海南商業(yè)廣場外框型鋼砼柱變更為鋼管砼柱的設(shè)計與施工

XX國際廣場外框型鋼砼柱變更為鋼管砼柱的設(shè)計與施工分析（施工技術(shù)2012年9月下，第373期，第50頁）王永年，張磊，趙海興，田衛(wèi)國[摘要]鋼管混凝土柱技術(shù)作為目前超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑主要采用的結(jié)構(gòu)形式，已日趨成熟，在各地的超高層建筑中均得到充分利用。XX國際廣場原設(shè)計外框結(jié)構(gòu)為勁性鋼骨混凝土柱，后變更為矩形鋼管混凝土柱，使結(jié)構(gòu)受力更可靠，抗震性能更強，特別是減少了施工工序，施工更方便快捷。地上主體外框共計52層，鋼結(jié)構(gòu)施工工期僅280天，其中第31-50層達到3天一層的施工速度。實踐證明，采用鋼管混凝土柱，對設(shè)計與施工均為最優(yōu)方案，可取得較好的經(jīng)濟效益。[關(guān)鍵字]鋼管混凝土柱勁性鋼骨混凝土柱設(shè)計與施工分析AnalysisofChangefromStiffSteelConcreteColumnstoConcreteFilledSteelTubularColumnsatHaikongInternationalPlazainaspectofdesignandconstruction[abstract]Concretefilledsteeltubularcolumns，asthemaintechnologyappliedtotheultra-high-risesteelbuildings,havebecomemoremature,whichisfullyutilizedaroundhigh-risebuildings.TheoriginaldesignofframestructureintheHaikongInternationalPlazawastouseStiffSteelConcreteColumns.However,itwaschangedtoemploytheCFRTcolumns,whichismorereliable,especiallyintheseismicperformance.Besides,itparticularlysimplifiestheconstructionprocess,makingtheconstructionmoreconvenient.Forthemainframewithatotalof52floorsaboveground,thesteelconstructionperiodofonly280daysisachieved.FortheLayers31-50,aconstructionspeedofthreedaysalayerisevenreached.Ithasprovedthatadoptingtheconcretefilledsteeltubesistheoptimalsolutioninaspectofbothdesignandconstruction,withabettereconomicbenefitsbeingachieved.[Keyword]ConcreteFilledSteelTubularColumn；StiffSteelConcreteColumn；DesignandConstruction；Analysis1工程介紹XX國際廣場項目位于海南省?？谑旋埲A區(qū)金貿(mào)中路12號。其主樓地下3層，地上外框52層，核心筒55層，建筑總高度249.7米，為海南第一高樓。主體結(jié)構(gòu)為框架核心筒結(jié)構(gòu)，其外框結(jié)構(gòu)為平面分布的22個矩形截面柱組成，其外框柱之間，及與核心筒結(jié)構(gòu)均通過鋼梁相連接，形成框架結(jié)構(gòu)。地上結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖1。圖1地上結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.1Thegroundstructurelayout原設(shè)計外框結(jié)構(gòu)柱為十字勁性鋼骨混凝土柱，鋼骨柱材質(zhì)為Q345B，柱混凝土1～34層標(biāo)號為C60,35～52層為C50,并在柱邊配有HRB400，36根直徑32的豎向鋼筋，及直徑16mm的箍筋（加密區(qū)間距100，非加密區(qū)200），見圖2，為勁性鋼骨外框柱5層以下柱截面圖。變更后，外框柱為矩形鋼管混凝土柱，鋼管材質(zhì)為Q345B，柱內(nèi)灌注C60混凝土，見圖3，為鋼管混凝土柱5層以下柱截面圖。圖2勁性鋼骨外框柱5層以下柱截面圖Fig.2SectionaldrawingofStiffSteelConcreteColumnunder5layer圖3鋼管混凝土柱5層以下柱截面圖Fig.3SectionaldrawingofConcreteFilledSteelTubularColumnunder5layer本工程外框鋼管混凝土柱施工完畢，主體結(jié)構(gòu)封頂實景見圖4。圖4主體結(jié)構(gòu)封頂Fig.4mainstructerroof-sealing2勁性鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱的設(shè)計分析2.1主要技術(shù)指標(biāo)對比分析針對XX國際廣場外框柱從勁性鋼骨混凝土柱變更為鋼管混凝土柱，僅為外框柱代換，其余設(shè)計技術(shù)參數(shù)及設(shè)計資料均不變，可認為是外框柱的等強代換，其發(fā)揮的結(jié)構(gòu)功能是相同的。但是，這兩種外框柱的截面積，自重及材料用量等卻發(fā)生了變化，最顯著的變化是鋼管混凝土柱截面及混凝土用量的大大減小。現(xiàn)取1米柱高的長度，分析其截面積及每米柱高材料用量的情況，見表1。表1勁性鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱主要技術(shù)指標(biāo)對比分析Table1ComparativeanalysisonthemaintechnicalindexesofConcreteFilledSteelTubularColumnandStiffSteelConcreteColumn序號對比項eq\o\acc(○,1)勁性鋼鋼骨混凝土柱柱eq\o\acc(○,2)鋼管混混凝土柱eq\o\acc(○,2)相對于于eq\oo\ac(○,1)對比指指標(biāo)1混凝土用量3.06m22.4m2減少27.5%2鋼材用量1918.6KKg2492.56Kg增加10.5%（合計用鋼量）3鋼筋用量312Kg04柱截面積3.3m22.7675mm2減少19.24%5每米自重9575Kg8252Kg減少16.0%注：C60混凝土密度按2400kg/m3，鋼材密度按7850kg/m3計算。5層以上柱截面相應(yīng)減小，此處不一一對比。由以上分析可見，鋼管混凝土柱柱截面減小19.24%，每層22個鋼柱可節(jié)約11.72m2使用面積（5層以下），這對以面積為單位租售使用的建筑可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益，最大限度的減少了外框柱結(jié)構(gòu)占用使用面積的樓層面積損失?；炷劣昧繙p少27.5%，每層減少混凝土用量達61m2（5層以下層高4.2米）。而混凝土作為一種大量浪費資源，取材造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞及空氣污染，使用后即成為建筑垃圾的材料，應(yīng)減少使用，同時，其運輸及澆筑施工也帶來諸多環(huán)境污染問題，是一種非綠色建筑材料。因此，大量減少混凝土使用，是一件利國利民，創(chuàng)造長遠經(jīng)濟效益的方法，也為本工程創(chuàng)造了良好經(jīng)濟效益。鋼材用量增加10.5%，每層增加約5.7噸（5層以下），而鋼材作為一種可重復(fù)循環(huán)利用，綠色環(huán)保材料，應(yīng)代替非綠色材料而增加使用。針對本工程，其用量增加帶來的成本小于其他因素創(chuàng)造的經(jīng)濟效益。鋼管混凝土柱的自重減少達16.0%，可減小整體結(jié)構(gòu)本身的自重，從而減小地基承載力及外框柱的承載力，可節(jié)約基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計及施工等造價成本，也因此而再次減小外框柱截面，創(chuàng)造十分顯著而客觀的經(jīng)濟效益。綜上所述，變更為鋼管混凝土柱后，從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面創(chuàng)造了較大經(jīng)濟效益，盡管鋼管混凝土柱需要增加防腐及防火涂裝施工造價，但仍遠小于鋼管混凝土柱本身帶來的經(jīng)濟效益，仍是最優(yōu)方案。2.2受力分析本工程外框柱若采用勁性鋼骨混凝土柱，其型鋼分布中柱中心位置，型鋼與混凝土均受壓，混凝土主要在箍筋等鋼筋約束下承受壓力而工作，而變更為鋼管混凝土柱后，鋼材分布在柱周，為柱抗彎最有效的位置，同時，對柱內(nèi)混凝土起到絕對的約束作用，使其三向受壓，充分發(fā)揮了混凝土抗壓強度大的優(yōu)點。同時，混凝土也可以延緩甚至避免鋼管的局部屈曲，保證鋼材性能得到充分發(fā)揮。相比勁性鋼骨柱，鋼管能同時起到縱向鋼筋及橫向鋼筋的作用，其截面長厚比在90以下，相當(dāng)于配筋率至少在5%以上，遠超過抗震設(shè)計規(guī)范對鋼筋混凝土柱所要求的最小配筋率限值，其抗震性能亦優(yōu)于勁性鋼骨混凝土柱。針對鋼材及混凝土兩種材料性能及其分布不同，組合后的力學(xué)性能也不同，如下表2為兩種柱其受力指標(biāo)參數(shù)：表2勁性鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱受力指標(biāo)參數(shù)Table2ForceIndexParameterofConcreteFilledSteelTubularColumnandStiffSteelConcreteColumn結(jié)構(gòu)形式Ea(N/mm22)Ec(N/mm))Es(N/mm))Ga(N/mm))fa(N/mm22)fcc(N/mmm2)fct(N/mmm2)勁性鋼骨混凝土柱柱2.06E+0553.60E+0442.10E+0557.90E+04429527.52.09鋼管混凝土柱2.06E+0553.60E+0442.10E+0557.90E+04429527.52.09結(jié)構(gòu)形式fs(N/mm22)Aa(mm2)Ac(mm2)As(mm2)Ia(mm4)Ic(mm4)勁性鋼骨混凝土柱柱3601952003075847289534.71E+1001.18E+122鋼管混凝土柱360316400245110001.6E+118.09E+111注：此表針對5層以下柱截面，5層以上柱截面尺寸相應(yīng)減小，此處不一一對比。各符號說明見表3：表3各符號說明Table3EachSymbolExplanationEa(N/mm22)型鋼彈性模量fcc(N/mmm2)混凝土抗壓強度As(mm2)鋼筋面積Ec(N/mm22)混凝土彈性模量fct(N/mmm2)混凝土抗拉強度Ia(mm4)型鋼強軸慣性矩Es(N/mm22)鋼筋彈性模量fs(N/mm22)鋼筋抗拉、抗壓強強度Ic(mm4)混凝土強軸慣性矩矩Ga(N/mm22)型鋼剪切模量Aa(mm2)型鋼面積fa(N/mm22)型鋼抗拉、抗壓強強度Ac(mm2)混凝土面積在主體結(jié)構(gòu)外框柱受力的同等條件下，對其承載力及剛度進行分析對比，如下表4是兩種柱組合后的承載力及剛度計算指標(biāo)對比：表4柱承載力及剛度計算對比Table3BearingCapacityandStiffnessCalculationofConcreteFilledSteelTubularColumnandStiffSteelConcreteColumn對比指標(biāo)指標(biāo)計算eq\o\acc(○,1)勁性鋼鋼骨混凝土柱柱eq\o\acc(○,2)鋼管混混凝土柱比率（eq\oo\ac(○,1)/eq\oo\ac(○,2)）彎曲剛度ΣEI，(EaIa+EccIc)4.38E+1665.63E+16677.85%軸向剛度ΣEA，(EaAa+EccAc)1.51E+1111.53E+11198.39%抗剪剛度ΣGA，（GaAa+GssAs+GGcAc）1.54E+1002.50E+10061.69%軸向承壓承載力ΣfA，（faAa+fcccAc+fsAs61E+08894.93%軸向抗拉承載力ΣfA，（faAa+fcctAc+fsAs）74435600098460799975.60%注：此表針對5層以下柱截面，5層以上柱截面尺寸相應(yīng)減小，此處不一一對比。通過以上兩種柱承載力及剛度計算對比分析，可得鋼管混凝土柱的承載力及剛度均大于勁性鋼骨混凝土柱，特別是抗剪性能明顯提高，這也符合其受力原理及分析的結(jié)果。因此，本工程外框柱變更為鋼管混凝土柱是最優(yōu)柱方案。2.3與梁連接節(jié)點分析勁性鋼骨混凝土柱與鋼梁的連接，一般是在柱上設(shè)置牛腿，其牛腿長度須伸出柱外側(cè)500mm（外包混凝土外），牛腿翼緣板及腹板焊接至十字鋼柱上，同時，須在十字鋼柱內(nèi)側(cè)加設(shè)傳力鋼板。但是此種方案的翼緣板與柱邊分布的豎向鋼筋發(fā)生沖突，將豎向鋼筋打斷，使豎向鋼筋傳力不連續(xù)，其連接亦非常不便，因此，勁性鋼骨混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點是個難點，存在較多缺點。鋼管混凝土柱與鋼梁的連接亦是在柱上設(shè)置牛腿，但此牛腿直接與鋼柱外壁焊接即可，考慮抗震要求，牛腿根部擴大截面，設(shè)置成“喇叭口”，是受力性能非常良好的節(jié)點。如圖5，鋼管混凝土柱模型：圖5鋼管混凝土柱模型Fig.5Concretefilledsteeltubecolumnmodel由此可見，變更為鋼管混凝土柱后，梁柱連接節(jié)點更加優(yōu)良。2.4結(jié)構(gòu)耐久性對比本工程離瓊州海峽海岸僅800米，地處低緯度熱帶北緣，屬于熱帶海洋氣候，年平均降水量1664毫米，雨日150天以上。因此，由于降雨多，及地理環(huán)境影響，平均空氣相對濕度達到85%，大部分時候空氣濕度超過90%。同時，處于高鹽霧大氣環(huán)境，空氣及其濕氣水分均含有豐富的腐蝕性成風(fēng)—氯離子。對于勁性鋼骨混凝土柱，一般對鋼骨柱不做防腐處理，其鋼骨柱外面的外包混凝土易受到濕氣水分及氯離子的腐蝕，由于其較強的穿透能力，不僅使混凝土本身受到化學(xué)腐蝕，而且使柱內(nèi)鋼筋與其發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，引起鋼筋及其鋼骨的腐蝕，而鋼筋腐蝕使其體積膨脹，對混凝土受力造成不利影響。而與空氣的長久接觸也將加速其碳化現(xiàn)象的發(fā)生，碳化過程中產(chǎn)生水分子，又將對加速鋼骨柱的銹蝕，形成惡性循環(huán)破壞。即使柱外做外裝飾防護，也很難隔絕空氣及其濕氣與氯離子。（關(guān)于混凝土碳化及氯離子的腐蝕，國內(nèi)外已有大量研究成果，本文不做太多贅述）。對于鋼管混凝土柱，其鋼柱外側(cè)一般做一定厚度的防腐油漆（富鋅底漆及環(huán)氧云鐵中間漆），將柱金屬與空氣良好的隔絕開，同時，柱內(nèi)高強混凝土亦被鋼板良好的與外界隔絕，使其一直處于良好的受力工作環(huán)境，使混凝土性能不受外界影響而改變，亦不易發(fā)生碳化現(xiàn)象而影響其強度。綜上分析，面對高濕度及富含氯離子的不良環(huán)境中，鋼管混凝土柱的耐久性明顯優(yōu)于勁性鋼骨混凝土柱。3勁性鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱的施工分析3.1施工工藝對比分析由于勁性鋼骨混凝土柱與鋼管混凝土柱其構(gòu)造不同，由此，其施工工藝也不同。在此，將其在施工現(xiàn)場的施工工藝概況簡化，進行對比分析。勁性鋼骨混凝土柱的施工工藝為：鋼骨柱安裝（吊裝、校正、焊接）→鋼筋綁扎→支模→澆筑混凝土→拆?！獗砩皾{找平及外裝飾?？珊喕艣r為6個步驟。鋼管混凝土柱的施工工藝為：鋼柱安裝（吊裝、校正、焊接、焊縫油漆補涂）→柱內(nèi)混凝土灌注→防火涂料施工及外裝飾。即僅3個工藝步驟。由此可見，鋼管混凝土柱的施工工藝明顯比勁性鋼骨混凝土柱簡單，更有利于施工。3.2對工期的影響就此兩種柱方案，影響工期的因素主要為其施工工藝。勁性鋼骨混凝土柱工藝多，且特別是鋼筋綁扎、支模及澆筑混凝土所占用的時間較長，同時，工序多，施工協(xié)調(diào)難度大，降低了施工效率，對施工工期不利。一般每節(jié)鋼骨柱外的鋼筋混凝土施工時間需要4天（正常條件，鋼骨柱按2層一節(jié)考慮），而且均屬于施工工期的關(guān)鍵線路上，對工期的影響非常大。鋼管混凝土柱施工的時間主要為鋼柱安裝，對于2層一節(jié)的鋼柱，安裝完成一節(jié)1天即可（防火涂料施工及外裝飾非關(guān)鍵工序關(guān)鍵線路，可后穿插施工）。而且工序可順利銜接，提