方钢管混凝土组合异形柱框架
2017-10-11 09:56:09

 一、引言

方钢管混凝土组合异形柱(the special-shaped concrete-filled rectangular steel tubular column,简称SCFST柱)具有良好的力学性能和建筑效果[1-2],适用于住宅建筑,与普通混凝土结构相比,SCFST柱结构体系主要有以下优势:
(1)建筑效果好,柱子可隐藏于墙体内部,室内不露柱子凸角,节点不外露。
(2)形式、布置灵活,SCFST柱截面形式灵活,可根据实际工程需求,设置单肢柱的间距,既增大了房屋的使用空间,又提高了室内建筑空间的美感。
(3)综合性能好,SCFST 柱承有钢管混凝土结构的各种优点,诸如塑性和韧性好[3-5]、抗震性能优、耐火性能强等,且各单肢通过缀件连接形成格构式空间结构形式,提高了异形柱的抗侧能力。
(4)抗震性能优良[6-8],可以充分发挥钢结构延性好、塑性变形能力强、抗震性能优等优点,大大地提高住宅的安全可靠性。近年来的震害调查结果表明,证在地震中钢结构表现良好。
(5)节能,与钢结构配套的轻质墙板、复合楼板等新型材料结合使用,满足节能建筑的要求。
(6)绿色环保,钢结构住宅主要选用绿色、可回收或易降解的材料。在建筑物拆除后,大部分材料可再生或降解,符合可持续发展的要求。
(7)产业化程度高,有利于构件标准化,降低成本,以及实现住宅建筑技术集成化、产业化。
(8)施工便捷,钢结构构件及其配套相应部件大多数都可以实现工厂化制作,安装速度快,施工周期短,施工现场湿作业少,施工临时用地小,可节省模板。
SCFST柱结构综合性能较好,具有良好的应用前景。本文提出SCFST柱框架-支撑结构体系,适用于高层钢结构,目前该体系已应用于沧州市福康家园公共租赁住房住宅项目高层住宅。本文以沧州市福康家园公共租赁住房住宅项目7号楼为例,对SCFST柱框架-支撑结构体系的SCFST柱、节点、防火与防腐处理、三板体系等关键技术进行简述。
二、设计关键技术
(一)新型构造形式的SCFST柱
SCFST柱可实现工厂加工,现场直接安装,装配化程度高,异形柱结构进行现场吊装。在高层建筑中,随着建筑高度的增加,对SCFST柱的承载能力便有了更高的要求。由于SCFST柱须隐藏于墙内,其单肢截面尺寸在墙面外方向受墙宽限制,考虑钢管的加工工艺以及经济效益,一味的增加 SCFST柱的钢管壁厚度并不可取。本文提出新型构造形式的SCFST柱,包括不等肢SCFST柱以及双钢板连接形式组合异形柱。在高度超过20层的住宅中,可在建筑底部4~6层尝试使用新型形式的SCFST柱,提高结构的承载能力。新型构造形式的 SCFST 柱目前已通过有限元方法验证其可行性,正在进行系统试验及理论研究,本文不予详述。
(二)梁柱节
SCFST柱框架-支撑结构针对钢结构以及SCFST柱的特殊性,主要采用两种节点形式完成梁、柱节点域力的传递。SCFST柱的梁、柱节点选用外肋环板节点,单柱的梁、柱节点选用隔板贯通节点。
外肋环板节点是在外环板节点基础上发展而来,两块竖向外肋环板贴于柱子外侧,与梁翼缘焊接。外肋环板可将力由梁翼缘传递至柱侧壁,避免钢管柱柱壁撕裂,该节点受力明确,力学性能良好[9]。与内隔板节点相比,在加工制作时外肋环板节点不局限于大截面钢管。与外环板节点相比,避免了室内节点凸角。外肋环板节点与SCFST柱相得益彰,保证了结构体系良好的建筑效果。
钢管混凝土柱在梁上下翼缘梁高处布置贯通柱截面的钢板,梁翼缘与贯通钢板进行连接,梁腹板与柱进行连接,形成隔板贯通节点。内隔板节点当管柱边长较小时内隔板难以焊接,隔板贯通节点则避免了该问题,且避免了梁翼缘与内隔板在柱壁同一处两侧施加熔透焊缝而产生较大的焊接残余应力,从而提高了节点的延性和抗震性能。
(三)支撑节点
在沧州福康家园公共租赁住房住宅项目中,支撑主要采用人字形支撑形式,局部采用十字交叉型支撑给予加强。通过对比H型钢、圆钢管和方钢管三种支撑截面形式发现,在满足支撑长细比和承载力情况下,H型钢支撑所需截面过大,同时考虑防火要求,支撑两侧各设置50mm厚防火板后,支撑处墙宽达300mm以上,使支撑凸出墙体,影响建筑效果;圆钢管支撑埋藏于墙体内部,不利于墙体施工,易产生墙体裂缝;选用矩形钢管作为支撑,在满足承载力与构造要求的同时截面最小,既不突出墙面,又不影响墙体的施工。依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010),支撑按照斜杆端部铰接计算,工程中采用刚接构造连接形式。矩形截面支撑的端部由插板、肋板和封头板等构成,与支撑节点进行螺栓定位后,再进行焊接连接。支撑可提前工厂进行预制,现场直接安装即可。
(四)SCFST柱柱脚节点
地下结构采用混凝土结构,而地上结构采用钢结构,通常在两种结构交界处的处理比较复杂,SCFST柱尤为突出。与支撑相连的SCFST柱柱脚处剪力远大于不与支撑相连的钢柱,对于前者,在SCFST柱范围内设置混凝土剪力墙,在柱下布置混凝土柱对钢柱外包。在不与支撑相连的SCFST柱下设置混凝土柱对钢柱进行外包。伸入零层板以下的SCFST柱各单肢外侧焊接栓钉与混凝土锚固,保证外包混凝土与柱共同工作,柱底均伸至地下室底板,采用预埋锚栓连接。高层住宅楼由于荷载较大,天然地基难以满足承载力要求,采用预应力管桩基础。地下车库采用柱下独立基础加防水筏板。
(五)SCFST柱加强措施
SCFST柱为格构式异形截面柱,为增强柱结构的稳定性,在层高处布置矩形钢管连接SCFST柱的两侧肢柱。该措施有利于提高结构整体承载能力,且该矩形钢管高度较小,可藏于楼板之中,不影响建筑美观。
(六)SCFST柱轴压比以及长细比
由SCFST柱框架-支撑结构拟静力试验研究及有限元分析可知,该结构的抗震性能对于轴压比的变化并不敏感,轴压比对于该结构的承载能力、延性、耗能能力强度退化以及刚度退化影响较小,在轴压比0.9的情况下,该结构抗震性能依然保持良好。由SCFST柱耐火性能试验研究可知,采用50mmALC防火板进行保护的SCFST柱,设置柱轴压比为0.9,可满足《建筑设计防火规范》(GB/T9978-1998)对一级耐火等级柱构件的耐火极限要求。综上所述,本文建议以0.9作为SCFST柱框架-支撑结构中SCFST柱的设计轴压比限值。
目前SCFST柱整楼模型设计主要采用实建截面方法,在软件计算分析过程中将一根SCFST柱简化为多根钢管混凝土柱与连接板组成的板-柱体系,即MIDAS软件中分别建立多根钢管混凝土单柱,然后用竖向连接板连接为整体。故在结构设计过程中,只能对 SCFST 柱各单肢柱长细比进行限制。由长细比定义可知,在相同的长细比限值下,限制单肢柱的长细比要严格于限制 SCFST 柱整体。所以本文建议在采用实用截面法进行结构设计时,主要通过对各单肢柱长细比的控制来达到对SCFST柱长细比限制的目的。依据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)规定,在设计软件中控制各单肢钢管混凝土柱的长细比小于80。
关于其他设计细节,SCFST 柱框架-支撑体系与其他高层钢结构住宅无明显区别,此处不再详述,设计人员可严格按照相关标准进行设计。
三、防火与防腐措施
钢结构住宅构件的防火设计,应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)、《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-95)和《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)的有关规定。依据《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-95)可知,10~18层住宅为二类建筑,19层及以上的住宅为一类建筑。一级耐火等级结构要求各构件耐火极限达到如下要求:柱3小时,梁2小时,楼板、楼梯1.5小时。二级耐火等级结构要求各构件耐火极限达到如下要求:柱2.5小时,梁1.5小时,楼板、楼梯1.0小时。
防火涂料具有附着性强、涂层薄、耐火性能好、易施工及经济等特点,在沧州市福康家园公共租赁住房住宅项目中,对单柱、梁、支撑及细部节点等均采用防火涂料进行保护。
对于SCFST柱,由于其形式复杂,表面积大,采用防火涂料措施保护既麻烦又浪费,所以采用防火板进行保护。蒸压轻质加气混凝土防火板,主要由水泥、硅砂、石灰和石膏为原料,以铝粉(膏)为发气剂制作而成,具有轻质、高强、防火、自保温、节能、环保、省工省料、施工便捷等特点。由耐火试验研究可知,采用50mm厚蒸压轻质加气混凝土防火板进行防火保护,可使SCFST柱耐火极限达3h以上,满足工程需求。
沧州市福康家园公共租赁住房住宅项目中,所有构件表面除锈等级为Sa2.5级,除锈后的构件应在1小时内涂刷第一遍防锈底漆。钢构件防腐涂层主要包括三层:底漆采用2道环氧富锌,含锌量70%,每道厚度为35μm;中间漆采用1道环氧云铁,厚度为60μm;面漆采用2道丙烯酸漆,每道厚度35μm。漆膜总厚度大于等于200μm,依据使用年限应定期进行维护。漆膜涂装质量、涂层附着力须按照《建筑钢结构防腐蚀技术规程》(JGJT 251-2011)的检测方法进行检测并满足相关要求。经过有效的防腐处理,并进行定期的结构防腐维护,钢结构住宅的防腐在使用年限之内效果较好,其防腐效果在北京亦庄经济技术开发区青年公寓、天津市彩丽苑小区试点工程、北京金宸公寓住宅钢结构等项目中得到了验证。
四、三板体系的选用
沧州市福康家园公共租赁住房住宅项目中,楼板主要采用钢筋桁架楼承板。钢筋桁架楼承板焊接质量稳定,钢筋分布均匀及产品尺寸精确。实现机械化生产后,钢筋排列间距更加均匀,有利于混凝土保护层厚度一致,提高了楼板的施工质量。采用钢筋桁架楼承板可减少现场钢筋绑扎工作量 70%左右,浇注混凝土形成楼板后,整体刚度大,抗震性能好,综合经济效益良好。
墙板采用蒸压加气混凝土板,该墙板以水泥、硅砂、石灰和石膏为原料、以铝粉(膏)为发气剂,经细磨、浇筑、切割、蒸压养护而成,具有轻质、高强、保温隔热、抗水、抗渗、安全耐久、隔声、防火、绿色环保、经济适用、安装方便等特点,表面平整程度高,无需抹灰可直接粉刷墙体涂料。另外该材料具有一定的承载能力,其立方体抗压强度大于3.5MPa,抗震性能良好,具有较大变形能力,允许层间位移角达1/150,是一种性能优越的新型建材。
五、工程造价分析
为了更准确地掌握SCFST柱框架-支撑结构高层钢结构住宅的各项经济指标,本文以福康家园项目7号楼为例,并选择与其相邻的住宅滨河龙韵项目 10号楼进行对比分析,二者的地质环境、建筑高度及建筑面积等信息基本一致,均为 18层住宅,均有一层地下室,均采用预制管桩基础形式,二者的建筑高度分别为52.1m和56.5m,建筑面积分别为7617m和7586m,并同期施工。在施工过程中,对人工、用电量及其他消耗进行了统计,具体对比详见表1。
通过以上分析可知,从用工量角度,SCFST 柱框架-支撑结构的焊工用量较多,但是整体用工量要小于普通钢筋混凝土结构;SCFST 柱框架-支撑结构中木材模板和脚手架等的用量大大减少,费用支出直接减少;同时SCFST柱框架-支撑结构的施工工期也比普通钢筋混凝土结构要短。综合以上因素,SCFST柱框架-支撑结构与常规钢筋混凝土结构相比,其用工量、用电量和防护措施费用均有所节省,工期也相对较短,具有一定的经济效益。
六、结论
采用SCFST柱技术的钢结构住宅,施工便捷,绿色环保,建筑效果美观,抗震性能优,产业化程度高,综合经济性能好,具有良好的应用前景。本文以沧州市福康家园公共租赁住房住宅项目7号楼为例,对SCFST柱框架-支撑结构体系的相关关键技术进行总结,主要结论如下:
(1)本文以福康家园项目7号楼为例,对SCFST柱框架-支撑结构体系的SCFST柱、梁柱节点、支撑节点等设计技术进行总结,介绍了该项目的防火与防腐措施,以及三板体系选用情况,并对日后工程的改进提出建议。
(2)SCFST柱框架-支撑结构与常规钢筋混凝土结构相比,其用工量、用电量和防火措施费用均有所节省,工期也相对较短,经济效益良好。SCFST 柱框架-支撑结构的用钢量,随建筑高度以及地震情况等发生变化,其用钢量大概在50~80kg/m2范围内变动。随着结构优化研究的进一步发展,该类工程的造价将进一步减小。
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