[分享]钢管混凝土柱的设计与施工

钢管混凝土柱（CFT，Concrete Filled Tube）结构属于组合结构，1987年日本建筑学会出版了SRC规范，当时《建筑基准法》对钢管混凝土柱结构并不认同，认为是一种例外的形式，要经过日本建筑中心评定和建设大臣的批准。1985年以后，建筑公司、钢铁公司和大学等对钢管混凝土柱进行了开发研究，提出钢管和混凝土各自的特性在以下方面是互补的：

● 刚度、承载力和变形性能；

● 耐火性能；

● 模板和钢筋作业可省略。

这些方面的互补使结构的性能大幅提高，之后这种结构才在各种低层、高层的住宅和办公楼、大跨度展厅等建筑中得到了广泛的使用。

2  钢管混凝土柱的结构形式

根据组合结构设计规程，钢管混凝土柱的截面形式如图1所示，有包覆型、填充型、包覆填充型。钢管混凝土柱的结构框架如图2所示。

因为它有可省略模板和钢筋作业，使施工合理化、省力化等优点，而使用偏重填充型，本文侧重介绍填充型CFT。

图1 钢管混凝土的截面形式

图2 钢管混凝土结构框架

钢管有矩形管和圆钢管两种。从制作来看（见图3），矩形管有1条缝、2条缝、4条缝和带隔板4种形式；圆钢管有弯成、螺旋成形和带箍3种形式。

图3  钢管的种类

矩形管和圆钢管的CFT与梁连接的构造如图4所示。矩形管CFT内要设带圆孔的膈板，位于梁翼缘焊缝对应位置。圆钢管在柱内要插入厚板制作的加劲肋，与梁翼缘焊接。在两种情况下，梁翼缘都不仅要考虑安装方便，还要考虑传力顺畅、防止柱局部变形和便于内部混凝土的填充。

图4  梁柱连接详图

3  钢管混凝土柱的结构特征

3.1 结构性能的提高

外侧钢管内填充混凝土，对外管有约束作用。内部钢管混凝土防止了局部屈曲，两者的受力性能叠加，显著改善受力性能。图5表示圆钢管CFT受压时钢管和混凝土的性能，两者叠加后由试验得出的实际性能得到明显优化。CFT的优良结构性能可具体说明如下：

● 刚度提高，在地震和风作用下房屋的变形减小；

● 混凝土的强度提高，柱的承载力增大，而且柱截面变小，使室内空间增大；

● 具有稳定的滞回性能，使建筑的抗震性能大幅度提高，图6所示，两者的稳定受力表明钢管混凝土有优越的受力性能。

图5  圆钢管CFT受压时的性能曲线

图6  轴心受压的矩形管和圆钢管CFT在水平力作用下的荷载-变形曲线

 

3.2 施工的合理化

在钢管内填充混凝土，省去了支模和钢筋作业的很多繁复劳动。另外，若采用后面提到的混凝土压入法，还可提高施工效率，取得施工合理化和省时省力的效果更为显著。

 

3.3 提高耐火性能

由于内部填充混凝土的蓄热作用，具有良好的耐火性能，耐火被覆的厚度可减小1/2～1/3，当然也可以无耐火被覆。

 

3.4 应解决的问题

要确保CFT内混凝土的填充。混凝土要采用特殊的配比及严控施工中的质量管理，内隔板的孔径要恰当，同时在施工时要对混凝土进行施工试验。根据施工试验，若发生混凝土填充不密实、堵塞和搭桥现象，应在施工前研究解决。

虽然一般认为CFT结构性能优良，但这只是定性分析，定量分析上还没有充分把握。为了在SRC规程中列入高性能CFT和在建筑基准法中确认其性能，今后还必须进行系统的研究。在解决上述问题的前提下，还可在建筑中有效地利用之后提到的设计法，降低造价、缩短工期、提高安全性。

4  钢管混凝土柱的设计法

钢管混凝土柱的设计法，在SRC规程和日本建筑核心结构计算指南中，已提出一般设计法，可作为设计的主要依据。最近的研究成果提出了以下进一步的建议。

 

4.1  SRC规程的一般设计法

● 按轴力N和弯矩M的组合内力对柱进行设计

通常按图7所示，对混凝土和钢管分别用M-N的相关公式进行计算，两者的叠加强度按许用应力公式设计。简单叠加的强度公式设计法可采用下式：

也可采用将钢管和混凝土视为一体的一般化承载力叠加公式计算。

● 柱的抗剪设计

钢管的受剪承载力仅考虑（与剪力）平行部分（截面面积的1/2）承载。

● 柱、梁节点域部分设计

考虑混凝土和钢管的受剪承载力之和。

● 梁传给柱的作用力设计

图8在梁弯矩M产生的拉力T作用下，验算柱和带孔隔板的局部抗拉强度和局部变形，验算柱混凝土在剪力作用下的粘结强度抗力。

图7  M-N强度相关公式（简单叠加）

图8  梁向柱的内力传递

 

4.2  提案方法

● 约束作用对内部混凝土产生的强度提高

如3.1所述，CFT受钢管内部的混凝土引起的外部约束作用，在压力作用下混凝土处于三轴受压状态，强度提高。根据很多试验结果，考虑约束作用的混凝土抗压强度的计算式和短期容许压应力的建议公式如下：

● 钢管宽厚比（B/t, 2r/t）的放宽

为了防止CFT中的混凝土引起局部屈曲，可将CFT的宽厚比限值适当放宽。最近的研究有以下两种方案：一是将钢结构设计规范规定的宽厚比限值乘以4/3；另一是根据轴压比的情况对宽厚比进行合理设定。

● 钢管混凝土粘结的改善

日本SRC规程对钢管混凝土的短期粘结容许应力规定为：矩形管取0.15MPa，圆钢管取0.225MPa。图3的矩形管内有突肋，可大幅改善短期粘结容许应力。根据《日本钢管》的“填充型矩形钢管柱结构设计”施工手册，有以下公式：

上式是矩形钢管内侧带有突肋时的粘结容许应力，该值达到SRC规程中的10倍以上。

● 带孔隔板下侧的承压力可传递梁的剪力

混凝土填充密实的情况下，梁剪力可以由隔板下侧产生的承压力向混凝土传递（大林组技术研究所1994年第48号报告中提出此建议）。

5  钢管混凝土柱的施工方法

CFT内的混凝土在铸造时，可直接灌在钢管内，不需要支模，这是它的优点，但它的缺点是灌注后内部无法校验。采用高性能减水剂可改善混凝土，使其具有高流动性，即使内部有一些阻碍物也可使填充性能显著提高（已得到确认）。

CFT得以普及的一大要因是其具有良好的施工性能。灌注混凝土的主要方法有以下两种：

（1）抛落法：用软管从上部将混凝土抛落，随着混凝土上升将软管向上提，安装1节柱（3层约10m），然后灌注，如此重复直至最上层，高层建筑虽可灌注几次，但多次灌注会降低效率；

（2）泵入法：钢构件到最上层，安装完毕后，从最下层柱设的压入孔将泵车上的软管接上，用泵压力把混凝土输送上去。

抛落法一次可送入约10m。泵入法施工时，为了减少柱内隔板等阻碍物影响，应注意采用高流动性混凝土混合物，可一次性泵入30m~60m。因为泵入法效率较高，施工时通常采用泵入法，但要严控施工时的质量管理。

本文引入一例7月高温、施工不利条件下的泵入法实例：箱形柱高20m，截面□550╳550，内设12道横隔板，采用的混凝土设计基准强度F=60MPa、塌落度流宽60cm的高强度混凝土拌和物，其配合比和管理标准如表1和表2所示。

用了约10min，混凝土顺利上升至20m高的顶部。若有漏浆和沉降等，施工时可明显看出。钢管压力混凝土按下式进行液压测定：

                    P=rH      （8）

式中，为混凝土比重，H为压入高度。由此得知压力降低了0.45MPa，再用泵车的配管加压1.05MPa。图9所示为塌落流测量试验，达到直径60cm（译注：我国测塌落度，日本测塌落流外径）。图10表示压入后混凝土上升时隔板孔周边的填充情况。图11表示填充密实，横隔板上下均无空隙。

图9  塌落流测量试验

图10  压入后混凝土已上升

图11  隔板处无空隙

6  钢管混凝土柱的应用

目前钢管混凝土柱在大型建筑中的应用逐渐增多，表3介绍了几幢日本的代表性实例，是从1933年以来竣工的、以及当时正在施工中的建筑中甄选出来的。其中，第一幢是采用包覆填充型柱，其它几幢均采用填充型柱。

7  钢管混凝土柱的发展趋势

（1）合理的耐火设计

将包覆层简化或无包覆等合理的耐火设计法，是有可能的。无包覆需对建筑设想的火灾情况进行的把控体现在以下几方面：

● 把控预期的火灾情况；

● 对火灾时的框架内力和变形进行分析；

● 根据荷载下加热试验的数据，对火灾时柱的承载性能进行计算；

● 受火灾的建筑在小规模地震下也应保证安全；

● 无耐火包覆时柱必需有1h~2h的耐火性能，要有2至3项实施实例，欧洲已建立了此种技术，在不久的将来将用于降低工程造价。

（2）今后的适用领域

钢管混凝土柱的钢管截面越大，作用的轴力也越大，在经济上也更有利。预期今后的建筑会呈现大截面、高轴力的趋势，该种建筑可能有以下几种形式：

● 高度达500m左右的超高层建筑；

● 铁路公路的大跨度建筑；

● 人工地基；

● 支持高速道路的桥桁和高架桥脚。

其中，前三种是对大城市土地的有效利用，而最后一种是对山区交通网络整备和贯通的利用。另外，预计还可能出现图12所示的双重钢管结构，用于大截面柱。

图12  双重钢管混凝土柱截面

 

本文原载自《中日钢结构专题讨论会》资料集，重庆，1994。

 

 

译注：钢管混凝土柱是大家熟悉的一种结构，其特点早已是老生常谈，大林组的这篇文章虽是20多年前所著，但其中的内容并不过时，仍值得一读，插图也值得一阅。CFT有明显的经济效益，本文作了深入说明。日本对CFT柱-钢梁的框架用得最多，在大中型建筑中被广泛利用，横滨近300m的Landmark大厦就是一例。本文作者推荐CFT可用于500m的超高层，这个想法值得重视。其中，圆钢管柱应用较多，泵入法应用较多。日本对CFT的施工质量要求极高，文中的几张照片值得一看。我国一些重要工程对监理的要求是否也可借鉴此文观点？各国的CFT承载力计算规定不同，日本对结构的试验和安全性高度重视，有兴趣的设计者若以此出发，做些与我国规定的比较，可能是有意义的。