1、第"期!#!年"月廣東土木與建筑/012/342/156789:6905:68;8<:2/82:582/2>?"=12!#!高層建筑中的鋼管混凝土柱及其節點容柏生,廣東省建筑設計研究院摘廣州%!-!-.要：我國一些高層建筑采用了鋼管混凝土柱，取得了較好的技術和經濟效果。本文主要綜合介紹用于高層建筑的鋼管混凝土柱及其節點的形式，供設計時參考。關鍵詞：高層建筑；鋼管混凝土柱；鋼管混凝土柱節點在高層建筑中使用鋼管混凝土柱具有其特殊優"概述鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土，利用鋼管點：用鋼管混凝土柱代替普通鋼筋混凝土柱，可以使柱截面大大縮小，而且可以提

2、高抗震性能，方便施工等；利用鋼管混凝土柱代替鋼結構中的鋼柱，可以減少用鋼量，加強結構剛度；在高層建筑多層地下室的逆作法施工中，它更充當重要的角色。廣州市的好世界廣場大廈（#層，圖!$），新中國大廈（%&層，圖!），合銀大廈（("層，圖!)），深圳的賽格廣場（*"層，圖等大型高層建筑，都以不同的形式采用了鋼管混!+）凝土柱，部分還將之構成內框筒或用于逆作法建造多層地下室，在技術上和經濟上均取得很好的效果。對填心混凝土的套箍作用，使核芯混凝土受縱向壓力時處于三向受力狀態，從而提高其軸向抗壓能力。鋼管混凝土結構除強度高外，還有重量輕、延性好、!耐疲勞和沖擊、省料和施工方便

3、等優點。由于鋼管混凝土結構具有上述優點，因此在民用和工業建筑、橋梁和地鐵等工程中得到廣泛的應用。近年來，隨著我國高層建筑的發展，利用鋼管混凝土作為其主要承重柱的也逐漸增多。!好世界廣場大廈"新中國大廈圖"$合銀大廈#賽格廣場采用鋼管混凝土柱的高層建筑高層建筑中使用的鋼管混凝土柱主要是圓形截面的，但有時也會采用其他截面型式而形成異型柱。我國對圓形截面鋼管混凝土柱已有深入的系統研究!，"，#和實踐經驗，而對異型截面柱的研究則比較少，的節點形式，為在高層建筑中推廣應用鋼管混凝土柱提供了更廣闊的空間。本文主要就高層建筑中所采用的鋼管混凝土柱及其節點的形式和應用作一扼要的綜

4、合介紹。應用也還不很多。鋼管混凝土柱與樓蓋連結的節點，是實際應用中的一個重要部分。當它與鋼結構樓蓋連結時，構造比較簡單，但與鋼筋混凝土樓蓋連結時則比較復雜，甚至影響了對它的使用，因此不少單位開展了這方面的研究，并已取得了可觀的成果，提出了多種多樣我國在改革開放以來，高層建筑在數量上不斷增加，高度也不斷加高，而建造高層建筑大多數采用鋼筋混凝土結構，結構自重很大，隨著建筑高度的增!鋼管混凝土柱#!""!年#月第#期容柏生：高層建筑中的鋼管混凝土柱及其節點1A!""!AB)#加，柱的軸壓力就越大，加上抗震設防的需要，為保證構件的延性，有關規范對鋼筋混凝土柱均有

5、控制軸壓比（!"!#$"）的要求，同時混凝土的強度等級只做到#$"或再高一些，所以柱的截面很大，甚至達到了占用過大使用面積，影響建筑功能和觀感的地步。為了解決這一矛盾，結構設計中開始使用鋼管混凝土柱來代替普通鋼筋混凝土柱，由于其承載力高，柱的截面就可以大大縮小。例如原來截面為%&%&的鋼筋混凝土方柱，可以用直徑為()$&或者更小的鋼管混凝土圓柱來代替，加上鋼管混凝土柱的延性好，對抗震更為有利，因而效果十分顯著。此外，鋼管（包括節點構造部分）可以在工廠預制，質量更有保證。在施工中還可以省去鋼筋和模板的安裝，安裝好的鋼管又可以兼作樓蓋模板的支承

6、，使施工得到簡化和加速。因此，高度較大的高層建筑很多都采用鋼管混凝土柱。鋼管混凝土柱的另一重要用途是用于多層地下室的逆作法施工。高層建筑通常都帶有地下室，隨著建筑高度的增加，由于各種需要，地下室的層數一般都有%、*層或者更多。地下室的施工難度較大（主要是基坑開挖及支護結構）且工期長，影響建筑物投入使用的時間。為縮短建設周期，地下室采用逆作法施工是很有效的辦法。但多層地下室的逆作法施工，關鍵是如何先構筑成支承上部結構的臨時豎向構件，這時鋼管混凝土柱就成為主要角色，當根據柱位用沖、鉆或挖孔的方法做成柱基礎后，就可以直接把預制好的相應于地下室深度的整根鋼管（包括支承地下室各層樓蓋的節點）吊裝就位，即

7、成為既是建造上部結構的臨時性也是以后永久性的支柱。之后就一邊往下逐層施工地下室，一邊往上逐層施工上部結構，完全省去了整個地下室的施工期。廣州新中國大廈有+層地下室，采用上述方法施工，當地下室施工完畢時，上部結構已施工到%"層，縮短工期達半年之多,。鋼管混凝土柱的截面形式以圓形為主，但由于建筑設計或者結構上的需要，有時也有必要采用其他型式的截面如方形、矩形、-形或.形等的異形柱。此外，隨著工程的實踐，還發展了一些變種的柱。下面把已成功應用于實際工程的各種不同類型的鋼管混凝土柱作一簡單的敘述。%)(圓形截面柱圓形截面鋼管混凝土柱是最基本也是應用最多的形式。根據約束混凝土的受力機理，環形截

8、面的鋼管是最合理的形式，因為它對核芯混凝土的約束是3均勻的向心力，而鋼環自身在核芯混凝土的向外鋼管擠壓力作用下，則只有環混凝土柱向拉力（圖%），因而約束效果最顯著（相對也是最核芯混凝土外包經濟的）。所以在條件許鋼管可時應該優先采用圓形截面柱。對圓形截面鋼管圖!約束作用示意圖混凝土構件的應用，我國已有*"多年的歷史，特別在/"年代，開展了系統的研究，在構件的工作狀態、計算理論和設計方法等方面都取得了豐碩的成果(，%。在此基礎上，國家建筑材料工業局于(0/0年發布了1#1"(2/0）3，中國工程建設標準化協會(00%年發布了鋼管混凝土結構設計與施工規程4#5#6%/7

9、0"8+等。這些規程既給出了計算方法，也提供了構造做法。目前我國鋼管混凝土柱的設計均以這些規程作為依據，通過長時間的實踐，證明這些計算方法是合適的，構造做法也是得當的。根據#5#6%/70"的規定，圓形截面鋼管混凝土柱的軸向承載力設計值!9與套箍指標%有關，%的計算式為%:"&"!&!，!9的值等于核心混凝土的承載力乘上一個提高系數（(<!<!），規程要求套箍指標%限制在")*=*)"之間，按此計算，當不考慮細長比和偏心率影響時，鋼管混凝土柱的總承載力是核心混凝土部分承載力的()/=+),倍，大小取決于鋼管

10、的壁厚，當取鋼管直徑與其壁厚之比(:,"時，則提高系數約為%)3，即鋼管混凝土柱的截面僅為普通鋼筋混凝土柱截面的3%>，可見對縮小柱截面的效果是十分顯著的。%)%異型截面柱鋼管混凝土柱采用圓形截面雖然是最合理的，但從建筑和結構設計的需要來看?不可能千篇一律都是圓柱，總有需要用到其它截面形式的情況，如建筑平面不希望有凸出的圓弧，逆作法施工地下室時，支承筒體部分的地下支柱將來與實際筒體墻的結合需要等。根據鋼管混凝土柱的受力機理，若鋼管是由鋼板變形直線段組成的幾何圖形，由于直線段鋼板在核芯混凝土向外擠壓時有彎曲變形，削弱了對核芯混凝土的約束作用（圖*;），!鋼管混凝土結構設計與施工規

11、程（規程建議值）%&&%年月第期廣東土木與建筑345%&&%56(影響軸向抗壓能力的提高。對方鋼管混凝土柱鋼板變形減小所做的試驗表明!，方鋼管對核芯混凝土的約束雖不如圓鋼管，但仍有很好的效果"!。在廣州約束拉桿新中國大廈結構設計中，&圖"鋼板變形變化示意圖不但要用到方形和矩形，還要用到#形和$形截面的柱。為了更好地提高這類型柱的承載能力，提出了對異型截面鋼管按一定間距設置拉桿以約束直線段鋼板的彎曲變形，形成所謂帶約束拉桿異型鋼管混凝土柱%，&（圖!），并對這種柱進行了理論分析和構件試驗。研究結果表明%，帶約束拉桿的異型截面鋼管

12、混凝土柱，外包鋼管和核芯混凝土能牢固地結合，協調變形并共同工作，由于約束拉桿對直線段鋼板變形的約束，鋼管對核芯混凝土能起到較好的約束作用，使核芯混凝土的軸向承壓能力得以提高，其整體軸向承載力大于鋼管和核芯混凝土各自承載力的簡單代數和，提高系數約在"()*)(%之間，隨板件寬厚比的減小，特別是拉桿間距的減小（即加密拉桿）而增加。上述研究結果表明：異型截面雖不如圓形截面好，但在工程有必要時還是可以采用的。新中國大廈地下室逆作法施工中，鋼筋混凝土核芯筒的地下臨時支承用的就是這種柱（圖+），地下室施工時補上所缺的墻段就成為完異型鋼管混凝土柱整的筒體。該建筑上部的公寓和住宅，為避免柱外凸，也采

13、用了小型的異型柱。不過上述應用和研究都還是初步的，對其承載力的計算方法和構造處理，尚后補鋼管混凝土墻需繼續探討。圖!異型鋼管混凝土柱應用示例)(!其他形式的柱利用鋼管混凝土柱的優點，在工程實踐中還創造了一些其他形式或作用的柱型。介紹下面幾種：!鋼管混凝土核芯柱提高普通鋼筋混凝土柱的混凝土強度等級是縮小柱截面的方法之一，但當提高到,&-或,.-時，由于高強混凝土脆性大，使構件延性差，軸壓比控制更嚴，達不到縮小柱截面的效果。為此提出了在高強混凝土柱的核心處設置直徑較小的鋼管混凝土芯柱（直徑約為柱截面邊長的"!）（圖/）。試驗表明：高強混凝土核芯柱柱配置了鋼管混凝土核芯柱后，除承載

14、力有所提高外，其延性明顯提高，破壞屬于延性破壞，增強了柱斷面的抗剪能力，柱的承載能力可提高"-0*"/0，圖#核芯柱由于鋼管通過節點區而提高了節點核芯區的抗剪能力。實踐還證明，由于芯柱尺寸較小，使節點區的梁柱配筋構造相對比較簡單。"鋼管混凝土疊合柱疊合柱的形式與上述的核芯柱完全一樣（圖%），所不同的后疊合是通過改變施工工序來改善其受力狀況以達到最佳效果。做法是：安裝核芯鋼管!澆灌管內混凝土!以它作為支柱安裝圖$疊合柱樓層模板!施工若干層樓蓋（要在柱邊處留后澆孔）。當核芯柱承擔的軸力達到其設計軸力的"+*"!時，澆灌外圍混凝土使之疊合成整體。這樣

15、做的目的是人為地使核芯柱承擔較多的軸壓力，從而降低外圍混凝土的壓應力水平（外圍混凝土一般承擔柱總軸力的"左右）；核芯柱受外圍鋼筋混凝土部分的約束，可不考慮長細比和荷載偏心率的影響，承載能力高；外圍鋼筋混凝土部分承擔軸力小，基本不受軸壓比控制。試驗表明，疊合柱與普通鋼筋混凝土柱相比，在水平力作用下，其延性系數可提高!-0*&-0。這種柱的受力狀態是合理的，用材也較省，但增加了施工的工序和難度，一般只宜用于底部的部分樓層。#復合型鋼管混凝土柱復合型鋼管混凝土柱有：$在鋼管混凝土柱內再布置型鋼（圖&1，&），其承載力可以在原有鋼管混凝土柱的基礎上再得到提高，主要用于

16、柱截面受到限制而又必須承擔大荷載的情況。%用雙重鋼管"&（圖&2），主要用于對已有鋼管混凝土柱的補強和避免使用過厚鋼板的情況。上述各種復合形式，除特殊情況外，一般很少使用。/&%&年$月第$期容柏生：高層建筑中的鋼管混凝土柱及其節點./0&%&01$!鋼管混凝土柱的梁柱節點鋼管混凝土柱應用中，作為柱本身已經比較成熟，但除了柱自身外，還有它與樓蓋的連結問題。柱通常都直接支承樓蓋的梁（主梁、框架梁、轉換梁等），因此鋼管混凝土柱與樓蓋的連結基本上是梁柱節點問題（當鋼管混凝土柱支承無梁樓蓋時例外）。這個節點應該把梁與柱在該處結合為一個整體，具有

17、足夠的剛性和強度，傳遞和協調被連接桿件的變形和內力，作為抗震需要，還要有足夠的強度、剛度和延性，使其破壞晚于被其連結的桿件。按照目前的做法，鋼管混凝土柱是豎向貫通的，其自身的連續性和軸向力、剪力和彎矩的傳遞不成問題。但由此梁卻不能穿越柱，因此如何在節點處把梁連結到柱就成為節點設計的主要考慮。現行有關規范雖已提出了一些基本的構造形式!，"，但隨著高層建筑的發展，特別是變化多樣的結構布置和新結構體系的出現，那些節點形式已遠不能滿足設計的需要。為此，不少設計和研究單位都先后提出了許多不同形式的新型節點，并進行了試驗研究，而且多數都將之應用到實際工程中。目前已被應用的節點形式可以說是多色多樣

18、，下面僅就主要類型作一扼要介紹。#$%與鋼結構連結的節點當鋼管混凝土柱支承鋼結構樓蓋時，其節點屬于鋼與鋼的連結，構造上比較簡單。典型的做法是用焊于鋼管上的連接腹板（或下牛腿）和加強環與鋼梁連結!，"（圖&）。這是規程()*&+,-提供的方法。加強環有上環和下環，用于傳遞彎矩；連接腹板用于傳遞剪力，它可以是穿心的或不穿心的，前者便于澆灌管內混凝土，但會造成鋼管的附加應力，而后者則相反。這種節點適應性很強（包括梁平面布置!標高和截面變化），傳力明確而可靠，可通過計算保證其強度，剛度也很好，但用材較多且制作較困難。圖#用加強環和連接板連結鋼梁示意2深圳市的賽格廣場，設計時通

19、過試驗研究，提出了幾種新的節點做法%，意圖采用單一構件同時傳遞彎矩和剪力以使構件簡化。其形式有加勁錨肋板和內加強環等（圖,）。這兩種節點比規范提供的方法構造簡單，但梁的內力主要通過鋼管混凝土柱來傳遞。這些節點已被用于賽格廣場，效果很好。加勁錨肋板內加強環鋼梁連接段鋼梁連接段內加強環加勁錨肋板鋼梁連接段鋼梁連接段"加勁錨肋板式#內加強環式圖"與鋼梁的連結以上幾種節點形式均經理論和試驗研究，且已用于實際工程，是行之有效的形式。我國鋼結構高層建筑而又采用鋼管混凝土柱的為數尚不多，因此沒有發展更多新的節點形式。#$*與鋼筋混凝土樓蓋連結的節點鋼管混凝土柱支承鋼筋混凝土樓蓋時，由于它

20、支承的梁既有混凝土也有鋼筋，構造上比較復雜，而且可能的形式亦較多。在工程實踐過程中，不少設計和研究單位提出了各種不同形式的連結方法，而且大多數都進行了理論和實驗研究，不少已用于實際工程。綜合起來大概有下面幾種%-（為了統一和區分，本文中各種節點的命名為筆者按形式給予的，與原創作者的命名或其他文獻的提法不一定相同，而對各種節點的看法亦僅為筆者個人的觀點）。!變梁寬式和雙梁式這兩種節點主要采取避免鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱的梁寬放大直接連結。變梁寬式"（規范提供的形式，圖%-）是把梁在靠近鋼管處的梁寬加大，梁的鋼筋從鋼管邊繞過，另暗牛腿加焊于鋼管的短牛腿（可位于梁底或梁內）作為支承。雙梁

21、式"明牛腿（規范提供的形式，圖$%變梁寬式節點#%#年!月第!期廣東土木與建筑()#%#)*+!圖!）是把原來正雙梁對鋼管柱的梁分成兩根分別位于柱兩側的梁，同樣另加牛腿作支承。這兩種節點均只需在鋼管焊上牛腿，制作簡單，避免暗牛腿了梁與柱的直接連結，樓蓋施工與普通鋼筋混凝土樓蓋明牛腿無異，這是它的最圖!雙梁式節點大優點，但卻有一定的適用條件：變梁寬式適用于鋼管混凝土柱的直徑較小而梁鋼筋又不多的情況；雙梁式則需要建筑平面和結構布置的配合。另外，短牛腿若不穿心則會使鋼管增加豎向應力并且易把鋼管向外撕破，而穿心又會影響鋼管內混凝土的澆灌。!穿心鋼牛腿式用型鋼穿過鋼管（工字鋼或雙槽鋼，管內一段

22、割去部分翼緣）并焊牢，形成由鋼管伸出的牛腿，梁的鋼筋焊于牛腿上（圖!"）。澆灌梁混凝土后，鋼牛腿是暗藏的。這種節點把鋼筋混凝土梁的內力全部傳給鋼牛腿，而鋼牛腿又與鋼管成整體，受力明確而可靠，適應性又強，外觀與普通鋼筋混凝土梁柱節點無異。缺點是制作相當麻煩（包括管內施焊），穿心的牛腿影響管內混凝土的澆灌，梁鋼筋與牛腿現場焊接的工作量和難度大，近期采用的工程似不多。"半穿心鋼牛腿式!"半穿心鋼牛腿式節點有配合雙梁的和配合單梁的兩種。#雙梁節點用#個半穿心抗剪短牛腿（牛腿插入鋼管內的長度約為鋼管直徑的!#），另加#個不穿心輔助抗彎短牛腿，#根梁所形成的圍繞鋼管的鋼筋混凝

23、土輔助抗彎牛腿穿心鋼牛腿梁鋼筋均穿心鋼牛腿焊于牛腿半穿心牛腿半穿心牛腿圖!#穿心鋼牛腿式示意圖圖!"雙梁節點示意圖方塊形成剛性節點承擔和傳遞內力（圖!$）。這種節點和上述規范提供的雙梁節點基本相同，只是牛腿做法有差別，它比較好地解決了不穿心或全穿心牛腿的缺點。輔助抗彎短牛腿有減小梁跨從而減小梁內力和變形的效果，還推遲了鋼管與周圍混凝土間的裂縫的發展。$單梁節點沿梁軸線設半穿心半穿心長牛腿鋼牛腿，使其強度足以承擔梁傳來的內力，而長度則滿足梁縱向受力鋼筋的錨固長度，圍繞鋼管設加強環剛好覆蓋各牛腿的鋼筋半穿心長牛腿混凝土方塊形成剛性節點（圖!#），樓蓋施工時，梁的鋼筋與牛腿搭接，不必施焊。

24、圖!$單梁節點示意圖%雙單梁節點將上述雙梁和單梁兩種節點混合使用以適應同時有雙梁和單梁的特殊結構布置。半穿心牛腿式節點能做到節點制作時沒有管內施焊，不影響管內混凝土澆灌，不需現場施焊等，極大地方便施工。經理論分析和足尺構件靜力及低周反復試驗，證明節點整體性好，單梁節點中鋼筋混凝土梁與鋼牛腿的搭接過渡區傳力可靠，破壞是在節點區以外。節點區內的應力分布方面，單梁的遠較雙梁的簡單而明確。這些節點曾在同一工程中同時使用，均能滿足設計要求。但實踐表明，雙梁節點剛性區內鋼筋互相穿插而密集，澆灌混凝土較困難，而單梁節點施工方便，受力簡單明確，適應性強，遠優于前者。&鋼環錨固梁縱筋式!%圍繞鋼管設鋼筋

25、混凝土方塊以傳遞梁內力，在鋼管外側設小牛腿，既作抗剪用，又用以架設鋼環以錨固梁的縱筋（圖!&）。鋼環有"種，#是用鋼筋環，此時梁的縱筋垂直彎入環內，$是用鋼板環，此時梁的縱筋端頭開絲牙，穿過環板后用螺帽固定。這種節點主要靠混凝土方塊傳遞梁的內力，牛腿承擔剪力，而鋼環則起錨固梁縱筋的作用（也參與剪力傳遞），據經按軸力及水平雙向低周反復荷載試驗，證明它滿足抗震要求。這種節點無穿心構件，制作尚較簡單，亦無現場焊接。但用鋼板環時需對梁鋼筋端頭刻絲牙且現場套死母，增加施工一定難度。,%&&%年"月第"期容柏生：高層建筑中的鋼管混凝土柱及其節點-8+%

26、&&%+$"鋼筋（板）環小牛腿環梁鋼筋鋼筋環鋼筋環環梁小牛腿抗剪環筋圖"#鋼環錨固式節點圖"$環梁節點示意圖!鋼筋混凝土環梁式!"圍繞鋼管設一鋼筋混凝土環梁以傳遞內力，在鋼管外側位于環梁中部或靠近底部貼焊一或兩根環形鋼筋作為抗剪環即形成節點（圖!#），樓蓋梁嵌入環梁，其鋼筋則全部錨入環梁內。這種節點的傳力方式是：梁的剪力傳至環梁后，通過環梁與鋼管間的粘結力、摩擦力和抗剪環傳給鋼管柱，梁的彎矩則由環梁承擔并自行平衡或傳至鋼管柱。其中剪力傳遞直接且均勻，但彎矩傳遞則比較復雜，要由環梁去消化，因而環梁的內力非常復雜。據對這種節點模型進行的試驗表明，只要環梁有足夠的強度就能達到剛性節點的要求并傳遞各種內力，受力到一定程度后，雖有裂縫產生，但發展緩慢而破壞裂縫則出現在環梁與被支承梁的交接處。這種節點構造十分簡單，除在鋼管外側貼焊鋼筋環（工廠加工）外，其他一切均屬鋼筋混凝土樓蓋工程。由于節點是環型，對樓蓋結構布置的適應性很強，能解決邊柱、角柱和樓蓋梁非正交等情況。存在的問題是：被支承的梁均與環梁垂直相交，內力傳遞路線轉變突然造成內力復雜，連結亦似較薄弱。此外，由于環梁受力復雜，如何計算以保證它的強度也需進一步研究。!結束語通過大量的工程實踐，鋼管混凝土柱在高層建筑中的應用，在原有的基礎上有了很大的發展，出現