摘　要：贵阳城乡规划展览馆位于贵阳市金阳新区，是未来贵阳市的一座重要建筑，主要用于展示贵阳乃至贵州省城乡规划、建设成就及各类建设展览。本建筑采用了较多创新结构形式比如悬挂式钢桁架、核心筒内嵌钢管混凝土柱框架、方钢管混凝土叠合柱应用等。本文主要介绍方钢管混凝土叠合柱在本项目的应用。

关键词：贵阳城乡规划展览馆；方钢管混凝土叠合柱；钢结构

钢管混凝土叠合柱是较为新型的结构形式，在各种建筑结构中有大量的应用，比如桥梁、超高层，近年以来在我国大量的超高层建筑中应用甚广，比如深圳卓越皇岗世纪中心1号塔楼(280m)、2号塔楼(260m)、4号塔楼(185.5m)[1],均采用了钢管混凝土叠合柱作为结构中的重要竖向构件。在现实工程中，以圆钢管混凝土叠合柱应用最为广泛。对方钢管混凝土叠合柱，国内的相关研究应用相对较少[2，3，4]。本文试图通过方钢管混凝土叠合柱柱的设计应用，探索这一工程技术的设计方法、技术特点及工程应用的前景。

相比普通钢筋混凝土柱，钢管混凝土叠合柱主要有如下优点：1）刚度、强度均较大，钢管混凝土叠合柱除拥有型钢特点外，同时对管内混凝土形成约束混凝土，管内混凝土强度越高此效应越明显；2）延性好，由于采用钢管混凝土芯柱，因此钢管混凝土叠合柱的延性比钢筋混凝土柱提高很多；3）施工简便，由于钢管混凝土中的钢管可以与楼面钢梁等首先形成框架作为结构的一部分临时支撑系统，同时，钢管内外混凝土浇筑可以分别进行（也有在外模完成后同时浇筑的处理），这样既可以减少结构系统所需模板，利用钢结构易于成形的优势加快施工速度，又兼顾混凝土部分的施工安装。

与普通钢管混凝土相比，钢管混凝土叠合柱还具有防火性能好、与混凝土构件更加易于搭接的优点，当然其强度、刚度比同尺寸钢管混凝土略差。

根据文献[2]，钢管混凝土叠合柱有三种截面类型，即圆套圆（圆钢管混凝土叠合圆柱）、方套圆、方套方。作为钢管混凝土叠合柱的一种重要截面形式，由于采用方钢管，因此其与楼面钢梁、混凝土梁的连接、就位更方便，有利于施工、安装。在对强度要求不是特别高的工程中其应用性更灵活。

1 方钢管混凝土叠合柱(CFBT-RC)算法

1.1 结构刚度计算假定

目前，国内与钢管混凝土叠合柱有关的主要规范包括：钢管混凝土叠合柱结构技术规程、福建省标准：钢管混凝土结构技术规程、矩形钢管混凝土结构技术规程等[3,5]，这些规范规定了钢管混凝土叠合柱的计算假定、设计方法、构造措施等等,对规范钢管混凝土叠合柱设计、施工具有重要指导意义。然而可以看到，一些特殊截面、特殊构造需要进一步的研究、试验。

根据文献[2]，以及规范[3]，初步确定了本工程中方钢管混凝土叠合柱的研究方法。

参照参考文献[3]的精神，本文采用的方钢管混凝土叠合柱的弹性等效刚度计算方法如下：

式中Ec0、Ecc、Ea—分别为钢管外混凝土、钢管内混凝土和钢管的弹性模量;

Gc0、Gcc、Ga—分别为钢管外混凝土、钢管内混凝土和钢管钢材剪变模量;

Ac0、Acc、Aa—分别为钢管外混凝土、钢管内混凝土和钢管的截面面积;

Ic0、Icc、Ia—分别为钢管外混凝土、钢管内混凝土和钢管截面在所计算方向对其形心轴的惯性矩 。

结合有关文献做法，并不考虑约束混凝土的刚度强化效应无有关试验数据支持。设计上在构建结构分析模型时，由于截面刚度计算公式为各组成项的简单叠加，因此在设计中只需要定义好构件各组成材料的弹性模量、截面特性即可。而采用等效截面法主要针对分析程序无法模拟两种材料截面模型的情况，此时只需要将等效截面界定为单一材料（钢或混凝土），并以其弹性模量作为等效材料模量，从而换算出等效截面面积。在本工程应用中，采用了按照截面实际材料组成的方法输入构件截面进行结构分析计算。

在计算楼面钢梁的刚度时，因采用与钢梁紧密连接的钢筋桁架楼承板体系，故考虑了楼面板效应下的梁刚度放大系数。而对于混凝土核心筒墙内连梁则考虑风荷载与地震作用下的刚度折减系数。

通过上诉假设，即可完成结构整体模型的建立与分析，在本工程中，利用了Midas Gen、3D3S、PKPM等软件分别建立独立模型进行了对比计算分析并完成构件设计。

由于3D3S主要用于钢构件的设计，因此主要与Midas Gen模型的钢结构部分的构件内力、变形进行了比对，结果表明两种模型结果比较接近。同时，也对Midas Gen和PKPM模型进行了整体性能表现的比对，结果也比较接近。通过上述模型比对，确保了模型假设、模拟的正确性。

1.2 CFBT-RC柱验算假定

方钢管混凝土叠合柱的设计验算主要参考了规范[3]、[4]、[5]、参考文献[2]。构件验算分两部分进行，即钢管混凝土柱与管外混凝土。按照钢管混凝土部分主要承受轴压力作用，剩余少量轴压力与弯矩由管外钢筋混凝土承担的原则进行轴压与抗弯验算。因此，计算上可以分别采用[4]计算芯柱截面，本文认为构件截面设计时应该适当考虑钢管的套箍效应,同时参考方钢管混凝土柱规程的有关规定，并按叠合柱结构技术规程计算管外钢筋混凝土截面及配筋。

截面验算主要分以下几个方面：

（1）轴压验算

本着安全同时不失经济的原则，本工程采用方钢管混凝土截面轴压公式[4]如下：

其中，

N为轴压力设计值； 为轴心受压稳定系数，考虑钢管外混凝土的约束作用，该稳定系数可以按照截面外包尺寸混凝土截面计算后较大值，尽管如此，该取值也是偏于安全的；Nu为截面抗压承载力设计值；Aac＝Aa+Acc

 ，为钢管混凝土叠合柱的约束效应系数（或称套箍系数），其中 为钢管钢材的抗拉、拉压和抗弯强度设计值;  为钢管内混凝土轴心抗压强度设计值。

从上述公式的解构分项看，有：      这也就意味着本套公式考虑了方钢管对混凝土的套箍效应，同时由于方钢管自身面积等所占整个截面的比例，其强度的发挥是可变的。比如钢材5％，则其材料性能发挥大约为90％（不同含钢率该值有所不同），这从侧面证明了方钢管混凝土柱的性能比圆钢管混凝土柱差。

通常情况下未作角部卷边冷弯处理的方钢管约束效应比作角部卷边处理的方钢管略低，这类影响因素在本项目设计中暂未考虑。此处不深入展开探讨二者差异。

（2）其他验算项

对方钢管混凝土柱，仍然考虑套箍效应对混凝土的有益影响，因此,根据参考文献[4]，对方钢管混凝土柱的受弯、偏压/偏拉以及抗剪验算均以该规程有关章节的规定进行。此时，管外混凝土的抗弯、抗剪、压弯（不考虑拉弯）验算则以文献[3]的有关规定进行。

上述验算需先根据文献[3]确定管外混凝土与钢管混凝土的刚度分配比例、强度分配比例、是否同期施工等因素确定各部分可以承担的荷载比例，再进行有针对性的校核。本文正是基于此概念对本项目的CFBT-RC柱进行了设计校核。结论表明按上述思路处理的柱截面不仅承载力较高，同时也能有效抵抗模型计算得到的柱内力。

2 本项目CFBT-RC柱的应用情况

2.1 项目概况

贵阳城乡规划展览馆（以下简称展览馆）位于贵阳市金阳新区林城东路,国际会议展览中心西侧，占地面积31572m2，建筑面积20222 m2，地下一层，地上四层。地下部分采用混凝土结构，地上部分采用钢－混凝土混合结构体系。由于采用了大跨度纯钢结构屋盖，本建筑结构地上部分主要依靠相对均衡的四组SRC核心筒组成竖向和水平传力系统。又由于本项目东、北侧在三层楼面（13.7m标高）以上均有16m悬挑，因此自屋盖钢桁架向下采用悬挂式结构，形成以下各楼层结构，悬挂结构通过悬挂柱、悬挂斜撑与楼面梁及屋盖大桁架共同组成传力系统。建筑外形与结构组成如图1(a～h)所示。屋盖钢桁架的支撑柱位于B、C、G轴（南北向）以及3、4、10、11（东西向）轴上，支撑柱全部采用CFBT－RC柱截面。四个核心筒在角部则采用方钢管混凝土芯柱外包混凝土的处理方法，以保证与屋盖桁架、楼面梁的有效连接。

图1a：展览馆三维效果图(贵阳城乡规划展览馆)

图1b：展览馆典型立面图（南北向一：桁架与核心筒）

图1c：展览馆典型立面图（南北向二：桁架与框架柱）

图1d：展览馆典型立面图（东西向一：桁架与核心筒）

图1e：展览馆典型立面图（东西向二：桁架与框架柱）

图1f：展览馆平图（平面图一：首层）

图面下方为东方，上方为西方，左侧为南方，右侧为北方

图1g：展览馆平图（平面图二：三层，13.700m标高）

从图中可知，四个核心筒内部区域由下部框架梁柱支撑，自本层往上该区域框架柱则不再上升，形成本层大空间展示区。

图1h：展览馆平图（平面图三：屋盖，32.200m标高）(方钢管混凝土叠合柱)

2.2 CFBT－RC柱设计

本项目根据前节设定的验算方法对所有CFBT－RC柱进行了设计验算。这里仅给出一典型位置柱的验算结果。

根据模型计算结果，取最大柱底内力计算。最大柱底轴力Nmax＝15500kN，Vmax＝250kN，Mmax＝550kN.m。上述包络值不一定同时出现，因此计算上按简单单项考虑，不考虑耦合作用。假定Nmax与Mmax同时出现，则偏心矩近似在35～55mm区间，因此可认为本项目框架柱以轴心受压为主。

根据本文确定的计算方法，典型CFBT－RC柱长为层高5.75m，截面为1000x1000，方钢管尺寸为600x600x20，管内外混凝土均按C30，采用Q345C级钢材。

对管内混凝土及钢管，稳定系数 ＝0.91，ξ0=3.0, fac=53.4MPa。故Nu＝19202kN＞Nmax＝15500kN。满足。

2.3 CFBT－RC柱-梁节点

本项目的CFBT－RC柱-梁节点有如下几种情况：一、与钢筋混凝土梁相连；二、与钢梁相连；与型钢-混凝土梁相连。此外，柱脚节点也是CFBT－RC柱节点的一种重要节点，该类柱脚节点有直接与基础相连、与下部构件相连两种情形。各类CFBT－RC柱节点见图2(a,b)所示。

图2a： CFBT－RC柱-梁节点（SRC梁-柱节点）(贵阳城乡规划展览馆)

图2b： CFBT－RC柱脚节点(方钢管混凝土叠合柱)

梁柱节点设计中，对钢梁与CFBT－RC柱相连情况，根据计算假定条件，如为刚接节点则按图所示进行节点区加强及连接。对与混凝土相连情况，考虑梁上钢筋与柱相连并不容易，根据相关分析研究，确定按文献[6]所推荐的方法，在柱上开适量钢筋孔，方便梁上部分钢筋穿越钢柱，根据结构设计结果，以及梁端加腋情况，将梁中部钢筋穿越钢筋孔，梁边钢筋则穿越钢柱两侧各200mm厚的管外混凝土。

2.4 构造

针对本项目CFBT－RC柱及其梁柱节点的构造措施有如下几个方面。

1)柱身栓钉。为确保方钢管柱与管外混凝土的有效连接，对柱身全高应用了栓钉，并在节点区加密；

2)节点区加强。节点区加强通过两种方式，一种是普通节点加强方式，这种情况主要确保在节点区相连的梁柱支撑在柱内、梁上形成等强节点加劲板（肋板）；另一种情况是节点各相连构件尺寸较大、强度较高，受力比较复杂，难以通过普通节点形式实现节点加强，因此采用铸钢节点进行加强。本项目对铸钢节点与钢构件连接时，采取了过渡段的做法。由于铸钢节点区壁厚较厚，通常比普通钢构件壁厚厚一倍左右，因此在连接铸钢节点与钢构件时，连接部位由于厚度差太大易造成天然缺陷，因此设置适当长度的过渡段，使铸钢节点与钢构件相连时逐渐从较厚壁厚过渡到与所连接钢构件壁厚相同的厚度，这样的过渡段可以与铸钢件同时制作。

3)混凝土或型钢混凝土梁纵筋穿越钢筋孔及钢筋孔开孔原则，钢筋混凝土梁与CFBT－RC柱相连，节点区钢筋穿孔是形成这类节点的关键，由于柱四面相连的梁可能随着截面大小、是否悬挑、受力配筋等因素影响从而对节点区强度造成影响，因此为保证节点区的整体性，对本项目的所有混凝土梁-钢柱相连部位均考虑为梁纵筋预留穿孔。开孔的优先原则如下：a悬挑梁顶钢筋孔开在上侧；b相交框架梁按截面较大的开孔在上侧；c相交框架梁截面相同时按配筋较大的开孔在上侧。

通过上述构造措施，有效的保证了结构的整体性与稳定性，同时在对结构无明显削弱的情况下，方便了结构施工，使钢结构安装、混凝土工程交叉施工得到了适当简化，提高了施工效率，适当保证了施工质量。

3 结论与展望

本文详细的介绍了方钢管混凝土叠合柱的算法、节点、构造等，从设计、施工角度解答了这类构件截面形式的优点即结构简单、连接方便、构造简单、易于施工等。相信在越来越多的项目中这类截面形式的结构将会得到更加广泛的应用。本文可作为类似工程项目的一个参考。

参考文献

[1] 黄用军，尧国皇，宋宝东等，钢管混凝土叠合柱在深圳卓越•皇岗世纪中心项目中的应用，广东土木与建筑，2008 年7月，第7期

[2] 廖飞宇，韩林海，方形钢管混凝土叠合柱的力学性能研究，工程力学，2010年4月，第27卷第4期

[3] 钱稼茹，林立岩等，钢管混凝土叠合柱结构技术规程，CECS 188 :2005，中国计划出版社，:中国工程建设标准化协会，2005年8月31日

[4] 陶忠，陈华等，福建省标准：钢管混凝土结构技术规程，DBJ/T13-51-2010，福建省住房和城乡建设厅，2010年2月10日

[5] 沈祖炎，吕西林等，矩形钢管混凝土结构技术规程，CECS 159:2004，国工程建设标准化协会，2005年8月31日

[6] 黄用军，尧国皇，宋宝东等，钢管混凝土叠合柱的计算与设计，钢结构，2008年7月，第7期第23卷总第109期