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    【行业知识】结构工程师煮酒论英雄—叠合柱 转载于钢结构网

    时间:2019-9-24     点击量:176

    我大中华的很多城市,高楼大厦已是鳞次栉比。在每栋高楼里面,我们都会看到一些框架柱,或大或小,或圆或方,或常规或异型。

    框柱看起来冰冷,尤其包上大理石或冷金属之后,但它们撑起了比自身截面大得多的空间,这多少值得尊敬。

    以结构工程师的眼光来看,框柱的截面形式大致可分四类:普通钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱、钢管混凝土柱以及叠合柱。

    在做柱截面形式对比的时候,我总是想起《三国演义》中“煮酒论英雄”的片段。

    究竟谁是真英雄?

    若以使用频率来评判,钢筋混凝土最优,型钢混凝土次之,钢管混凝土再次之,叠合柱末之。

    尽管如此,我还是手指落寞的叠合柱:“天下英雄,唯君耳 ”。

    这篇文章就谈谈本人的逻辑,诸位可不当真。毕竟,本人看走眼与看对眼的概率,经常接近五五开。

    01、叠合柱的概念

    首先,我们要理解叠合的概念,谁和谁叠合?作为类比,叠合梁、叠合板大家是比较熟悉的,叠合说的是新旧混凝土之间的叠合,旧混凝土可以采用预制(或先浇),新混凝土则采用现浇(或后浇)。《混凝土结构设计规范》对叠合构件的构造及计算均有相对明确的规定。

    在装配式结构及加固改造设计中,叠合既是一个基本概念,也是一个基本方法。想想装配式结构中的叠合板,以及加固设计中的增大截面法。

    但是,叠合柱与常规的叠合概念略有不同,它指的是内部钢管混凝土柱与外部钢筋混凝土之间的叠合。

    同时,叠合还隐含了构件组成时在时间上的非同步性。即,同一个构件的新旧部分,在“浇筑”时间上,存在一个时间差。这个时间差如果小于混凝土的初凝时间,那就是整浇了。所以,只有时间差大于终凝时间,才会出现叠合。

    说到这里,我们会想到一些有意思的问题。比如,施工缝与后浇带,算不算叠合?混凝土梁加固中的粘钢法与碳纤维布加固法,算不算叠合?

    如果继续较真的话,型钢与钢筋混凝土浇筑在一起,算不算叠合?那钢筋与混凝土浇筑在一起,算不算叠合? 

    叠合的依据究竟是什么呢?本人认为,相比后浇部分,先浇部分能够独立受力,这是叠合的一个重要条件。

    我们说叠合概念中隐含了一个时间差,但叠合柱又有不同。按照《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(CECS188:2005):

     叠合柱的内外组成部分既可不同期施工,也可同期施工。

    同期施工,就是指同时浇筑钢管内混凝土和钢管外混凝土。也就是说,在混凝柱浇筑方面,可以没有时间差。你看,叠合柱就是这样一个异类。

    同期施工的叠合柱可称组合柱,这是规范的原话。但组合柱不能称为叠合柱。我们通常说的组合柱,是指型钢混凝土柱。

    那按照规范先生的意思,究竟什么是叠合柱呢?我们揣测一下:

     叠合柱是一种特殊的型钢混凝土柱,其内型钢为闭口截面,通常(还是必须?)为圆管,可以为多腔。

    让我们把谈论的对象就限定为钢管混凝土叠合柱吧。

    02、叠合柱的优势

    从构成来看,叠合柱与型钢混凝土柱、钢管混凝土柱有一定相似性,但又有不同,更像是二者取长补短后的改良。

    你看哈。相比型钢混凝柱,叠合柱含钢率更低(一级框柱,最小含钢率3%),承载力更高(意味着截面可以更小),这在对比建筑面积使用率的时候,具有较大优势。

    相比钢管混凝土柱,叠合柱具有更好的防火防腐性能,更低的用钢量。根据文献介绍,叠合柱的承载力比钢管混凝土柱高。

    为何叠合柱承载力更高?这是大家都关心的问题。虽然我们都理解混凝土三向受压,承载力提高的道理。

    超高层建筑中,外框柱受力以压弯为主。《材料力学》告诉我们,弯矩作用下,截面外侧应力最大,中部应力较小,所以我们应该尽量将材料放到截面外侧。而轴力作用下,截面均匀受力,材料应该平摊到截面上。

    截面压弯复合受力时,最悲催的就是截面外侧,既要承受轴压作用下的均匀应力,也要承受弯矩作用下的弯曲拉压应力。考虑不同方向的水平力工况,截面外侧均可能承受拉力或压力。

    叠合柱是怎么解决这个问题的呢?

    叠合柱以强大的内芯——钢管混凝土柱,承受绝大部分的轴向压力,从而将外侧截面从均匀压应力中解放出来,这样外侧截面就可以专心对付弯曲应力。

    想到这里,我拍案叫绝,这是“物尽其才”的又一次完美诠释呀。至于上一次?

    诞生了一个划时代的伟大产品——钢筋混凝土。即用钢筋承受拉力,用混凝土承担压力。

    叠合柱给出的解决思路,我们经常作为反例应用在节点设计中。

    比如,我们将节点位置的构件截面做得更小,这样可以削弱它的抗弯承受能力,以更小的截面保证轴向承载力即可,这就是铰接节点。

    再比如,混凝土构件,截面不变,但在支座位置,我们仅配置构造纵筋,这也是削弱了截面的抗弯承载力,也是一种铰接做法。

    为了将更大的轴向力分配给内部的钢管混凝土柱,这才有了先期施工的做法,相当于通过施工次序,给“内芯”一个预压应力。这便引申出一个叠合比的概念。

    叠合比:核心钢管混凝土柱已承受的施工期竖向荷载所产生的轴压力设计值与叠合柱全部轴压力设计值的比值。

    非同期施工相对麻烦,不少项目还是优先采用同期施工。对同期施工的叠合柱来说,叠合比等于0。

    如果叠合比等于零,那如何保证“内芯”承受更大的轴压力呢?

    我们都知道,钢管对内部混凝土有套箍作用,套箍作用可以提高内部混凝土的轴压承载力。

    那轴力分配时,“内芯”会分配到更多轴力吗?

    当然会!

    轴力以截面各部分竖向压缩变形量进行分配,套箍后,内部混凝土的“压缩模量”更大,变形更小,所以分配的轴力更多。(PS:这有点类似土力学中变形模量与压缩模量的区别,后者考虑完全侧限,所以量值更大。)

    以直径为1800mm的圆形叠合柱为例,同期施工,柱内钢管直径1200mm,钢管壁厚为28mm,钢材采用Q390,混凝土采用C60,则套箍指数为1.2;钢管混凝土的轴向刚度可放大1.8X1.2=2.16倍。如果不考虑套箍作用,管内混凝土承受轴向总压力的42%,考虑套箍作用后,为70%.

    说到套箍作用,钢管混凝土柱并不例外呀。为何钢管混凝土柱承载力低于叠合柱呢?

    有一种解释是这样的:根据《高规》附录F,钢管混凝土柱由于长细比和偏心率的影响,轴心受压承载力双重折减,导致计算承载力降低。与此相对,叠合柱的管外混凝土可以约束钢管混凝土,钢管壁不会或推迟发生屈曲,承载力基本无需折减。

    同时,我在想另外一个问题。钢管混凝土柱的钢管,与叠合柱中钢管不同,前者还要承受弯矩引起的弯曲应力(发挥了叠合柱中纵筋的作用),钢管的应力状态更复杂,其对混凝土的围箍效应,是否会有所降低呢? 

    03、叠合柱的计算

    设计叠合柱时,首先需要注意四个参数:叠合比、套箍指数、管径比和含钢率。另外,征求意见稿还对钢管混凝土截面面积与叠合柱截面面积的比值进行了规定。

    这几个参数比较简单,规范均有明确规定或算法。这节主要讲相对特殊的规定。

    1)轴压比

    根据 CECS188:2005,叠合柱的轴压比是指管外混凝土的轴压比。轴压比限值可按照普通钢筋混凝土来确定。很明显,叠合比会影响管外混凝土的轴力分担。如果框柱截面由轴压比控制,即可通过调节叠合比来改变计算轴压比。

    说到轴压比,我们稍作拓展。

    《高规》关于轴压比的规定中,采用芯柱可将框柱轴压比限值提高0.05。柱内设置钢骨,轴向承载力可以提高,相对原截面,也可认为轴压比限值提高。

    其实,钢筋混凝土芯柱、叠合柱内芯、组合柱的钢骨都可改善构件轴压比,但叠合柱的套箍作用最有效。

    叠合柱中钢管混凝土的轴压比如何确定呢?

    规范没有明确指出,隐约规定应小于0.9。如果去查《钢管混凝土结构技术规程》,我们还是没有看到圆形钢管混凝土轴压比的相关规定,仅看到矩形实心钢管混凝土的轴压比规定,其计算依据与型钢混凝土柱一致,即不考虑套箍作用。

    我手上有一份《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》的征求意见稿,此文稿对轴压比计算有所调整,相当于对叠合柱内钢管混凝土轴压力提出了更高要求。

    2)轴向受压承载力

    叠合柱的轴向受压承载力分为两部分,即管外钢筋混凝土的轴压承载力与钢管混凝土的轴压承载力,长细比折减仅对管外部分执行。

    以上述1.8m直径的框柱作为算例,均不考虑长细比及偏心率折减时,叠合柱与钢管混凝土柱的承载力计算值基本相同,考虑折减后,后者将小于前者。另外,叠合柱的含钢率为4.1%,而钢管混凝土柱的含钢率为5.3%.

    经过计算,4.1%含钢率的相同截面的型钢混凝土柱,其承载力为相应叠合柱的75%.

    3)偏心受压正截面承载力计算

    首先,先计算管外混凝土分担的轴力设计值和弯矩设计值。其次,将截面等效处理,然后按照《混凝土结构设计规范》钢筋混凝土柱正截面受压承载力计算公式进行计算。

     

     

    4)配筋率与配箍率

    叠合柱的纵筋配筋率是指纵向钢筋截面面积与管外钢筋混凝土截面面积的比值。

    计算体积配箍率时,混凝土的体积取为外围箍筋的内皮与钢管之间混凝土的体积,即扣除钢管混凝土的体积。

    但征求意见稿对上述两个算法,均有大调整,大家注意辨析。

    04、叠合柱的构造

    通常情况下,框架梁采用钢筋混凝土梁,框架柱也采用钢筋混凝土时,构造最简单。

    框架柱选用型钢混凝土、钢管混凝土、叠合柱时,构造都不简单。

    有些业主或施工单位怕麻烦,所以不愿设计单位选择承载力更高的柱截面形式,而宁愿加大配筋。但如果对建筑面积使用率的追求压倒一切,叠合柱是一个不错的选择。

    接下来,我们讨论一下叠合柱的梁柱连接节点。

    1)钢筋混凝土梁与钢管混凝土叠合柱的连接构造

    该种构造,比较常用的做法有两种,一种是钢管贯通,钢筋混凝土环梁与混凝土梁连接;另一种是梁纵筋贯穿钢管节点。


    环梁三维节点

    采用环梁的主要问题是:环梁位置的钢筋比较密集,尤其当梁端弯矩较大时,框架梁钢筋插入和混凝土浇筑都比较困难,严重影响浇筑质量和工期。

    环梁施工照片

    即使采用穿管连接,也应尽量减小穿管。比如可将梁做宽,或梁端水平加腋,以便更多的钢筋从钢管两侧绕过。



    梁柱节点梁纵筋布置示意图(梁端水平加腋)

    梁纵筋穿钢管剖面示意图

    穿管连接需要注意的问题是:多条混凝土梁斜交在柱节点时,钢筋汇聚到钢管内,导致管内混凝土浇筑困难。此时,可采用设置钢外环箍来解决。

    2)钢梁与钢管混凝土叠合柱的连接构造

    叠合柱与钢梁连接时如何处理呢?这和型钢混凝柱与钢梁连接情况类似,最主要的问题是解决柱纵筋穿钢梁翼缘板。

    首先,尽量将钢梁翼缘宽度控制在300mm,此时,在钢梁翼缘宽度范围内只有一根柱纵筋通过。通过调整纵筋排布,使这根纵筋正对钢梁腹板。

    正对腹板的柱纵筋在遇到钢梁时截断,然后通过钢筋连接器或构造连接板分别连接于钢梁的上下翼缘,于是钢筋由于被截断而断开的传力路径通过钢梁腹板又有效地连接了起来。

    05、叠合柱的未来

    相比其他几种常用的柱截面形式,我们对叠合柱的认识和研究相对较浅,从征求意见稿规范条文,也多少能看到这一点。

    但叠合柱并非新生事物,深圳诺德金融中心大厦、深圳卓越皇岗世纪中心、深圳华润前海中心均采用了叠合柱方案。

    目前,我看到或正在做的一些设计项目,也逐步采用了叠合柱。未来,叠合柱的使用频率可能会逐步提高,尤其结合装配式建筑,叠合柱也许有更大的发展空间。

    但这都不是最主要的。

    以结构工程师的眼光来看,在提供承载力的时候,钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱基本算是硬抗,而钢管混凝土柱和叠合柱却是在借势,叠合柱将这种势能发挥得更加充分。

    从防火防腐这个角度来说,将钢管裸露在外的钢管混凝土柱则有些逆势。

    孙子兵法中讲到“求之于势,不责于人”,顺势而为,是为人处世的大智慧。

    精妙的结构,都是懂得借势的结构。唯有借势,才有四两拨千斤般地惊叹,才有建筑与结构的和谐一统。

    在柱截面形式中,叠合柱可堪称借势的典范。正因为借势,其单位承载力的造价也基本最低。

    这就是为何,在琢磨了各个柱截面形式之后,我认为,叠合柱才是我心目中的真英雄。