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    【行業知識】結構工程師煮酒論英雄—疊合柱 轉載于鋼結構網

    時間:2019-9-24     點擊量:225

    我大中華的很多城市,高樓大廈已是鱗次櫛比。在每棟高樓里面,我們都會看到一些框架柱,或大或小,或圓或方,或常規或異型。

    框柱看起來冰冷,尤其包上大理石或冷金屬之后,但它們撐起了比自身截面大得多的空間,這多少值得尊敬。

    以結構工程師的眼光來看,框柱的截面形式大致可分四類:普通鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱以及疊合柱。

    在做柱截面形式對比的時候,我總是想起《三國演義》中“煮酒論英雄”的片段。

    究竟誰是真英雄?

    若以使用頻率來評判,鋼筋混凝土最優,型鋼混凝土次之,鋼管混凝土再次之,疊合柱末之。

    盡管如此,我還是手指落寞的疊合柱:“天下英雄,唯君耳 ”。

    這篇文章就談談本人的邏輯,諸位可不當真。畢竟,本人看走眼與看對眼的概率,經常接近五五開。

    01、疊合柱的概念

    首先,我們要理解疊合的概念,誰和誰疊合?作為類比,疊合梁、疊合板大家是比較熟悉的,疊合說的是新舊混凝土之間的疊合,舊混凝土可以采用預制(或先澆),新混凝土則采用現澆(或后澆)。《混凝土結構設計規范》對疊合構件的構造及計算均有相對明確的規定。

    在裝配式結構及加固改造設計中,疊合既是一個基本概念,也是一個基本方法。想想裝配式結構中的疊合板,以及加固設計中的增大截面法。

    但是,疊合柱與常規的疊合概念略有不同,它指的是內部鋼管混凝土柱與外部鋼筋混凝土之間的疊合。

    同時,疊合還隱含了構件組成時在時間上的非同步性。即,同一個構件的新舊部分,在“澆筑”時間上,存在一個時間差。這個時間差如果小于混凝土的初凝時間,那就是整澆了。所以,只有時間差大于終凝時間,才會出現疊合。

    說到這里,我們會想到一些有意思的問題。比如,施工縫與后澆帶,算不算疊合?混凝土梁加固中的粘鋼法與碳纖維布加固法,算不算疊合?

    如果繼續較真的話,型鋼與鋼筋混凝土澆筑在一起,算不算疊合?那鋼筋與混凝土澆筑在一起,算不算疊合? 

    疊合的依據究竟是什么呢?本人認為,相比后澆部分,先澆部分能夠獨立受力,這是疊合的一個重要條件。

    我們說疊合概念中隱含了一個時間差,但疊合柱又有不同。按照《鋼管混凝土疊合柱結構技術規程》(CECS188:2005):

     疊合柱的內外組成部分既可不同期施工,也可同期施工。

    同期施工,就是指同時澆筑鋼管內混凝土和鋼管外混凝土。也就是說,在混凝柱澆筑方面,可以沒有時間差。你看,疊合柱就是這樣一個異類。

    同期施工的疊合柱可稱組合柱,這是規范的原話。但組合柱不能稱為疊合柱。我們通常說的組合柱,是指型鋼混凝土柱。

    那按照規范先生的意思,究竟什么是疊合柱呢?我們揣測一下:

     疊合柱是一種特殊的型鋼混凝土柱,其內型鋼為閉口截面,通常(還是必須?)為圓管,可以為多腔。

    讓我們把談論的對象就限定為鋼管混凝土疊合柱吧。

    02、疊合柱的優勢

    從構成來看,疊合柱與型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱有一定相似性,但又有不同,更像是二者取長補短后的改良。

    你看哈。相比型鋼混凝柱,疊合柱含鋼率更低(一級框柱,最小含鋼率3%),承載力更高(意味著截面可以更小),這在對比建筑面積使用率的時候,具有較大優勢。

    相比鋼管混凝土柱,疊合柱具有更好的防火防腐性能,更低的用鋼量。根據文獻介紹,疊合柱的承載力比鋼管混凝土柱高。

    為何疊合柱承載力更高?這是大家都關心的問題。雖然我們都理解混凝土三向受壓,承載力提高的道理。

    超高層建筑中,外框柱受力以壓彎為主。《材料力學》告訴我們,彎矩作用下,截面外側應力最大,中部應力較小,所以我們應該盡量將材料放到截面外側。而軸力作用下,截面均勻受力,材料應該平攤到截面上。

    截面壓彎復合受力時,最悲催的就是截面外側,既要承受軸壓作用下的均勻應力,也要承受彎矩作用下的彎曲拉壓應力。考慮不同方向的水平力工況,截面外側均可能承受拉力或壓力。

    疊合柱是怎么解決這個問題的呢?

    疊合柱以強大的內芯——鋼管混凝土柱,承受絕大部分的軸向壓力,從而將外側截面從均勻壓應力中解放出來,這樣外側截面就可以專心對付彎曲應力。

    想到這里,我拍案叫絕,這是“物盡其才”的又一次完美詮釋呀。至于上一次?

    誕生了一個劃時代的偉大產品——鋼筋混凝土。即用鋼筋承受拉力,用混凝土承擔壓力。

    疊合柱給出的解決思路,我們經常作為反例應用在節點設計中。

    比如,我們將節點位置的構件截面做得更小,這樣可以削弱它的抗彎承受能力,以更小的截面保證軸向承載力即可,這就是鉸接節點。

    再比如,混凝土構件,截面不變,但在支座位置,我們僅配置構造縱筋,這也是削弱了截面的抗彎承載力,也是一種鉸接做法。

    為了將更大的軸向力分配給內部的鋼管混凝土柱,這才有了先期施工的做法,相當于通過施工次序,給“內芯”一個預壓應力。這便引申出一個疊合比的概念。

    疊合比:核心鋼管混凝土柱已承受的施工期豎向荷載所產生的軸壓力設計值與疊合柱全部軸壓力設計值的比值。

    非同期施工相對麻煩,不少項目還是優先采用同期施工。對同期施工的疊合柱來說,疊合比等于0。

    如果疊合比等于零,那如何保證“內芯”承受更大的軸壓力呢?

    我們都知道,鋼管對內部混凝土有套箍作用,套箍作用可以提高內部混凝土的軸壓承載力。

    那軸力分配時,“內芯”會分配到更多軸力嗎?

    當然會!

    軸力以截面各部分豎向壓縮變形量進行分配,套箍后,內部混凝土的“壓縮模量”更大,變形更小,所以分配的軸力更多。(PS:這有點類似土力學中變形模量與壓縮模量的區別,后者考慮完全側限,所以量值更大。)

    以直徑為1800mm的圓形疊合柱為例,同期施工,柱內鋼管直徑1200mm,鋼管壁厚為28mm,鋼材采用Q390,混凝土采用C60,則套箍指數為1.2;鋼管混凝土的軸向剛度可放大1.8X1.2=2.16倍。如果不考慮套箍作用,管內混凝土承受軸向總壓力的42%,考慮套箍作用后,為70%.

    說到套箍作用,鋼管混凝土柱并不例外呀。為何鋼管混凝土柱承載力低于疊合柱呢?

    有一種解釋是這樣的:根據《高規》附錄F,鋼管混凝土柱由于長細比和偏心率的影響,軸心受壓承載力雙重折減,導致計算承載力降低。與此相對,疊合柱的管外混凝土可以約束鋼管混凝土,鋼管壁不會或推遲發生屈曲,承載力基本無需折減。

    同時,我在想另外一個問題。鋼管混凝土柱的鋼管,與疊合柱中鋼管不同,前者還要承受彎矩引起的彎曲應力(發揮了疊合柱中縱筋的作用),鋼管的應力狀態更復雜,其對混凝土的圍箍效應,是否會有所降低呢? 

    03、疊合柱的計算

    設計疊合柱時,首先需要注意四個參數:疊合比、套箍指數、管徑比和含鋼率。另外,征求意見稿還對鋼管混凝土截面面積與疊合柱截面面積的比值進行了規定。

    這幾個參數比較簡單,規范均有明確規定或算法。這節主要講相對特殊的規定。

    1)軸壓比

    根據 CECS188:2005,疊合柱的軸壓比是指管外混凝土的軸壓比。軸壓比限值可按照普通鋼筋混凝土來確定。很明顯,疊合比會影響管外混凝土的軸力分擔。如果框柱截面由軸壓比控制,即可通過調節疊合比來改變計算軸壓比。

    說到軸壓比,我們稍作拓展。

    《高規》關于軸壓比的規定中,采用芯柱可將框柱軸壓比限值提高0.05。柱內設置鋼骨,軸向承載力可以提高,相對原截面,也可認為軸壓比限值提高。

    其實,鋼筋混凝土芯柱、疊合柱內芯、組合柱的鋼骨都可改善構件軸壓比,但疊合柱的套箍作用最有效。

    疊合柱中鋼管混凝土的軸壓比如何確定呢?

    規范沒有明確指出,隱約規定應小于0.9。如果去查《鋼管混凝土結構技術規程》,我們還是沒有看到圓形鋼管混凝土軸壓比的相關規定,僅看到矩形實心鋼管混凝土的軸壓比規定,其計算依據與型鋼混凝土柱一致,即不考慮套箍作用。

    我手上有一份《鋼管混凝土疊合柱結構技術規程》的征求意見稿,此文稿對軸壓比計算有所調整,相當于對疊合柱內鋼管混凝土軸壓力提出了更高要求。

    2)軸向受壓承載力

    疊合柱的軸向受壓承載力分為兩部分,即管外鋼筋混凝土的軸壓承載力與鋼管混凝土的軸壓承載力,長細比折減僅對管外部分執行。

    以上述1.8m直徑的框柱作為算例,均不考慮長細比及偏心率折減時,疊合柱與鋼管混凝土柱的承載力計算值基本相同,考慮折減后,后者將小于前者。另外,疊合柱的含鋼率為4.1%,而鋼管混凝土柱的含鋼率為5.3%.

    經過計算,4.1%含鋼率的相同截面的型鋼混凝土柱,其承載力為相應疊合柱的75%.

    3)偏心受壓正截面承載力計算

    首先,先計算管外混凝土分擔的軸力設計值和彎矩設計值。其次,將截面等效處理,然后按照《混凝土結構設計規范》鋼筋混凝土柱正截面受壓承載力計算公式進行計算。

     

     

    4)配筋率與配箍率

    疊合柱的縱筋配筋率是指縱向鋼筋截面面積與管外鋼筋混凝土截面面積的比值。

    計算體積配箍率時,混凝土的體積取為外圍箍筋的內皮與鋼管之間混凝土的體積,即扣除鋼管混凝土的體積。

    但征求意見稿對上述兩個算法,均有大調整,大家注意辨析。

    04、疊合柱的構造

    通常情況下,框架梁采用鋼筋混凝土梁,框架柱也采用鋼筋混凝土時,構造最簡單。

    框架柱選用型鋼混凝土、鋼管混凝土、疊合柱時,構造都不簡單。

    有些業主或施工單位怕麻煩,所以不愿設計單位選擇承載力更高的柱截面形式,而寧愿加大配筋。但如果對建筑面積使用率的追求壓倒一切,疊合柱是一個不錯的選擇。

    接下來,我們討論一下疊合柱的梁柱連接節點。

    1)鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土疊合柱的連接構造

    該種構造,比較常用的做法有兩種,一種是鋼管貫通,鋼筋混凝土環梁與混凝土梁連接;另一種是梁縱筋貫穿鋼管節點。


    環梁三維節點

    采用環梁的主要問題是:環梁位置的鋼筋比較密集,尤其當梁端彎矩較大時,框架梁鋼筋插入和混凝土澆筑都比較困難,嚴重影響澆筑質量和工期。

    環梁施工照片

    即使采用穿管連接,也應盡量減小穿管。比如可將梁做寬,或梁端水平加腋,以便更多的鋼筋從鋼管兩側繞過。



    梁柱節點梁縱筋布置示意圖(梁端水平加腋)

    梁縱筋穿鋼管剖面示意圖

    穿管連接需要注意的問題是:多條混凝土梁斜交在柱節點時,鋼筋匯聚到鋼管內,導致管內混凝土澆筑困難。此時,可采用設置鋼外環箍來解決。

    2)鋼梁與鋼管混凝土疊合柱的連接構造

    疊合柱與鋼梁連接時如何處理呢?這和型鋼混凝柱與鋼梁連接情況類似,最主要的問題是解決柱縱筋穿鋼梁翼緣板。

    首先,盡量將鋼梁翼緣寬度控制在300mm,此時,在鋼梁翼緣寬度范圍內只有一根柱縱筋通過。通過調整縱筋排布,使這根縱筋正對鋼梁腹板。

    正對腹板的柱縱筋在遇到鋼梁時截斷,然后通過鋼筋連接器或構造連接板分別連接于鋼梁的上下翼緣 ,于是鋼筋由于被截斷而斷開的傳力路徑通過鋼梁腹板又有效地連接了起來。

    05、疊合柱的未來

    相比其他幾種常用的柱截面形式,我們對疊合柱的認識和研究相對較淺,從征求意見稿規范條文,也多少能看到這一點。

    但疊合柱并非新生事物,深圳諾德金融中心大廈、深圳卓越皇崗世紀中心、深圳華潤前海中心均采用了疊合柱方案。

    目前,我看到或正在做的一些設計項目,也逐步采用了疊合柱。未來,疊合柱的使用頻率可能會逐步提高,尤其結合裝配式建筑,疊合柱也許有更大的發展空間。

    但這都不是最主要的。

    以結構工程師的眼光來看,在提供承載力的時候,鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱基本算是硬抗,而鋼管混凝土柱和疊合柱卻是在借勢,疊合柱將這種勢能發揮得更加充分。

    從防火防腐這個角度來說,將鋼管裸露在外的鋼管混凝土柱則有些逆勢。

    孫子兵法中講到“求之于勢,不責于人”,順勢而為,是為人處世的大智慧。

    精妙的結構,都是懂得借勢的結構。唯有借勢,才有四兩撥千斤般地驚嘆,才有建筑與結構的和諧一統。

    在柱截面形式中,疊合柱可堪稱借勢的典范。正因為借勢,其單位承載力的造價也基本最低。

    這就是為何,在琢磨了各個柱截面形式之后,我認為,疊合柱才是我心目中的真英雄。





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