海南商业广场外框型钢砼柱变更为钢管砼柱的设计与施工

XX国际广场外框型钢砼柱变更为钢管砼柱的设计与施工分析（施工技术2012年9月下，第373期，第50页）王永年，张磊，赵海兴，田卫国[摘要]钢管混凝土柱技术作为目前超高层钢结构建筑主要采用的结构形式，已日趋成熟，在各地的超高层建筑中均得到充分利用。XX国际广场原设计外框结构为劲性钢骨混凝土柱，后变更为矩形钢管混凝土柱，使结构受力更可靠，抗震性能更强，特别是减少了施工工序，施工更方便快捷。地上主体外框共计52层，钢结构施工工期仅280天，其中第31-50层达到3天一层的施工速度。实践证明，采用钢管混凝土柱，对设计与施工均为最优方案，可取得较好的经济效益。[关键字]钢管混凝土柱劲性钢骨混凝土柱设计与施工分析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工程介绍XX国际广场项目位于海南省海口市龙华区金贸中路12号。其主楼地下3层，地上外框52层，核心筒55层，建筑总高度249.7米，为海南第一高楼。主体结构为框架核心筒结构，其外框结构为平面分布的22个矩形截面柱组成，其外框柱之间，及与核心筒结构均通过钢梁相连接，形成框架结构。地上结构平面布置图见图1。图1地上结构平面布置图Fig.1Thegroundstructurelayout原设计外框结构柱为十字劲性钢骨混凝土柱，钢骨柱材质为Q345B，柱混凝土1～34层标号为C60,35～52层为C50,并在柱边配有HRB400，36根直径32的竖向钢筋，及直径16mm的箍筋（加密区间距100，非加密区200），见图2，为劲性钢骨外框柱5层以下柱截面图。变更后，外框柱为矩形钢管混凝土柱，钢管材质为Q345B，柱内灌注C60混凝土，见图3，为钢管混凝土柱5层以下柱截面图。图2劲性钢骨外框柱5层以下柱截面图Fig.2SectionaldrawingofStiffSteelConcreteColumnunder5layer图3钢管混凝土柱5层以下柱截面图Fig.3SectionaldrawingofConcreteFilledSteelTubularColumnunder5layer本工程外框钢管混凝土柱施工完毕，主体结构封顶实景见图4。图4主体结构封顶Fig.4mainstructerroof-sealing2劲性钢骨混凝土柱与钢管混凝土柱的设计分析2.1主要技术指标对比分析针对XX国际广场外框柱从劲性钢骨混凝土柱变更为钢管混凝土柱，仅为外框柱代换，其余设计技术参数及设计资料均不变，可认为是外框柱的等强代换，其发挥的结构功能是相同的。但是，这两种外框柱的截面积，自重及材料用量等却发生了变化，最显著的变化是钢管混凝土柱截面及混凝土用量的大大减小。现取1米柱高的长度，分析其截面积及每米柱高材料用量的情况，见表1。表1劲性钢骨混凝土柱与钢管混凝土柱主要技术指标对比分析Table1ComparativeanalysisonthemaintechnicalindexesofConcreteFilledSteelTubularColumnandStiffSteelConcreteColumn序号对比项eq\o\acc(○,1)劲性钢钢骨混凝土柱柱eq\o\acc(○,2)钢管混混凝土柱eq\o\acc(○,2)相对于于eq\oo\ac(○,1)对比指指标1混凝土用量3.06m22.4m2减少27.5%2钢材用量1918.6KKg2492.56Kg增加10.5%（合计用钢量）3钢筋用量312Kg04柱截面积3.3m22.7675mm2减少19.24%5每米自重9575Kg8252Kg减少16.0%注：C60混凝土密度按2400kg/m3，钢材密度按7850kg/m3计算。5层以上柱截面相应减小，此处不一一对比。由以上分析可见，钢管混凝土柱柱截面减小19.24%，每层22个钢柱可节约11.72m2使用面积（5层以下），这对以面积为单位租售使用的建筑可创造可观的经济效益，最大限度的减少了外框柱结构占用使用面积的楼层面积损失。混凝土用量减少27.5%，每层减少混凝土用量达61m2（5层以下层高4.2米）。而混凝土作为一种大量浪费资源，取材造成严重的环境破坏及空气污染，使用后即成为建筑垃圾的材料，应减少使用，同时，其运输及浇筑施工也带来诸多环境污染问题，是一种非绿色建筑材料。因此，大量减少混凝土使用，是一件利国利民，创造长远经济效益的方法，也为本工程创造了良好经济效益。钢材用量增加10.5%，每层增加约5.7吨（5层以下），而钢材作为一种可重复循环利用，绿色环保材料，应代替非绿色材料而增加使用。针对本工程，其用量增加带来的成本小于其他因素创造的经济效益。钢管混凝土柱的自重减少达16.0%，可减小整体结构本身的自重，从而减小地基承载力及外框柱的承载力，可节约基础结构的设计及施工等造价成本，也因此而再次减小外框柱截面，创造十分显著而客观的经济效益。综上所述，变更为钢管混凝土柱后，从结构设计方面创造了较大经济效益，尽管钢管混凝土柱需要增加防腐及防火涂装施工造价，但仍远小于钢管混凝土柱本身带来的经济效益，仍是最优方案。2.2受力分析本工程外框柱若采用劲性钢骨混凝土柱，其型钢分布中柱中心位置，型钢与混凝土均受压，混凝土主要在箍筋等钢筋约束下承受压力而工作，而变更为钢管混凝土柱后，钢材分布在柱周，为柱抗弯最有效的位置，同时，对柱内混凝土起到绝对的约束作用，使其三向受压，充分发挥了混凝土抗压强度大的优点。同时，混凝土也可以延缓甚至避免钢管的局部屈曲，保证钢材性能得到充分发挥。相比劲性钢骨柱，钢管能同时起到纵向钢筋及横向钢筋的作用，其截面长厚比在90以下，相当于配筋率至少在5%以上，远超过抗震设计规范对钢筋混凝土柱所要求的最小配筋率限值，其抗震性能亦优于劲性钢骨混凝土柱。针对钢材及混凝土两种材料性能及其分布不同，组合后的力学性能也不同，如下表2为两种柱其受力指标参数：表2劲性钢骨混凝土柱与钢管混凝土柱受力指标参数Table2ForceIndexParameterofConcreteFilledSteelTubularColumnandStiffSteelConcreteColumn结构形式Ea(N/mm22)Ec(N/mm))Es(N/mm))Ga(N/mm))fa(N/mm22)fcc(N/mmm2)fct(N/mmm2)劲性钢骨混凝土柱柱2.06E+0553.60E+0442.10E+0557.90E+04429527.52.09钢管混凝土柱2.06E+0553.60E+0442.10E+0557.90E+04429527.52.09结构形式fs(N/mm22)Aa(mm2)Ac(mm2)As(mm2)Ia(mm4)Ic(mm4)劲性钢骨混凝土柱柱3601952003075847289534.71E+1001.18E+122钢管混凝土柱360316400245110001.6E+118.09E+111注：此表针对5层以下柱截面，5层以上柱截面尺寸相应减小，此处不一一对比。各符号说明见表3：表3各符号说明Table3EachSymbolExplanationEa(N/mm22)型钢弹性模量fcc(N/mmm2)混凝土抗压强度As(mm2)钢筋面积Ec(N/mm22)混凝土弹性模量fct(N/mmm2)混凝土抗拉强度Ia(mm4)型钢强轴惯性矩Es(N/mm22)钢筋弹性模量fs(N/mm22)钢筋抗拉、抗压强强度Ic(mm4)混凝土强轴惯性矩矩Ga(N/mm22)型钢剪切模量Aa(mm2)型钢面积fa(N/mm22)型钢抗拉、抗压强强度Ac(mm2)混凝土面积在主体结构外框柱受力的同等条件下，对其承载力及刚度进行分析对比，如下表4是两种柱组合后的承载力及刚度计算指标对比：表4柱承载力及刚度计算对比Table3BearingCapacityandStiffnessCalculationofConcreteFilledSteelTubularColumnandStiffSteelConcreteColumn对比指标指标计算eq\o\acc(○,1)劲性钢钢骨混凝土柱柱eq\o\acc(○,2)钢管混混凝土柱比率（eq\oo\ac(○,1)/eq\oo\ac(○,2)）弯曲刚度ΣEI，(EaIa+EccIc)4.38E+1665.63E+16677.85%轴向刚度ΣEA，(EaAa+EccAc)1.51E+1111.53E+11198.39%抗剪刚度ΣGA，（GaAa+GssAs+GGcAc）1.54E+1002.50E+10061.69%轴向承压承载力ΣfA，（faAa+fcccAc+fsAs61E+08894.93%轴向抗拉承载力ΣfA，（faAa+fcctAc+fsAs）74435600098460799975.60%注：此表针对5层以下柱截面，5层以上柱截面尺寸相应减小，此处不一一对比。通过以上两种柱承载力及刚度计算对比分析，可得钢管混凝土柱的承载力及刚度均大于劲性钢骨混凝土柱，特别是抗剪性能明显提高，这也符合其受力原理及分析的结果。因此，本工程外框柱变更为钢管混凝土柱是最优柱方案。2.3与梁连接节点分析劲性钢骨混凝土柱与钢梁的连接，一般是在柱上设置牛腿，其牛腿长度须伸出柱外侧500mm（外包混凝土外），牛腿翼缘板及腹板焊接至十字钢柱上，同时，须在十字钢柱内侧加设传力钢板。但是此种方案的翼缘板与柱边分布的竖向钢筋发生冲突，将竖向钢筋打断，使竖向钢筋传力不连续，其连接亦非常不便，因此，劲性钢骨混凝土柱与钢梁的连接节点是个难点，存在较多缺点。钢管混凝土柱与钢梁的连接亦是在柱上设置牛腿，但此牛腿直接与钢柱外壁焊接即可，考虑抗震要求，牛腿根部扩大截面，设置成“喇叭口”，是受力性能非常良好的节点。如图5，钢管混凝土柱模型：图5钢管混凝土柱模型Fig.5Concretefilledsteeltubecolumnmodel由此可见，变更为钢管混凝土柱后，梁柱连接节点更加优良。2.4结构耐久性对比本工程离琼州海峡海岸仅800米，地处低纬度热带北缘，属于热带海洋气候，年平均降水量1664毫米，雨日150天以上。因此，由于降雨多，及地理环境影响，平均空气相对湿度达到85%，大部分时候空气湿度超过90%。同时，处于高盐雾大气环境，空气及其湿气水分均含有丰富的腐蚀性成风—氯离子。对于劲性钢骨混凝土柱，一般对钢骨柱不做防腐处理，其钢骨柱外面的外包混凝土易受到湿气水分及氯离子的腐蚀，由于其较强的穿透能力，不仅使混凝土本身受到化学腐蚀，而且使柱内钢筋与其发生电化学反应，引起钢筋及其钢骨的腐蚀，而钢筋腐蚀使其体积膨胀，对混凝土受力造成不利影响。而与空气的长久接触也将加速其碳化现象的发生，碳化过程中产生水分子，又将对加速钢骨柱的锈蚀，形成恶性循环破坏。即使柱外做外装饰防护，也很难隔绝空气及其湿气与氯离子。（关于混凝土碳化及氯离子的腐蚀，国内外已有大量研究成果，本文不做太多赘述）。对于钢管混凝土柱，其钢柱外侧一般做一定厚度的防腐油漆（富锌底漆及环氧云铁中间漆），将柱金属与空气良好的隔绝开，同时，柱内高强混凝土亦被钢板良好的与外界隔绝，使其一直处于良好的受力工作环境，使混凝土性能不受外界影响而改变，亦不易发生碳化现象而影响其强度。综上分析，面对高湿度及富含氯离子的不良环境中，钢管混凝土柱的耐久性明显优于劲性钢骨混凝土柱。3劲性钢骨混凝土柱与钢管混凝土柱的施工分析3.1施工工艺对比分析由于劲性钢骨混凝土柱与钢管混凝土柱其构造不同，由此，其施工工艺也不同。在此，将其在施工现场的施工工艺概况简化，进行对比分析。劲性钢骨混凝土柱的施工工艺为：钢骨柱安装（吊装、校正、焊接）→钢筋绑扎→支模→浇筑混凝土→拆模→柱外表砂浆找平及外装饰。可简化概况为6个步骤。钢管混凝土柱的施工工艺为：钢柱安装（吊装、校正、焊接、焊缝油漆补涂）→柱内混凝土灌注→防火涂料施工及外装饰。即仅3个工艺步骤。由此可见，钢管混凝土柱的施工工艺明显比劲性钢骨混凝土柱简单，更有利于施工。3.2对工期的影响就此两种柱方案，影响工期的因素主要为其施工工艺。劲性钢骨混凝土柱工艺多，且特别是钢筋绑扎、支模及浇筑混凝土所占用的时间较长，同时，工序多，施工协调难度大，降低了施工效率，对施工工期不利。一般每节钢骨柱外的钢筋混凝土施工时间需要4天（正常条件，钢骨柱按2层一节考虑），而且均属于施工工期的关键线路上，对工期的影响非常大。钢管混凝土柱施工的时间主要为钢柱安装，对于2层一节的钢柱，安装完成一节1天即可（防火涂料施工及外装饰非关键工序关键线路，可后穿插施工）。而且工序可顺利衔接，提