超高层中的叠合柱梁柱节点设计

梁 艳

（深圳市建筑设计研究总院有限公司 广东 深圳 518000）

超高层中的叠合柱梁柱节点设计

梁 艳

（深圳市建筑设计研究总院有限公司 广东 深圳 518000）

钢管混凝土叠合柱是通过在钢筋混凝土柱中部加入钢管混凝土的一种叠合构件，具有高抗震性、高承载性，且操作简便，是国内近几年应用非常广泛的一种新型建筑结构体系。本文将结合具体的工程案例，简要分析超高层中的叠合柱梁柱节点设计的相关要点，以供大家参考。

超高层；叠合柱设计；梁柱节点设计

1 工程概况

某超高层位于湖南省长沙市，南临湘春路，北临留芳岭路，东临芙蓉路，西临蔡锷北路，地块南北方最大尺寸约120m，东西向最大尺寸约370m，总建筑用地面积约38922m2，总建筑面积约288321m2，是一个集商业、办公及商务公寓于一体的大型项目。

超高层办公楼总高210m，地下4层，地上49层。其中地上四层与裙房连为一体，办公楼建筑平面尺寸为45.7m×42.7m，建筑功能上地下4～地下1层为地下车库，1～4层为商业购物中心，5～ 6层为餐饮，7～8层为用于商务会议，第9、24和39层为避难层，其他均为办公楼。

2 结构类型和叠合柱设计

2.1 结构类型

本工程采用型钢混凝土组合柱框架-混凝土核芯筒结构，超过属于B级高度钢筋混凝土高层建筑最大适用高度。由于建筑功能要求，一层框架柱跨越三个层高，达到16.5m无梁板联系，楼板开洞面积接近50%，大于30%，属于“楼板局部不连续”；其偶然偏心的扭转位移比大于1.2，小于1.4，属“扭转不规则”；竖向抗侧力构件，东西两边核芯筒外墙分别在24层和39层以上取消，相邻层刚度变化大于70%或连续三层变化大于80%，属于“刚度突变”。

2.2 超限措施

本工程由于扭转不规则，楼板不连续，竖向刚度突变等情况，采取以下超限措施：

（1）对于竖向刚度突变和整体刚度较弱等情况，将型钢组合角柱伸至屋面，以加强该工程整体刚度；

（2）在筒体收级的24层避难层和39层避难层位置对本楼层及上、下楼层加强楼盖刚度，以提高筒体和框架的协同工作能力，对楼板分别加厚，对其配筋分别加强；

（3）为提高本工程整体抗扭能力和消除外框架柱的剪力滞后现象，对外围框架裙梁加大截面尺寸，提高其刚度；

（4）筒体收级后，框架梁跨度增大，为提高楼盖刚度，在这些楼层位置增设次梁。

超限应对措施把结构抗侧力构件的钢骨混凝土柱作为加强的重点：

（1）框架柱采用钢管混凝土组合柱《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》（CECS188：2005）。核心筒周边所有框架柱-4～33层均采用钢管混凝土组合柱，钢管材料采用Q345钢材。其中-4～-1层混凝土柱截面尺寸为1600×1600，钢管直径为1200mm，壁厚30mm；1层～5层混凝土柱截面尺寸为1500×1500，钢管直径为1200mm，壁厚30mm；6层～10层混凝土柱截面尺寸为1400× 1400，钢管直径为1000mm，壁厚30mm；11层～34层混凝土柱截面尺寸为1300×1300，钢管直径为900mm，壁厚24mm；与核心筒剪力墙的厚度变化错开，以免竖向刚度突变过大；34层～37层除角柱保留钢管外，其余柱内部改为HW400×408×21×21的型钢，柱截面尺寸和钢管直径不变；38层以上仅角柱保留钢管混凝土柱，其余为普通混凝土柱，其中柱截面尺寸由41层至屋面变为1100×1100；出屋面框架柱均为普通混凝土柱，柱截面尺寸为1000×1000。

（2）由于四个角部分别有两道600×800的梁搭在核心筒剪力墙的四个角部，为增加该处的刚度，故在核心筒剪力墙四角附加型钢暗柱。

（3）裙楼抗震等级提高一级。

钢管混凝土有着卓越的承载能力和变形能力，但其防腐和防火材料不仅造价较高还有时效性，需考虑今后的维修保养，钢管混凝土叠加合柱及钢管混凝土组合柱可弥补这方面的缺陷。核心筒剪力墙四角附加型钢暗柱，以解决由于首层层高较大，使得剪力墙端部应力集中的问题，并提高剪力墙的承载能力和抗变形能力。

3 钢管混凝土组合柱的梁柱节点设计

在结构设计中往往仅在框架柱中采用钢管混凝土，而框架梁则采用普通钢筋混凝土，钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁的连接节点成为工程中难点之一。目前常用的连接点有：钢牛腿法、双梁法、环梁法、钢管开大洞后补强法及纯钢筋混凝土节点法等，本工程采用在钢管上开穿钢筋小孔的连接节点，为连接节点的设计提供多一种选择。

3.1 叠合柱配筋

结构最大柱截面为1600×1600，最小柱截面为1300×1300。柱纵筋直径主要为φ32和φ28（HRB400级钢），箍筋直径为φ14，间距100，每组由2道不同形式的箍筋叠合组成，主要形式为矩形、菱形、和拉钩（见图1）。

3.2 梁柱节点处钢管开小孔的连接节点构造

钢管上开穿钢筋小孔的连接节点做法要点如下：

（1）钢管开孔：圆形孔洞尺寸φ50mm，用于单排两根钢筋穿过；椭圆形孔洞尺寸=φ50×130mm，用于上下（或左右）双筋并排穿过，每排两根钢筋穿过，小孔水平间距≥75mm。

图1 配筋示意图

（2）钢管水平加强环：梁顶面和梁底面各设置一道，环型加劲板宽度为18mm，高度为250mm；若通过叠合柱的梁顶面标高不在同一个标高，则加劲板上部高出最高梁面25mm，底部低于最低处梁底处25mm，在钢管柱内整体设置。

（3）在钢筋混凝土叠合柱节点高度中、底部设置25×25方钢环箍，与钢管柱采用双面角焊缝hf=10mm；环箍应尽量避开钢管壁上的洞口。

（4）为使钢筋混凝土叠合柱钢管外混凝土与钢管共同作用，钢管壁设置圆柱头栓钉，呈梅花形布置。

（5）梁中间部位钻取φ20孔洞，以便腰筋穿过，每个孔穿过一根腰筋。

（6）梁钢筋均采用大直径的高强度钢筋，钢筋直径一般为25～ 32mm，以减少钢管开孔数量。

3.3 钢管开小孔连接节点的优点

（1）减少开孔率。尽量减少了对钢管截面的削弱作用，由于钢管开孔面积少，使得钢管的套箍作用基本没变，保证了钢管混凝土柱的承载能力和变形能力。

（2）保证梁端负弯矩传递。通过钢管柱开孔，使梁钢筋直接穿过，保证梁端内力传递，使梁刚度梁长范围内的保持不变，结构受力分析与实际更为接近。然而，钢牛腿法连接梁柱节点，由于在梁端范围内需与型钢连接，会使梁刚度发生急剧变化。

（3）保证构件连续。对开孔率略大的位置进行加劲板补强，保证钢管在节点区的连续性，满足钢结构设计要求。

（4）便于现场施工，无需现场焊接，施工进度快。

（5）造价较低，相比于钢牛腿法和钢管开大洞法，节点补强所用的材料较少。

对于叠合柱结构钢管开小孔的安全性，中国钢结构协会钢-混凝土组合结构协会做了分析研究，对于同样四组1：5的结构模型，进行了九个试件模型试验，结论是其结构是安全可靠的，并在多个工程实践中证实了该方法可靠性和可行性。

4 剪力墙平面外对梁端嵌固作用的分析

对于框架-核心筒结构或剪力墙结构，通常会有框架梁与墙肢平面外连接，当梁高大于2倍墙厚时，梁端弯矩对墙平面外的安全不利，因此要增大墙肢抵抗平面外弯矩的能力，以保证剪力墙平面外的安全。对于超高层框架核心筒结构，筒体外围墙肢空间刚度很大，计算软件分析时会加大墙平面外对梁端的嵌固作用，使得梁端负弯矩计算值要大于实际值，本工程应对措施如下：

（1）采用梁端水平加腋法：框架梁与剪力墙连接处采用局部水平加腋剪力墙联结，用以增加剪力墙对平面外连接的有效长度，达到嵌固要求。

（2）采用暗柱法：在框架梁与剪力墙相交处设置暗柱，与墙等宽，暗柱高度大于框架梁梁宽每边各100mm，以便于框架梁主筋避开暗柱钢筋。

（3）在墙边增加框梁法：用以解决框架梁端与剪力墙相交处的锚固问题，增加平面外对梁端的嵌固约束。墙边框架梁的截面宽度应不小于0.4倍梁纵筋锚固长度，墙边框架梁截面高度应大于楼面截面高度。

为保证框架梁正截面设计更加接近实际受力情况，梁端配筋时，可在分析计算时设定梁端负弯矩调幅系数后，再局部适当地调幅。人工调幅时，应考虑构件的刚度、裂缝的开展、内力重分布的充分及变形满足使用要求。

同时，对于超高层框架核心筒结构，筒体外围墙肢空间刚度很大，除了了框架梁，还有楼面梁一端与墙肢平面外连接时，另一端与外框架梁相连，计算软件同样会夸大墙肢对于这种次梁的嵌固作用，往往使计算结果趋近于悬挑梁。本工程对这种情况的楼面梁设计为半刚接，减小墙肢平面外弯矩，措施如下：

（1）梁底钢筋按楼面梁两端简支时配置，以保证次梁正弯矩的可靠性；

（2）与墙肢平面外相连处，按半刚接考虑；

（3）楼面梁与墙肢相连的一端，约1/3梁长范围内箍筋加密。

5 结语

通过采用钢-混凝土结构，保证了结构安全，极大地减少了钢筋用量，减小了构件截面，增加了使用面积，取得了良好的经济效益。另外，钢-混凝土结构具有良好的耐久性和防火性能。

（1）钢管混凝土叠合柱及钢管混凝土组合柱有卓越的承载能力和变形能力，还可弥补钢管混凝土柱的防腐和防火材料造价较高及时效性方面的缺陷。

（2）钢管按一定的构造要求开穿钢筋小孔，对钢管截面损伤不大，梁钢筋直接穿过钢管，使得梁内力可以可靠的传递适当设置水平加强环和竖向短加劲肋，钢管混凝土柱的承载能力和变形能力不会降低，节点刚性得以保证。模型试验已经证实该方法的可靠性，工程实践已经证实该方法的可行性。大大节约梁柱节点所用钢材，施工方便。

（3）影响剪力墙平面外对染端嵌固作用的主要因素：墙平面外对梁端嵌固作用有效长度、墙线刚度与梁线刚度之比和墙在该层的轴压力等等。为加强墙平面外对梁端嵌固作用，可采取梁端水平加腋法、增加墙边框梁方法，梁端弯矩可采用“调幅再调幅”方法。

TU398+.9

A

1673-0038（2015）37-0007-02

2015-8-26

梁艳（1980-），女，广东深圳人，助理工程师，本科，从事结构设计工作。