浅析钢管混凝土柱在住宅中的应用

周永纲　王龙宾　赵建宇

摘要：随着装配式建筑的推广，钢架结构将在民用建筑中得以更加广泛的应用。文章以西南地区首例钢结构高层住宅为例，对比了轴压条件下，钢管混凝土框架柱和同标号普通钢筋混凝土柱在承载力方面的优势，描述了梁柱加强环式节点的连接构造，介绍了钢管内立式手工浇捣法浇灌混凝土过程中质量控制的要点。

关键词：钢管混凝土柱；加强环式节点；立式手工浇捣法；高层住宅；民用建筑；钢架结构 文献标识码：A

中图分类号：TU398 文章编号：1009-2374（2017）10-0053-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.026

在我国绿色建筑理念快速发展的大趋势下，装配式建筑逐渐成为房地产行业新的发展方向。本项目为西南地区首例将钢管混凝土应用于装配式住宅中的工程。其位于成都平原西南，Ⅱ类场地，7度抗震设防。建筑面积约7.8万m2，地下两层，钢筋混凝土筏板基础。2栋22F和2栋25F的单体住宅采用钢架结构，建筑高度分别为69.3m和78.3m。梁、板和墙分别为H型钢梁，钢筋桁架楼承板和现浇泡沫混凝土轻钢龙骨复合墙。本文以2#楼2层柱GKZ-1为例，分析该构件在承载力方面的优势，描述了梁柱节点连接构造方式和钢管内浇灌混凝土过程中的质量控制要点。

1 承载力优势

本文仅考虑轴压状态下钢管混凝土柱承载力，忽略偏心状态和三维空间效应影响。GKZ沿高度逐渐缩小管径和钢管壁厚，并且减小内灌混凝土标号，具体数值见表1。二层柱子GKZ-1的柱高为h为3.6m，柱长和宽b均为600mm，钢管厚度tw为30mm，内灌混凝土强度为C60，钢管选用Q345B。选取沿D轴线方向，以钢框梁1来计算横梁线刚度之和与柱线刚度的比值。GKL-1为Q345B热轧H型钢，规格为550×250×10×16。

根据规定，钢管混凝土单肢柱的承载力按式（1）至式（6）计算。

式中：N0为钢管混凝土柱轴心受压柱的承载力设计值；θ为钢管混凝土的套箍指标；fc为混凝土的抗压强度设计值；Ac为钢管内混凝土的横截面面积；fa为钢管的抗压强度设计值；Aa为钢管的横截面积；1为考虑长细比影响的承载力折减系数；2为考虑偏心率影响的承载力折减系数，本文中取为1.0；le为柱的等效计算长度；k为等效计算系数，本例中取为1.0；μ为计算长度系数，通过查表计算本例为0.765。

联立式（1）至式（6），经计算GKZ-1的承载力Nu为42028kN。

如果采用同标号的普通钢筋混凝土柱承担上述荷载，按照最大配筋率5%的限制，根据式（7）可以计算出，柱子截面边长为1000mm，配筋为48根直径36mm的HRB500。

通过对比计算结果可以看出，当承载力相同的情况下，钢管混凝土柱的截面面积和比强度分别是普通混凝土柱的36%和2.01倍。对于2#楼而言可以减小柱子面积约83m2，而整个工程可以增加使用面积约412m2。这不仅可以增加住户住宅使用面积，增加开发商的土地利用率，而且降低了混凝土材料的使用量，减轻了建筑的自重。在地震作用下，用更高的抗力来抵抗较小地震的效应，使得住宅抗震性能更好。

2 梁柱节点连接构造

按照节点的传力机理，钢管混凝土柱节点可分为刚接、铰接和半刚接三种类型。本工程中不存在梁柱铰接节点，而刚性节点根据不同的构造特点又可以分为加强环式节点、环梁式节点、穿心钢牛腿节点、钢筋贯通式刚接节点和锚定式节点等5种类型。本文仍以2#楼2层的GKL-1和GKZ-1为例，其梁柱节点连接形式如图1和图2所示。

从图中可以看出，该连接方式为加强环式节点。H型钢梁上下翼缘开1/4圆弧口，腹板通过双排8个10.9级M22螺栓与钢管混凝土柱上前后两块厚度为8mm的连接板以摩擦型方式铰接。其中，高强螺栓行与列的间距均为75mm。翼缘再由现场的单边V形焊与外加强环焊接在一起。严格而言，该连接方法应该属于半刚性连接。当受到设防等级烈度的地震作用时，节点处刚性V型焊接处首先断裂消耗部分能量，然后摩擦型螺栓可以使梁端在平面内上下转动，卸去弯矩，再次消耗地震能量。对于钢管混凝土柱，由于在梁上下翼缘处均设置间距为550mm的内外加强环，因此为了传递剪力作用，在柱内侧3个方向焊接了厚度为6mm的加劲肋。在内加强板上留置了直径问为250mm的注浆孔和4个排气孔用来灌注混凝土。

从节点的连接形式可以看出，需要在工地现场完成的工作只有：首先用摩擦型高強螺栓连接H型钢梁腹板和钢管混凝土柱连接板；其次焊接连接板；最后将柱上的加强环和梁上下翼缘处焊接。因此与普通混凝土梁柱节点相比，不仅工厂化、预制化程度极高，而且施工快捷方便，还避免了节点处钢筋过密，混凝土浇筑振捣不密实的隐患。

3 浇灌混凝土质量控制要点

钢管混凝土柱在工程应用过程中，涉及到了工厂加工、拼装组合、吊装和浇灌混凝土等阶段。国家钢结构规范或技术规程明确规定了各阶段施工的方法和允许误差。该构件浇灌混凝土常采用的有泵送顶升法、立式手工浇捣法和高位抛落无振捣法。

泵送顶升法指的是在钢管接近地面的适当位置留进料孔，用泵车的输送管直接从下往上压入混凝土的施工方法。管内空气可以从柱上端排气孔逸出，并且依靠自重足以使混凝土密实，从而省略振捣过程。该工艺适用于钢管直径800mm以下、混凝土强度C60以下和顶升高度小于60m的工况。

高位抛落无振捣法指的是从钢管上端投入混凝土，利用下落势能达到振捣目的的施工方法。其适用于管径大于350mm且高度小于4m的工况。

立式手工浇捣法指的是混凝土从钢管上口灌入，且用振捣器捣实的施工方法。该工艺只要求管径大于350mm，且可以排除混凝土灌入时裹挟的气泡。

从梁柱节点的构造可以看出，本工程采用了立式手工浇捣法。在浇筑过程中控制要点如下：（1）混凝土中粗骨料的直径为1～4cm，塌落度为2～4cm，水灰比小于0.45；（2）为了避免浇筑过程中粗骨料产生弹跳现象，应先浇灌一层10～20cm厚与混凝土同等级的水泥砂浆；（3）每次振捣时间不小于30s，浇筑高度不宜超过2m；（4）当混凝土达到钢管顶端稍溢出时，随即将封顶板电焊。待混凝土强度达到设计值的50%后，再按要求补焊；（5）用敲击钢管法或者超声波法检查浇灌质量。对不密实部位，采用钻孔压浆法补强，然后将钻孔补焊封固。

相比于普通钢筋混凝土框架柱，该构件施工时省去了支模拆模过程，且工程质量更加易于控制。

4 结语

本文以西南首例应用钢管混凝土柱的住宅建筑为例，分析了该构件的承载力优势，得出了同一承载力下，钢管混凝土柱的截面面积和比强度分别是普通混凝土柱的36%和2.01倍，且具有更好的抗震性能；描述了梁柱加强环式节点构造形式，介绍了浇灌混凝土过程中的质量控制要点，从中可以看出该构件施工时方便快捷、工厂化程度高、质量容易控制。

参考文献

[1] 杨有福.钢管混凝土结构设计规程比较[J].福州大学学报（自然科学版），2004，32（5）.

作者简介：周永纲（1973-），男，陕西武功人，西安航天建设监理有限公司高级工程师，研究方向：建设工程项目管理。

（责任编辑：蒋建华）