第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 苏州IFS巨型组合柱的设计研究 黄永强，施维 （华东建筑设计研究总院，上海200002） 提要：本文以苏州IFS超高层项目巨柱为例，对SRC巨柱的轴压比、压弯承载力、抗剪承载力、剪跨比及巨柱 在分析中的模拟方法进行了研究，结果表明巨柱截面大小主要取决于结构的整体刚度的要求、初始偏心距对巨柱 承载力影响巨大，得到了苏州IFS结构中巨柱基本均可视为长柱的结论，并对巨柱筋设置及巨柱的模拟方法给 出了建议.
关键词：巨型组合柱，轴压比，剪跨比，巨柱模拟 1概述 苏州IFS超高层项目主塔楼地上93层，高度为450米（图1），采用“混凝土核芯筒伸臂桁架巨型 框架”的结构体系，其中巨型框架主要由8根巨柱（RMZ、XMZ）、8～9根框架柱（KZ）、环形桁架及框 架梁组成（图2）.
巨柱采用应用范围较广且可靠性高的SRC截面，钢骨的含钢率为4%～6%.
8根巨柱与 伸臂桁架相连，在竖向荷载作用下轴力巨大，并承担水平荷载作用下结构的大部分倾覆力矩，是结构抗侧 力体系中重要的组成部分.
本文以RMZ柱为例（图3），对SRC巨柱设计中的部分关键问题进行研究与探 讨.
用 y 图1建筑效果图 图2巨柱与框架柱位置示意图 图3典型IZ柱截面示意 作者简介：黄永强（1990-），男，硕土，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 2巨柱设计研究 2.1轴压比 RMZ柱截面尺寸及含钢率从低到高逐渐减小（详见表1），底部几层RMZI柱为圆柱，RMZ2-RMZ7 均为矩形柱.
表1RMZ柱截面尺寸及含钢率 混凝土强度 柱尺寸 截面编号 等级 含钢率 H(mm) B（mm) RMZ1 C70 D=3500mmm(围柱) 6.35% RMZ2 C70 3500 2800 6.27% RMZ3 C70 3500 2600 6.18% RMZ4 C70 3500 2300 4.98% RMZ5 C60 3500 1900 5.06% RMZ6 C60 3500 1500 4.79% RMZ7 C60 3500 1200 4.23% 根据《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001） 中6.1.11的规定：考虑地震作用组合的一级 框架柱，其轴压比N/（fAfA）不应大于0.7，且剪跨比x不大于2的框架柱，其轴压比限值应减小0.05. 故本工程SRC柱的轴压比分别按照0.7(>2)与0.65(≤2）控制.
表2列出了RMZ柱在几种不同工况下的最大轴压比，图4表示RMZ柱沿结构高度轴压比分布，可以 看出巨柱的轴压比均控制在0.65之内，重力荷载代表值占巨柱轴压比的较大比例，沿高度轴压比变化比较 均匀.
巨柱的轴压比较小，说明巨柱截面大小主要取决于结构的整体刚度，尤其是外框承担剪力比例的要 求.
表2RMZ柱轴压比 90 n nc 80 截面 不考虑 考虑剪重比时程等 1.2x重力荷载 ng/n 70 1 内力放大 内力增大系数 代表值 60 RMZ7 0.37 0.38 0.32 84% 50 RMZ6 0.31 0.32 0.28 85% 40 RMZ5 0.44 0.46 0.37 80% RMZA 0.49 0.52 0.40 77% 73% 20 RMZ3 0.55 0.59 0.43 RMZ2 0.57 190 0.46 76% 10 RMZ1 0.60 0.63 0.49 77% 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 图4RIZ-1柱轴压比分布 2.2压弯承载力 2.2.1压弯承载力 参考《钢骨混凝土结构技术规程》（YB9082-2006)2中6.3.6的规定，双向压弯下SRC柱的承载力采用
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 以下公式进行校核： M1 MmxM (1) 式中，MM，分别为各荷载组合下的SRC柱两方向的弯矩设计值：M，M分别为设计轴力为N 时SRC柱两方向的受弯承载力.
取RMZ2截面为例，将承载力N-M曲线按图5所示进行简化，其中四 个控制点分别取为（Nm，O)，（2N.M-o）（N.M）.(0.M-o），点（N，Mm）为截面的界限受压承载力 点.
N-M 相关曲线 (N. N ( 10°kN) (2N.M_) 30) (N .M)] 00 00[ 0 100 300 M ( 10°kN.m) 图5典型巨柱强轴N-M承载力简化曲线 简化承载力曲线由相邻两控制点所连直线得到，RMZ2截面强轴受弯承载力的计算公式如下： [1.09 × V 557238(332094 < N < 511469 kN) M =0.53× N 370906 (153938 < N <332094 kN) (2) 0.25×N 251109 (0<N<153938 kN) 式中，N为各荷载组合下框架柱的设计轴力. 同理可求得该截面弱轴受弯承载力M的简化计算公式，在得到各截面不同轴力N下所对应的 MaxMx后，可根据式（1）进行SRC柱的承载力校核. 图6出了风荷载组合下巨柱RMZ1的承载力比沿楼层高度的分布，由于加强层处弯矩突变的原因，该 处巨柱承载力比明显高于中间一般楼层. 其余RMZ柱除个别楼层外承载力比均小于0.8，均满足规范要求. 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 图6典型巨柱承载力比分布 2.2.2初始偏心及偏心设置 巨柱承载校核时，根据规范要求初始偏心距e取为20mm与偏心方向截面尺寸1/30的较大值. 校核结 果显示，该初始偏心距对巨柱承载力影响巨大. 图7给出了RMZ2柱考虑e前后弯矩的分布，考虑e后的弯矩放大系数为2（加强层）~30（一般楼层）， 初始偏心距对巨柱的承载力校核起控制性作用. 楼层 Mye 楼基 0 1020304050 巨柱哥矩（10kNm） 楼层 图7巨柱强弱轴弯矩分布 图8上下柱偏心弯矩示意 苏州IFS由于建筑要求，外框柱柱边需对齐，截面随楼层高度逐步收进时，在截面收进处上下柱的轴 力合力点不重合而产生偏心弯矩. 由于不考虑楼面板与次梁的抗弯刚度，中柱处的偏心弯矩按照上下柱的 线刚度比例在上下柱端进行分配，并随着楼面梁板的约束作用逐步变小，详见图8，而角柱两方向的框架 梁的存在则直接分担了一部分的偏心弯矩. 计算时通过ETABS中的“插入点指定”考虑了柱截面收进处的偏心弯矩. 由于此偏心弯矩引起的楼 面拉压力，影响范围内的楼面梁板进行了节点承载力与配筋的加强. 2.3抗剪承载力 计算时巨柱剪跨比取1.5，Y向抗剪时，钢骨翼缘的抗剪面积取50%. 从表3、表4可看出，钢骨的抗 剪承载力占全截面抗剪承载力的50%以上，箍筋部分的抗剪承载力占全截面的12%~25%. 表3RMZ柱X向抗剪承载力汇总 截面编号 钢骨抗剪 混凝土抗剪 筋抗剪 总抗剪承载力 箍筋所占比例 V(kN) V(kN) V(kN) V(kN) VV RMZ2 40176 17299 7815 65290 12% RMZ3 36828 16064 7236 60128 12% RMZ4 23715 14210 4871 42796 11% 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 RMZ5 18414 10151 5210 33775 15% RMZ6 12834 8014 3100 23948 13% RMZ7 5952 6411 2435 14799 16% 表4RMZ柱Y向抗剪承载力汇总 截面编号 钢骨抗剪 混凝土抗剪 筋抗剪 总抗剪承载力 筋所占比例 V（kN) V(kN) V(kN) V(kN) VN RMZ2 39525 17172 9841 66538 15% RMZ3 37200 15900 9841 62941 16% RMZ4 27125 13992 7528 48645 15% RMZ5 24800 9900 9841 44541 22% RMZ6 17050 7700 7528 32278 23% RMZ7 14725 6050 7528 28303 27% 图9给出了巨柱在风荷载下的剪力分布，最大剪力约为1600kN，位于加强层处，从表2和表3巨柱X 向与Y向的抗剪承载力分布可以看出巨柱的剪力是远小于其抗剪承载力的，巨柱的受力状态是以压弯为 主. 抗剪承载力对箍筋要求较低，最小体积配箍率的限值更多的是从约束混凝土的角度规定. 建议仅在加 强层区体积配箍率加强，加强层中间段可适当放松. Y 2690 -6006 1800 2068 图9巨柱在风荷载下的剪力分布 2.4剪跨比 剪跨比是影响钢筋混凝土柱破坏形态的最重要的因素，剪跨比较小的柱子都会出现斜裂缝而导致剪切 破坏. 通常用配置横向钢筋（筋）的办法以避免过早出现剪切破坏. 对于普通框架结构，框架柱中反弯点大都接近中点，为设计方便，常常用柱长细比近似表示剪跨比的 影响. 因为A=M/Vh)=L/2H，所以当L/H≥4时为长柱：3<L/H4时为短柱：L/Hs3时为极短柱. 规范中剪 跨比对框架柱的受剪承载力、轴压比限值、体积配箍率限值等都有一定的影响. 苏州IFS中由于结构梁柱的线刚度比太小，框架梁对巨柱RMZ的约束作用相当有限，巨柱的弯矩仍 与普通框架的弯矩分布有很大不同，在加强层间基本没有反弯点，如图10所示.
