摘 要：超大截面矩形钢管混凝土柱因其施工较为方便、轴向刚度及承载力巨大等优点，广泛运用于超高层巨型构造体系中。以沈阳宝能金融中央T1塔楼项目为背景，针对巨型柱截面选型、承载力打算、钢管与混凝土的共同事情以及巨柱钢管壁屈曲等关键设计提出建议，完善了超大截面矩形钢管混凝土柱的设计方法，所得结论对其他超高层建筑巨型钢管混凝土柱设计具有较好的借鉴浸染。
关键词：超大截面矩形钢管混凝土柱；承载力；钢管和混凝土共同事情；屈曲稳定；分配梁；
巨型构造体系由于具有多道抗震设防防线、巨大的抗侧刚度及良好的整体事情性能、知足多种利用功能的建筑平立面哀求等显著上风，因此，该种构造体系在超高层建筑中的运用愈加广泛。个中，超大截面矩形钢管混凝土构造因其施工方便、轴向刚度及承载力巨大等优点而迅速发展起来。例如，“台北101”巨型钢管混凝土柱最大截面尺寸为3000mm×2400mm；“广州东塔”[1]最大巨柱截面尺寸达3500mm×5600mm；“深圳京基金融中央”[2]巨柱的截面尺寸达3900mm×2700mm等。
2 工程概况沈阳宝能金融中央T1塔楼位于沈阳市沈河区，塔楼地上113层，标准层层高4.5m，主体构造屋盖高度为548m，建筑效果图见图1。采取巨型钢斜撑外框架+劲性钢筋混凝土核心筒+外伸臂钢桁架构造体系，如图2所示，标准层构造平面如图3所示。塔楼外框构造紧张由8根巨柱、空间带状桁架、角桁架、巨型钢斜撑和各层边框梁组成。8根巨柱从塔楼地下室一贯延伸至构造顶部，通过沿塔楼全高设置的四道外伸臂与核心筒相连，有效提高构造侧移刚度，抵抗水平荷载引起的倾覆力矩。8根巨柱构造设计对整体构造的安全性至关主要[3-4]。
3巨柱截面选型塔楼底部巨柱截面尺寸达5200mm×3500mm，沿构造高度并折衷建筑哀求分段内收，顶部楼层巨柱截面2000mm×2000mm。初步设计时拟采取钢管混凝土或型钢混凝土巨型柱，两种截面形式的柱子在海内均有运用，各有优缺陷，但对付如此大截面型钢混凝土和钢管混凝土的设计施工履历不多，因此须要对两者进行全面比拟剖析，综合各方面成分确定巨柱截面形式，并通过一些方法改进其毛病。
3.1型钢混凝土（SRC）方案
图4为构造一区巨柱采取型钢混凝土截面时内置型钢及配筋图，型钢混凝土须要配置大量纵向钢筋和箍筋，同时型钢壁上须要设置栓钉，确保型钢与混凝土界面不发生滑移。
3.2钢管混凝土（CFST）方案
图5为构造一区巨柱采取钢管混凝土截面时非楼层处及楼层处截面。
3.3受力性能剖析
巨柱紧张承受轴力和双向弯矩，采取ABAQUS通用有限元软件进行钢管混凝土与型钢混凝土巨柱受力性能剖析，有限元模型如图6~图7所示。相同截面尺寸、相同材料、相同型钢用量（钢管混凝土型钢用量与型钢混凝土内置型钢用量相同，均为6%），两种巨柱形式承载能力比较如下。
3.3.1轴心受压承载力比拟
钢管混凝土巨柱和型钢混凝土巨柱轴心受压全过程荷载-位移曲线如图8所示。
通过对含钢率相同的钢管混凝土和型钢混凝土巨柱轴向受压、单向波折、偏幸受压全过程剖析（图8~图12），可以得到以下几点结论：
（1）两种截面巨柱弹性阶段轴向刚度基本相同；
（2）钢管混凝土巨柱波折承载力较型钢混凝土高；
（3）钢管混凝土巨柱单向偏压承载力较型钢混凝土赶过较多。
3.4防火性能
巨柱防火等级为一级，耐火极限哀求3小时以上。型钢混凝土较无保护方法的钢管混凝土防火性能好。《建筑设计防火规范》（GB 50016-2006）[5]中指出，型钢混凝土巨柱和外挂50mm厚钢丝网砂浆或外涂10mm厚防火涂料的钢管混凝土巨柱耐火极限都超过3小时，均知足设计哀求。理论上截面越大，防火性能越好，因此可以认为外挂50mm厚钢丝网砂浆或外涂10mm厚防火涂料的钢管混凝土巨柱完备能够知足设计哀求。
3.5施工可行性
钢管混凝土巨柱较型钢混凝土巨柱施工方便，型钢混凝土巨柱须要支模板、制作钢筋骨架、节点区钢筋被打断，尤其是加强层及带状桁架层，大部分钢筋不能贯通，须要接驳器连接或焊接在型钢上，施工困难。
3.6经济性
第2.3节中设计的钢管混凝土巨柱，钢材用量与型钢混凝土巨柱内置型钢用量相同，其受力性能较型钢混凝土好，材料上节省了纵筋和箍筋用量，施工上能显著缩短工期，具有较好的经济性。
3.7小结
综上所述，钢管混凝土巨柱在受力性能、节点处理、施工、经济造价上都较型钢混凝土巨柱有上风，在防火性能上略逊型钢混凝土，但也可知足设计哀求。综合上述缘故原由，沈阳宝能金融中央T1塔楼巨柱采取双腔体矩形钢管混凝土柱，底部截面尺寸5200mm×3500mm，顶部减小至2000mm×2000mm；钢管壁厚65mm~24mm，含钢率由底部6%减小至顶部4%。
4 超大截面矩形钢管混凝土柱钢管与混凝土共同事情为担保超大截面矩形钢管混凝土柱中钢管和混凝土的共同事情性能，充分发挥二者的轴压承载力，采取傅学怡教授提出的钢管内置传力构件的设计理念[6]，于钢管混凝土柱楼层节点区钢管内设置压力分配梁和内环肋，个中分配梁为主传力构件，内环肋为次传力构件，折衷钢管壁与核心混凝土的变形，使钢管壁与核心混凝土共同承受外荷载。
4.1巨柱传力构件设置
巨型柱楼层钢管壁节点区设置单根H型钢梁以及水平内环肋，巨柱截面及有限元打算模型如图13~图14所示。
6 结论本文以沈阳宝能金融中央T1塔楼项目为背景，重点谈论了超大截面巨型柱的截面选型、承载力打算、钢管与混凝土共同事情以及巨柱钢管壁屈曲等关键设计问题，得到以下结论：
(1)钢管混凝土巨柱在受力性能、节点处理、施工、经济造价上较型钢混凝土巨柱有上风，在防火性能上略逊型钢混凝土，但仍知足设计哀求。
(2)采取傅学怡教授的钢管内置分配梁的设计理念，可实现钢管和混凝土的共同事情，同时有利于加强钢管壁和节点的稳定性，确保超大截面矩形钢管混凝土柱的承载力与构造的安全度，知足本工程运用须要。
(3) T形截面纵向加劲肋可提高巨柱钢管壁的屈曲临界荷载，同时改进巨柱钢管壁的屈曲形态。
参考文献
[1] 赵宏，雷强，侯胜利，等.八柱巨型构造在广州东塔超限设计中的工程运用[J].建筑构造，2012，42(10)：1-6
[2] 杨晓蒙，田春雨，王翠坤，等.京基金融中央巨型钢管混凝土柱试验研究[J].建筑构造.2010,40(1):87-90
[3] 深圳大学建筑设计研究院．沈阳宝能金融中央构造工程超限高层专项审查送审报告[R]．2014．3．
[4] 深圳大学建筑设计研究院．沈阳宝能国际金融中央巨型柱专题研究报告[R]．2014．3．
[5] GB 50016-2006建筑设计防火规范[S]．北京：中国操持出版社，2006．
[6] 傅学怡，李元齐，雷敏，等.超大截面矩形钢管混凝土柱钢-混凝土共同事情合理布局方法[J].土木工程学报.2013,46(12):33-42
[7] 苏明周，申跃奎.钢构造稳定事理[M].北京：科学出版社,2012.03．
注：本文转载自第二十三届全国高层建筑构造学术会议论文《超大截面矩形钢管混凝土柱构造设计》，作者：吴兵,邸博,傅学怡，孟美莉，郑竹，冯叶文，黄船宁，仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！
