第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 超大截面矩形钢管混凝土柱结构设计 吴兵，邸博，傅学怡，孟美莉，郑竹，冯叶文，黄船宁 (1.深圳大学建筑设计研究院，深圳，518060；2.深圳宝能投资集团，深圳，518000) 摘要：超大截面矩形钢管混凝土柱因其施工较为方便、轴向刚度及承载力巨大等优点，广泛应用于超高层巨型结构体系中.
以沈阳宝能金融中心T1塔楼项目为背景，针对巨型柱截面选型、承载力计算、钢管与混凝土的共同工作以及巨柱钢管壁屈曲 等关键设计提出建议，完善了超大截面矩形钢管混凝土柱的设计方法，所得结论对其他超高层建筑巨型钢管混凝土柱设计具 有较好的借鉴作用.
关键词：超大截面矩形钢管混凝土柱：承载力：钢管和混凝土共同工作：屈曲稳定：分配梁： 1引言 巨型结构体系由于具有多道抗震设防防线、巨大的抗侧刚度及良好的整体工作性能、满足多种使用功 能的建筑平立面要求等显著优势，因此，该种结构体系在超高层建筑中的应用愈加广泛.
其中，超大截面 矩形钢管混凝土结构因其施工方便、轴向刚度及承载力巨大等优点而迅速发展起来.
例如，“台北101”巨 型钢管混凝土柱最大截面尺寸为3000mmx2400mm：“广州东塔"最大巨柱截面尺寸达3500mmx5600mm； “深圳京基金融中心”巨柱的截面尺寸达3900mmx2700mm等.
2工程概况 54. 70m 图1建筑效果图 图2抗侧力体系构成图 图3结构平面布置图 沈阳宝能金融中心T1塔楼位于沈阳市沈河区，塔楼地上113层，标准层层高4.5m，主体结构屋盖高 度为548m，建筑效果图见图1.
采用巨型钢斜撑外框架劲性钢筋混凝土核心筒外伸臂钢桁架结构体系， 如图2所示，标准层结构平面如图3所示.
塔楼外框结构主要由8根巨柱、空间带状桁架、角桁架、巨型 钢斜撑和各层边框梁组成.
8根巨柱从塔楼地下室一直延伸至结构顶部，通过沿塔楼全高设置的四道外伸 臂与核心筒相连，有效提高结构侧移刚度，抵抗水平荷载引起的倾覆力矩.
8根巨柱结构设计对整体结构 作者简介：吴兵（1977-），男，硕士，教授级高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 的安全性至关重要 3巨柱截面选型 塔楼底部巨柱截面尺寸达5200mmx3500mm，沿结构高度并协调建筑要求分段内收，顶部楼层巨柱截 面2000mmx2000mm.
初步设计时拟采用钢管混凝土或型钢混凝土巨型柱，两种截面形式的柱子在国内均 有应用，各有优缺点，但对于如此大截面型钢混凝土和钢管混凝土的设计施工经验不多，因此需要对两者 进行全面对比分析，综合各方面因素确定巨柱截面形式，并通过一些措施改善其缺陷.
3.1型钢混凝土（SRC）方案 图4为结构一区巨柱采用型钢混凝土截面时内置型钢及配筋图，型钢混凝土需要配置大量纵向钢筋和 箍筋，同时型钢壁上需要设置栓钉，确保型钢与混凝土界面不发生滑移.
1 （a）内置型钢定位图 （b）配筋图 图4型钢混凝土巨柱内置型钢及配筋图 3.2钢管混凝土（CFST）方案 图5为结构一区巨柱采用钢管混凝土截面时非楼层处及楼层处截面.
5209 （a）非楼层处截面 （b）楼层处截面 图5 双腔钢管混凝土巨柱截面 3.3受力性能分析 巨柱主要承受轴力和双向弯矩，采用ABAQUS通用有限元软件进行钢管混凝土与型钢混凝土巨柱受 力性能分析，有限元模型如图6-图7所示.
相同截面尺寸、相同材料、相同型钢用量（钢管混凝土型钢用 量与型钢混凝土内置型钢用量相同，均为6%），两种巨柱形式承载能力比较如下.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 据管况基土巨柱 型钥混凝土巨柱 型钢 钢筋笼 图6钢管混凝土巨柱有限元模型 图7型钢混凝土巨柱有限元模型 3.3.1轴心受压承载力对比 1.2106 1.0[06 2.0005 0.0E00 50 独病位移(mm) 100 150 图8巨型柱轴心受压荷转-应变曲线 3.3.2弯曲承载力对比 钢管混凝土巨柱和型钢混凝土巨柱强轴、弱轴抗弯全过程弯矩-曲率曲线如图9~图10所示.
9005 7.0005 80t 05 7.0E05 6.005 60E05 5.0E05 S.0E05 40x05 40E05 3045 3005 2.0E05 2.005 一型初款土位 1.0E05 1.0E05 00t00 0.0t00 15 恢度im) ce 2.3 33 图9巨型柱强轴弯矩-曲率曲线 图10巨型柱病轴弯矩-曲率曲线 3.3.3偏心受压承载力对比 钢管混凝土巨柱和型钢混凝土巨柱强、弱轴偏压N-M相关曲线如图11~图12所示.
1.2006 1.2t06 1.0E406 型凝土巨性 1.9606 一型土柱 8.0(05 sx05 40E05 4.0E=05 2.0t 05 2.0=05 0.0[-00 0.0[-00 28[-05 4.8[-05 6.0-05 0-05 100-6 1.3-46 0.0500 My(wn) 0.800 2.005 M(NH-n) 4.0E05 60(05 8.0(05 图11巨型柱强轴N-M相关曲线 图12巨型柱弱轴N-M相关曲线
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 通过对含钢率相同的钢管混凝土和型钢混凝土巨柱轴向受压、单向弯曲、偏心受压全过程分析（图8~ 图12），可以得到以下几点结论： （1）两种截面巨柱弹性阶段轴向刚度基本相同： （2）钢管混凝土巨柱弯曲承载力较型钢混凝土高： （3）钢管混凝土巨柱单向偏压承载力较型钢混凝土高出较多.
3.4防火性能 巨柱防火等级为一级，耐火极限要求3小时以上.
型钢混凝土较无保护措施的钢管混凝土防火性能好.
《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）中指出，型钢混凝土巨柱和外挂50mm厚钢丝网砂浆或外涂10mm 厚防火涂料的钢管混凝土巨柱耐火极限都超过3小时，均满足设计要求.
理论上截面越大，防火性能越好， 因此可以认为外挂50mm厚钢丝网砂浆或外涂10mm厚防火涂料的钢管混凝土巨柱完全能够满足设计要 求.
3.5施工可行性 钢管混凝土巨柱较型钢混凝土巨柱施工方便，型钢混凝土巨柱需要支模板、制作钢筋骨架、节点区钢 筋被打断，尤其是加强层及带状桁架层，大部分钢筋不能贯通，需要接驳器连接或焊接在型钢上，施工困 难.
3.6经济性 第2.3节中设计的钢管混凝土巨柱，钢材用量与型钢混凝土巨柱内置型钢用量相同，其受力性能较型 钢混凝土好，材料上节省了纵筋和箍筋用量，施工上能显著缩短工期，具有较好的经济性.
3.7小结 综上所述，钢管混凝土巨柱在受力性能、节点处理、施工、经济造价上都较型钢混凝土巨柱有优势， 在防火性能上略逊型钢混凝土，但也可满足设计要求.
综合上述原因，沈阳宝能金融中心T1塔楼巨柱采 用双腔体矩形钢管混凝土柱，底部截面尺寸5200mmx3500mm，顶部减小至2000mmx2000mm：钢管壁厚 65mm~24mm，含钢率由底部6%减小至顶部4%.
4超大截面矩形钢管混凝土柱钢管与混凝土共同工作 为保证超大截面矩形钢管混凝土柱中钢管和混凝土的共同工作性能，充分发挥二者的轴压承载力，采 用傅学怡教授提出的钢管内置传力构件的设计理念，于钢管混凝土柱楼层节点区钢管内设置压力分配梁 和内环肋，其中分配梁为主传力构件，内环肋为次传力构件，协调钢管壁与核心混凝土的变形，使钢管壁 与核心混凝土共同承受外荷载.
4.1巨柱传力构件设置 巨型柱楼层钢管壁节点区设置单根H型钢梁以及水平内环肋，巨柱截面及有限元计算模型如图13~图 14所示.
900X400X20X34 水平环初24 图13钢管混凝土巨柱分配梁及水平内环肋 图14设置分配梁及内环肋的钢管混凝土巨柱有限元模型 有限元分析假定钢管、传力构件和混凝土法向硬接触，混凝土对钢管壁产生法向只压不拉的支撑约束，
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 钢管壁与混凝土面切向光滑无摩擦：约束巨柱柱底x、y、z三个方向的平动自由度，于每层巨柱楼层节点 区外钢管壁上均匀施加轴向荷载，如图15所示.
图15钢管混凝土巨柱加载图 4.2计算结果分析 理想情况下钢管与混凝土完全协同工作，混凝土理论分担系数可按式（1）确定.
EA. 3.70×10° ×1.78×10² (1) 正常工作情况下，混凝土分担系数按式（2）确定.
a = F FF (2) 式中：F、F分别为混凝土与钢管壁承担荷载.
仅设置分配梁，钢管混凝土巨柱混凝土分担系数曲线如图16所示.
1 09 0.8 07 0.3 沉凝生理论承提系款 02 两层一理分配梁 层一通分配 0.1 二层一通分配交 0 五层一理分配 1.0E00 2.0E05 40E-05 独荷N) 6.005 8.0E05 1.0E=06 图16钢管混凝土巨柱混凝土分担系数（仅含分配梁） 由图16可见，每层布置一道分配梁，弹性阶段混凝土分担系数为0.712，为理想情况95%：随巨柱轴 向荷载增大，混凝土分担系数曲线下降，但较为平缓.
巨柱轴向承载力达极限状态时，混凝土分担系数为 0.614，为理想情况82%.
同时设置分配梁和水平环板，钢管混凝土巨柱混凝土分担系数曲线如图17所示.
