建筑结构丨新型配箍形式在型钢混凝土柱中的应用研究

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新型配箍形式在型钢混凝土柱中的应用研究

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文/哈敏强

结合笔者参与的超高层结构设计实际案例，研究型钢混凝土柱新型箍筋形式的受力特点，以及新型箍筋对SRC柱抗震性能和延性的改善作用。矩形截面SRC柱采用“角部加强箍筋”的形式后，SRC柱角部在轴压作用下的抗压强度有明显提高；圆形截面SRC柱采用“多道多边形封闭箍”或“双重圆箍”的形式后，箍筋的约束作用得以增强。

引言

型钢混凝土柱（SRC column）是超高层建筑结构的常用构件形式。为保证箍筋对型钢混凝土柱混凝土的约束作用，《组合结构技术规范》^[1]、《高层建筑混凝土结构技术规程》^[2]按轴压比和抗震等级的不同限制了型钢混凝土柱箍筋加密区的最小体积配箍率要求。和高规^[2]中对于常规钢筋混凝土柱箍筋设计条文不同，上述规范、规程未规定柱箍筋的加强对型钢混凝土柱轴压比限值的影响。

本文结合笔者参与设计的一些超高层工程，分析了优化外围箍筋形式对型钢混凝土柱延性和承载力的影响，并探讨了新型配箍形式在型钢混凝土柱中的应用。

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矩形截面型钢混凝土柱的新型箍筋形式

1.1 矩形SRC柱的箍筋形式

国标图集《型钢混凝土钢筋排布及构造详图(12SG904-1)》^[3]详细给出了矩形截面SRC柱的各种典型箍筋形式（图1）。考虑到施工方便，设计中柱内拉筋优先采用拉筋不穿型钢的排布方式。

▲  图1 《12SG904-1》中SRC柱钢筋排布构造

图2表示了配置十字型钢的常规配箍形式柱的受力特点，柱中心混凝土受到型钢较强的约束作用，型钢外围混凝土受到外围箍筋和拉筋的约束作用。在轴向压力作用下，核心混凝土的横向膨胀变形使方形箍筋产生水平向外弯曲，由于箍筋的抗弯刚度很小，对核心混凝土的反作用力即约束力很小，形成了弱约束区；箍筋转角部刚度大、变形小，对核心混凝土的约束作用强，被约束的混凝土形成“拱作用”，导致柱截面中间部分和指向箍筋角部的延伸带形成了强约束区（图3）。于是图2中阴影范围以外混凝土轴压强度显著低于阴影范围有约束作用的混凝土区域；轴压荷载到达极限荷载时，型钢外围混凝土是柱的薄弱部位，首先发生破坏。

▲  图2 配置十字型钢的常规配箍形式柱的构造

▲  图3 方形箍筋对混凝土约束形成的“拱作用”

常州某超高层塔楼底部框架柱结构方案选型中，对图2中常规配箍形式SRC柱进行了优化，底部框架柱研究了图4的配箍形式[4]。柱角部加设封闭箍筋以加强对角部较大范围混凝土的约束，提高角部混凝土的轴压承载力，并在柱内十字型钢外围设置封闭八角箍。角部箍筋采用了图4（a）中的方箍形式，也采用了图4（b）中的圆箍形式。

▲  图4 角部加强箍SRC柱（带八角箍）的构造和受力特点

圆形箍筋混凝土柱轴压产生横向应变时，圆形箍筋由于形状而处于环向轴心受拉状态（图5（a）），并形成沿圆周的连续约束应力；其对混凝土的约束作用显著比图3中的方形箍筋强。八角箍筋在8个箍筋转折对混凝土均有约束作用（图5（b）），约束范围明显大于仅在4个角部有约束作用的方形箍筋，其对混凝土的约束作用介于方形箍筋和圆箍之间。而图1中型钢柱外围的箍筋形式对混凝土的约束范围较少。最终设计中选择了“角部加强箍+八角封闭箍”的形式。八角箍进一步加强了对型钢外围混凝土的约束，并与角部加强箍筋“互套”而强化了混凝土的整体共同受力性能。

图4中做法的缺点是现场八角箍筋加工需要较高的精度，土建单位需要制作辅助设备。兰州某超高层项目结合土建单位情况，对图4做法进行了调整：对于长方形截面柱，将图4中的圆箍筋加强，并将八角箍筋弱化改为拉筋（图6(a)）；对于较大截面正方形截面柱，将八角箍筋改为现场方便加工的圆箍，采用大圆箍和角部圆箍结合的方式（图6(b)）；对于较小截面正方形截面柱，角部圆箍直径过小不方便施工，采用大圆箍和角部方箍结合的方式（图6(c)）^[5]。

▲  图5 箍筋对混凝土的约束作用

▲  图6 角部加强箍SRC柱（带圆箍）的构造

上述兰州超高层项目的现场施工照片见图7，图7（a）对应图6（a）构造，图7（b）对应图6（a）构造。土建单位反馈：避免了箍筋穿型钢的构造，施工非常方便。

（a）角部圆箍和拉筋结合

（b）角部圆箍和大圆箍结合

▲  图7 兰州某超高层项目角部加强箍SRC柱的现场照片

1.2 矩形截面叠合柱的箍筋形式

钢管混凝土叠合柱是一种内置圆钢管的特殊的SRC柱。同样用钢量的情况下，叠合柱的轴压承载力明显高于SRC柱，叠合柱内钢管的约束作用使管内混凝土的轴心抗压承载力大幅度提高，钢管内混凝土很难发生破坏。但叠合柱外围箍筋对混凝土的约束效应较差，钢管外钢筋混凝土部分成为其轴压工况下薄弱部位的力学特征比较明显。

泰州某超高层项目采用框架-核心筒结构体系，低区外围框架柱采用了钢管混凝土叠合柱。为了解决叠合柱外围混凝土薄弱的问题，设计了图9的构造，即“角部加强箍筋+八角箍筋”^[7]。

▲  图9 叠合柱的箍筋形式优化

对图9箍筋形式的叠合柱模型进行了轴压荷载下的弹塑性有限元分析；为了对比，将图9中箍筋形式改为通常配箍方式进行分析。

图10(a)、(b)分别对应构造为通常配箍、“角部加强箍筋+八角箍筋”的叠合柱达到极限承载力时对应的混凝土应力分布云图。通常配箍方形外箍对混凝土的约束较弱，轴压破坏时外围混凝土压应力不均匀，角部局部压应力大。

图9的构造加强了角部箍筋，并采用八角箍筋和角部箍筋互套，钢管外混凝土大部分区域受到了较强约束作用，破坏时钢管外混凝土应力更加均匀。

(a) 普通叠合柱构造

(b) 角部加强并设置八角箍筋的叠合柱构造

▲  图10 两种箍筋形式叠合柱轴压下的混凝土应力分布

“角部加强箍筋+八角箍筋”型叠合柱在轴压荷载下钢管外围混凝土受力更加均匀，延性也更好，其轴压极限承载力相比常规设计时也有5%~10%左右的提高，有效减轻了外方内圆型叠合柱钢管外的混凝土过早压碎破坏的缺陷^[7]。

1.3 角部加强形式对SRC柱施工的有利作用 

型钢混凝土梁柱节点，因其为梁型钢、纵筋和柱型钢、纵筋交汇处，型钢和钢筋交错密集，再加上箍筋给施工造成了相当大的困难。图11为典型型钢混凝土梁柱节点的照片，节点区钢筋较难施工。笔者参与多个型钢混凝土结构工程的设计工作，深感图纸上型钢混凝土节点设计落地到工程中实际困难很多，型钢混凝土梁柱节点的施工质量很大程度影响着工程的实际质量。

▲  图11 典型型钢混凝土梁柱节点的现场照片

本文1.1~1.2节所表述的角部加强箍筋改进形式，不仅加强了对型钢外围混凝土的约束，提高了柱的承载力和延性，而且将箍筋和纵筋相对集中在矩形SRC柱的四个角部（图12）。这样，SRC柱中和型钢混凝土梁或混凝土梁连接处的钢筋相对较少，施工会方便，混凝土浇筑质量更容易控制。

▲  图12 矩形SRC柱角部集中配纵筋的构造示意

2

圆形截面型钢混凝土柱的新型箍筋形式

2.1 圆形截面SRC柱的多边形箍筋形式 

圆形截面SRC柱因建筑感观效果较好而在公共建筑特别是超高层的低区楼层中应用广泛。国标图集《12SG904-1》^[3]对圆形截面SRC柱的箍筋排布没有特别的要求，设计时参考矩形截面柱进行。

宁波绿地中心四区塔楼高度240m，为型钢混凝土框架-核心筒结构体系^[8]，外围框架柱低区部分采用了内置十字型钢的圆形截面SRC柱。图13（a）是配置十字型钢圆混凝土柱的常规配箍形式，柱外围圆形箍筋在混凝土轴压产生横向应变时，处于环向轴心受拉状态，并形成沿圆周的连续约束应力（参见图5（a）），约束较为有效；除圆箍以外的方箍对混凝土的约束作用较小，且部分箍筋穿型钢腹板，施工较为复杂。图13（b）是此项目中1450mm直径柱实际采用的箍筋形式，采用圆箍+2个六角箍，柱内箍筋不穿型钢。圆箍+六角封闭箍筋形成的钢筋网环绕十字型钢，施工较为方便，柱的延性更好，整体性更强。图14是图13（b）构造的照片。

▲  图13 宁波绿地中心低区SRC柱的箍筋构造

▲  图14 宁波绿地中心SRC柱照片

2.2 圆形截面叠合柱的箍筋形式

和外方内圆形叠合柱相比，外圆内圆形叠合柱钢管外围圆箍对钢管外混凝土约束较为有效，虽然钢管外围混凝土轴压强度低于钢管内混凝土仍然为其薄弱环节，但不明显。图15是2005年设计的上海保利广场[9]叠合柱配箍构造，五角箍筋绕开叠合柱内钢管，施工方便，箍筋对纵筋的拉结也较为合理。图16是对应的现场施工照片。

▲  图15 上海保利广场叠合柱的箍筋构造

▲  图16 上海保利广场叠合柱施工照片

2.3 不同直径圆形截面柱多边形箍筋排布建议 

根据本文2.1节～2.2节圆柱箍筋的不同排布方式，结合钢筋实际放样的施工方便性，给出内置型钢（型钢或钢管）的几种不同直径混凝土柱的建议箍筋排布。建议900~1150mm直径柱采用圆箍+2个四角箍（图17(a)），1200~1350mm直径柱采用圆箍+2个等边五角箍（图17(b)），1400mm以上直径柱采用圆箍+2个等边六角箍（图17(b)）。

▲  图17 不同直径SRC柱的建议箍筋构造

按上述排布方式设计环绕型钢的箍筋，柱箍筋能对纵筋形成有效拉结，且柱中部均有较合适的尺寸以放置十字型钢或钢管，施工也较为方便。

2.4 外置双重圆箍筋的SRC柱 

对于圆形截面SRC柱，除了前文所述的箍筋形式，外围箍筋也可采用双重圆箍筋。双重圆箍筋能对核心混凝土提供更强的约束作用，提高混凝土变形能力，改善构件延性，增强结构抗震性能。

兰州项目^[5]低区楼层框架柱按中震弹性设计，地震烈度为八度，型钢混凝土柱纵筋很多（周边纵筋总数量接近50根），如果按图17设计的多边形箍筋施工极容易和纵筋冲突，施工非常困难，因而采用了双重圆箍筋设计（图18）。双重圆箍筋中内排圆箍筋内加设构造纵筋，内外排纵筋间加设拉筋来实现对纵筋的拉结。图19为对应的现场照片，施工单位反馈钢筋绑扎明显比传统构造方便。

▲  图18 双重箍筋SRC柱构造

▲  图19 双重箍筋SRC柱施工现场钢筋绑扎照片

和SRC柱相连接的梁为钢筋混凝土梁时，SRC柱的箍筋也可采用螺旋箍。但工地现场直径14mm以上螺旋箍施工非常困难。随着装配式技术在钢-混凝土组合结构中的应用和发展，SRC柱钢骨外围可仅设一道直径14mm~22mm的螺旋箍，并和纵筋一起在工厂加工成型，也是一种值得推广的技术。

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内置螺旋箍筋芯柱的钢筋混凝土柱

对于地震烈度较低的超高层结构，前文中所叙述的各种新型配箍形式的SRC柱，柱内型钢可用螺旋箍筋芯柱代替。宁波绿地中心二区塔楼结构高度147m^[10]，底部1450mm直径框架柱未采用SRC柱，而采用内置800mm直径螺旋箍筋芯柱的钢筋混凝土柱。框架柱外围采用圆箍筋+2×2个等边六角箍的组合配箍形式；每2个等边六角箍组成一组，沿柱高度方向每100mm高度交替布置（图20）。圆箍筋、六角箍对螺旋箍筋芯柱以外的混凝土进行约束，六角箍还加强了箍筋对框架柱周边纵筋的拉结。设计中柱周边纵筋是6的偶数倍数，通过调整纵筋直径来和电算结果匹配。图21是现场施工的图片。

▲  图20 内置螺旋箍筋芯柱的钢筋混凝土柱箍筋构造

▲  图21 内置螺旋箍筋芯柱的钢筋混凝土柱照片

仅从受力角度考虑，除了芯柱箍筋采用螺旋箍，柱外围箍筋也可采用螺旋箍；但现场施工反馈，柱外围箍筋也采用螺旋箍的情况下，钢筋混凝土梁纵筋与柱连接锚固较为困难，因而最终设计和施工采用了图20、图21的方式。

4

结论

（1）型钢混凝土柱箍筋经常需要穿型钢腹板，节点区型钢和钢筋交错密集，施工较为困难。优化箍筋形式以方便施工非常必要。

（2）矩形截面型钢混凝土柱，型钢布置在中部，角部是柱轴压下的薄弱环节，加强角部箍筋对提高柱延性效果明显，角部配加强箍筋也减小了箍筋穿型钢的数量。

（3）圆形截面型钢混凝土柱，除设置外围圆箍筋外，结合截面大小设置方箍、五角箍、六角箍可加强对纵筋的拉结、避免箍筋穿型钢；柱纵筋很多时可设置双重圆箍筋。上述箍筋形式均加强了箍筋对混凝土的约束作用，有利于框架柱延性的提高。

（4）上述新型配箍形式的型钢混凝土柱多数已用于实际工程中，施工单位现场反馈：和传统配箍形式相比，新型配箍方式的型钢混凝土柱，施工非常方便。

参  考  文  献

[1] 组合结构设计规范：JGJ 138—2016 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] 型钢混凝土钢筋排布及构造详图：12SG904-1[S]. 北京：中国计划出版社，2012.

[4] 常州弘阳广场结构抗震超限审查报告[R]. 上海：上海三益建筑设计有限公司，2014.

[5] 兰州东湖广场结构抗震超限审查报告[R]. 上海：上海三益建筑设计有限公司，2016.

[6] 陆道渊，哈敏强，姜文伟，等. 天津现代城酒店塔楼及裙房抗震设计研究［J］. 建筑结构，2012，42( 5)：62-67.

[7] 哈敏强，李蔚，潘浩浩，等.  泰州华润中心超高层结构设计[J]. 建筑结构，2015，45(08)：1~7.

[8] 哈敏强，李蔚，陆陈英，等. 宁波绿地中心超高层结构设计[J]. 建筑结构，2015，45(7)：17-24，42.

[9] 哈敏强，陆益鸣，陆道渊. 上海保利广场结构设计[J]. 建筑科学，2011，27( 1) ：88-92.

[10] 宁波绿地中心二区结构抗震超限审查报告[R]. 上海：上海三益建筑设计有限公司，2014.

作者简介：

_{哈敏强，硕士，教授级高级工程师，一级注册结构工程师，注册咨询工程师（投资），首届中国建筑学会青年工程师奖，首届全国建筑结构杰出青年。中国勘察设计协会结构分会委员，上海市综合采购评标评审专家，上海市建筑工程评标专家。}

_{作为审核审定或结构专业负责人完成了8栋200米以上高度超高层建筑、 多项大跨度体育场馆、8项大型购物中心的结构设计工作，作为结构专业负责人完成了美国国家地理频道《伟大工程 巡礼》“世茂深坑酒店”的结构设计工作，并主持了多栋装配式建筑的结构设计工作。在国家核心刊物上发表论文30篇，获得国家专利15项，中国建筑学会颁发的中国优秀建筑结构设计一等奖1项、二等奖3项、三等奖1项。}

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由哈敏强撰写的文章《新型配箍形式在型钢混凝土柱中的应用研究》已在《建筑结构》第50卷第2期刊登，，点击此处可查看原文，欢迎订阅！

责任编辑：李会珍

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