（上节柱内衬管外壁若与下节柱钢管内壁局部存在摩擦就位较困 难时,在塔式起重机配合下利用耳板、栓钉协助就位）。钢柱就位后将接头耳板螺栓拧 紧临时固定后进行施焊,施焊由2名焊工在对称位置以同等速度进行,相对边焊缝首次焊接的层数不超过4层, 焊完第一个4层清理焊缝焊渣后,转90°方向焊另两个相对边焊缝,焊完8层后再换至相对边,如此循环施焊直至完成[17]。钢柱对接焊缝完成后割除耳板（图3）。

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图3 钢管对接节点示意

2) 钢板翅片连接

该节点构造是上下层钢管在节点核心区不贯通,采用小直径厚壁核心钢管和4块钢板全长双面角焊缝焊接形成的翅片构件连接。钢管上、下端事先各割出4个安装槽,翅片插入上下楼层钢管的安装槽内,经调整定位后与钢管采用双面角焊缝沿连接部位全长焊接（图4）。

图4 钢板翅片连接示意

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3.3 钢筋混凝土梁柱与钢管混凝土叠合柱连接技术

3.3.1 钢筋混凝土梁与钢管混凝土叠合柱连接

钢筋混凝土梁与钢管混凝土叠合柱的连接采用了钢管贯通、钢板翅片转换和钢管钢筋转换3种连接方式。施工图节点大样深化时,采用CAD软件对梁纵筋穿越钢管壁、钢板翅片开孔或与翅板焊接定位进行计算机放样模拟,详尽考虑节点不同方向梁各排纵筋的排布位置造成标高上的差异,确保钢管壁及翅片开孔位置与大小及翅板定位角度符合梁筋穿插、焊接定位要求。

3.3.1.1 钢管贯通连接

梁部分纵筋绕过钢管布置（贴近钢管处钢筋稍弯折）,其余纵筋穿过钢管；单根钢筋穿过开圆孔,直径为d+13 mm（d为梁纵筋直径）；并排双筋穿过的在钢管管壁上开长圆形孔。核心区的钢管壁外表面焊接Ⅱ级16钢筋环箍,以加强钢管与管外混凝土的粘结,环箍设置于核心区中下部位置,与钢管采用单面角焊缝焊接（图5）。

3.3.1.2 钢板翅片转换连接

梁纵筋通过钢管芯柱时,外侧从翅片打孔（洞口直径不大于1.5倍钢筋直径）穿过,中间梁两纵筋与翅片焊接,单面焊10 d。核心区节点翅片外围加设Ⅱ级14＠50封闭环箍,与翅片点焊（图6,7）。

图5 钢管贯通连接

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图6 钢板翅片转换连接[19]

图7 钢板翅片转换连接构造示意

3.3.1.3 钢管钢筋转换连接

上下层钢管间于管外焊接钢筋竖向连接, 双面角焊缝长度为5 d（图8）；钢筋外设置Ⅱ级14＠50闭合环箍。钢筋混凝土梁的纵向钢筋穿过核心区构造同钢板翅片转换连接。

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图8 钢管钢筋转换连接[20]

3.3.2 钢筋混凝土柱与钢管混凝土叠合柱连接

上下层梁柱节点处钢管柱、钢筋混凝土柱连接时,为保证钢管柱强度, 在钢管断开处插筋并绑扎封闭环箍,将其放入钢管芯内固定,管内混凝土浇至梁底,插筋接至上一层楼面高300mm处（图9）。

图9 钢筋混凝土柱与钢管混凝土叠合柱连接示意

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3.3.3 钢筋混凝土环梁连接节点

钢筋混凝土环梁节点在钢管混凝土结构中应用较多, 因钢管混凝土叠合柱在管外仍有钢筋混凝土,因此叠合柱结构采用钢筋混凝土环梁节点更有利。本工程环梁外围直径为2.1 m,梁高1.5 m,环筋、箍筋布置先进行AutoCAD放样,确定各种尺寸关系,并做1∶1足尺模型,确认无误后再大面积下料。在现场首层设环梁加工区,环梁预先绑扎完成,其中环筋采用焊接封闭方式,当环梁底模完成后吊装钢筋笼定位,再施工四周其 他框架梁。当环梁、框架梁钢筋绑扎验收完成后封闭环梁侧模（图10）。

图10 钢筋混凝土环梁施工

[22]

3.4 混凝土施工

3.4.1 叠合柱管内混凝土

管内混凝土采用高位抛落法施工, 利用浇筑过程中高处下抛时产生的动能来实现自流平并使混凝土充满钢管柱内。柱底先灌入约100 mm厚同强度等级的去石混凝土,以使新旧混凝土连接良好,避免浇筑时发生粗骨料弹跳现象。在抛落混凝土的同时采用粗钢筋棒进行适当插捣,上部2 m范围内用振捣棒密插短振,逐层振捣,每层振捣至混凝土表面平齐不再明显下降,不再出现气泡,表面泛出砂浆为止,浇筑结束后清除浮浆,初凝后灌水养护,用塑料布将管口封住,防止异物掉入。安装上一节钢柱前将管内积水、杂物清除干净。对管内混凝土浇筑质量可采用敲击钢管的方法进行检查, 如有异常可再用超声波检测,对不密实的部位应采用钻孔压浆法补强,然后将钻孔补焊封固。

3.4.2 钢管外钢筋混凝土

管外钢筋施工完毕经隐蔽验收后进行柱模安装,采用两根一组的10槽钢配合直径18对拉螺栓按竖向间距400 mm（首步距柱脚200 mm）作为柱箍进行加固[25]。柱模与梁板承重架一并搭设, 设置双向剪刀撑以形成空间稳定体系。因钢柱将柱截面相对分隔成几

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个区域,在每个区域内均匀下料采用加长振捣棒对称振捣, 保证振捣密实,避免胀模偏位。管外混凝土采用养护液无水养护方式,养护时间不少于14 d。

3.5 钢管混凝土叠合柱研究现状文献综述

文献[14]深圳卓越·皇岗世纪中心项目二号塔楼建筑物主体高度238 m,核心筒部分及屋顶钢架高度升至268 m,核心筒高宽比为17.3,属超B级高层建筑。介绍了该结构整体分析、弹性时程分析、中震不屈服分析和动力弹塑性分析的结果及相应结论。

文献[15] 结合安徽国际经贸中心A、B塔楼的施工,简要介绍了钢管混凝土中高抛自密实混凝土的施工。主要包括施工前的准备工作,混凝土的浇筑,施工过程中的质量控制、材料控制、计量和运输控制、混凝土的现场验收,质量检验等。并介绍了钢管混凝土的常见检测方法。

文献[16] 绿景纪元大厦地下3层,地上56层,建筑总高度273m。结合工程实践,主要介绍绿景纪元大厦15层以下钢管混凝土叠合柱结构综合施工技术,围绕钢管柱的分段、深化设计、钢板工厂卷制、拼装焊接、现场安装、钢筋安装、模板加固、混凝土浇筑等一系列细节问题进行阐述。解决了工厂制作钢管时开斜向孔、管壁焊接螺母的模板加固方法等难点问题,保证了结构的施工质量,取得了较好的效果。

文献[17] 钢管混凝土叠合柱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,适用于非抗震和抗震地区的建筑结构,尤其是抗震设防地区的高层结构。本文以华发世纪城三期商住楼工程项目为例,介绍钢管混凝土叠合柱的应用和施工中相关问题的 处理方法。

文献[18]综述了 欲控制好超高层钢管混凝土叠合柱的质量,应当严格按照相关的依据、一定的制度和程序,通过相应的质量控制方式与控制措施,对其进行全过程和全方 位的质量控制。

文献[19] 钢管混凝土叠合柱具有延性好、承压能力强、防火性和耐久性强的特点,目前已在许多高层建筑中得到使用。文章分析了叠合柱的受力特点,对典型的节点构造进行了设计介绍。

4 结束语

综上所述,钢管混凝土叠合柱是在钢筋混凝土柱中部设置钢管混凝土的一种叠合构件,其施工技术也日趋成熟。从经济性和使用性两方面分析,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,从而减小了柱子的截面尺寸,增大使用空间。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内混凝土和钢管外的钢筋混凝土。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

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轴力后,按轴向刚度分配给钢管混凝土和钢管外混凝土；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,钢管外的钢筋混凝土分担的轴压力比按管内管外混凝土面积比分担的轴压力小得多。由于管外的钢筋混凝土承担的轴压力小、轴压比低,通过配置适量的纵筋和箍筋,就容易实现具有延性大的偏心受压破坏形态。为更好地推广钢管混凝土叠合柱在工程实际中的应用,认为以下几个方面的研究工作有待开展。

4.1 钢管混凝土（叠合）柱与钢筋混凝土节点设计

目前对钢管混凝土（叠合）柱构件的力学性能和设计方法进行了较为充分的理论分析和实验研究,但对目前较常采用的钢管混凝土（叠合）柱与钢筋混凝土梁的连接节点的研究还不多见,提出传力可靠、构造简单的组合柱与钢筋混凝土梁的节点设计方法十分必要。

4.2 巨型钢管混凝土（叠合）柱设计方法

随着超高层建筑结构的高度不断增大,实际工程中采用的组合柱截面也不断增大,

以往相关的实验均集中在截面相对较小的组合柱,而对于截面较大带来的“尺寸效应”的相关研究尚较为少见,尽快开展大尺寸组合柱的试验研究和理论研究对确保巨型钢管混凝土（叠合）柱的结构安全有着重要意义。

4.3 采用自密实混凝土的钢管混凝土（叠合）柱的相关设计方法

目前还没有专门针对钢管自密实混凝土的设计规程, 福建省标准DBJ 13-51-2010

指出了在钢管混凝土中可采用自密实混凝土,但未对自密实混凝土的配合比、拌合物性能、配合比设计和施工操作时具体注意事项作进一步说明,因此有必要在大量研究成果和工程实践的基础上,制定钢管自密实混凝土相关设计规程或条文。

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致 谢

本论文是在廖飞宇老师的悉心指导下,于2012年5月完成的,廖飞宇老师对我的关心和支持对于我毕业论文的完成尤为重要。当然我的毕业论文的完成也离不开三年多来金山学院老师的细心教导与专业熏陶。在此谨向四年来悉心教导我的金山学院的老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时,本篇毕业论文的写作也得到了龙杰、更加等同学的热情帮助。在此,我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！

作者：李东海 2012年5月

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ckxo.html