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1、钢管活性粉末混凝土柱的设计思路摘要：钢管活性粉末混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系用于高层、超高层建筑中可以显著增加建筑物的净使用面积和净高，然而现行结构设计软件无法对钢管活性粉末混凝土柱进行建模，本文通过尝试建立不同的替换模型，解决了采用PKPM对超高强的钢管活性粉末混凝土柱的建模难题。关键字：钢管活性粉末混凝土柱、替换模型、PKPM1前言现如今越来越多的地方正在建或计划建高层、超高层建筑，钢管混凝土柱以其承载能力高成为了许多高层、超高层建筑的选择，但是对于一些超高层建筑而言，采用钢管混凝土柱，其界面尺寸仍然较大，其承载能力仍不能满足设计的要求，而如果在钢管混凝土柱中设置型钢或钢筋,这会增大施工
2、难度，延长施工周期,在这种情况下采用钢管活性粉末混凝土（RPC）柱可以有效解决这类难题。活性粉末混凝土（ReaCtiVePOWderCOnCrete,简称RPe）具有超高强度（抗压强度可以很容易超过100MPa）、优越耐久性和体积稳定性良好等优点，将RPC灌入钢管中形成钢管RPe柱，由于RPC的抗压强度相比普通高性能混凝土有大幅提高，故在满足相同承载力的情况下，钢管混凝土柱的截面面积可以有较大幅度的降低，这将更有利于房屋空间的布置和有效增加房屋的净使用面积，且钢管中的RPC受到钢管的有效约束，可以克服不掺钢纤维的RPC脆性大和言行差的弱点，延性大为提高，进而满足各种复杂条件下的变形需求。对于钢
3、管RPC柱已有学者做过相关研究，姚良云UZ分别针对钢管RPC长柱受压和短柱偏心受压性能做了研究。林震宇在其硕士论文当中对圆钢管RPC轴压柱的受力性能进行了较为详细的研究。在实际工程应用方面，1997年在加拿大Quebec省Sherbooke市中心的MagogRiver的一座跨度为60m的步行/自行车桥的腹杆采用钢管RPC结构，桥面采用RPC板取得了良好的经济效益。但是目前钢管RPC柱应用于房屋建筑中的实例很少，这主要是由于缺乏对钢管RPC柱的设计方面的研究，尤其是现行规范中没有对混凝土强度超过80MPa的混凝土的设计规定，通用结构设计软件PKPM也无法对其进行建模，本文就这个问题进行了一些有益
4、的探讨。2钢管RPC柱设计方法2.1 原工程概况原建筑模型为一地下两层、地上二十四层的商务中心。主楼地下一层至地上十一层柱均采用圆形钢管混凝土柱截面形式，截面尺寸有120Omm（钢管混凝土柱钢环外径）X1166（钢管混凝土柱钢环内径）mm和I100rnmXl07Omm两种，地上十二层起采用圆形混凝土截面形式，截面直径大小从IlOOmm至900mm依次降低，柱混凝土强度从C50至C30依次降低。2.2 替换为钢管RPC柱的思路由于现有规范中的混凝土的强度等级为C15C80,故结构设计软件PKPM中并没有考虑混凝土强度等级超过C80的情况，无法对混凝土强度等级超过C80的混凝土进行输入、设计，更无
5、法考虑RPC优越的抗拉强度、断裂性能。在实际设计时考虑用相似模型来替换应有的钢管RPC柱的设计思路，并对替换模型的可靠性进行验证，对节点处加强构造处理,保证安全可靠。2.2.1 替换钢管RPC柱的两种替换方案1、等刚度替换法在设置钢管RPC柱的参数时，按照柱的刚度值不变的原则，换算出当为钢管RPC柱时的截面尺寸，然后按照这个尺寸输入柱的参数，混凝土的等级选择PKPM软件中提供的等级，然后进行电算，对于电算结果不考虑其柱的截面承载力达不到要求，仅研究其他的电算结果是否满足规范要求。例如原尺寸为1200mm（钢管混凝土柱钢环外径）Xl166（钢管混凝土柱钢环内径）mm的钢管混凝土柱，钢管内的混凝土
6、替换为强度等级为C200的RPCo第一步按等轴力设计值换算：原钢管混凝土柱的轴力设计值：=Asfy+Aefct钢管RPC柱的轴力设计值应等于N,且M=AJy+AJr,式中乂、N2、A,、fy,4、fc.Ar.人分别为原柱轴力设计值、新柱截面轴力设计值、型钢的截面面积、型钢的屈服强度、混凝土的截面面积、混凝土的强度设计值、RPC200的截面面积、RPC200的强度设计值，其中钢管RPC柱的径厚比按照规范高层建筑混凝土结构技术规范中附录F圆形钢管混凝土构件设计中的有关规定事先给定一个符合规范要求的值。第二步按等刚度换算：计算钢管RPC柱的抗弯刚度值K=EI=Es（D4-D）+ErDtJ,其中且.、
7、D、D0.舔分别表示型钢的弹性模量、钢管RPC柱外径、钢管RPC柱内径、RPe的弹性模量：然后按刚度不变的原则，等效计算出普通钢管混凝土柱的截面尺寸，即K=K2,其中（、仁分别表示钢管RPC柱与换算的普通钢管混凝土柱的抗弯刚度。进而可以求得新的钢管混凝土柱的截面面积。这里所求得的截面参数即为在建模中所需实际输入的截面参数。按照这种柱的参数输入模型进行电算，电算结果表明钢管混凝土柱的轴压比均超限，核心筒剪力墙开洞处剪力墙配筋超限。由于实际柱参数设置的柱的混凝土强度偏低，故可以不考虑柱的轴压比超限问题，而对于核心筒剪力墙开洞处剪力墙配筋超限问题则需引起重视，可以通过在这些位置处预埋型钢构件等措施来
8、解决，或对结构的建筑模型进行适当调整，调整剪力墙的开洞位置和开洞尺寸，尽量使开洞数量、位置和尺寸更为合理，更适合于钢管RPC柱这种结构形式。2、等承载力替换法按照钢管混凝土柱的设计方法手算出采用RPC200时的钢管RPC柱的截面尺寸，然后按照这个尺寸输入柱的尺寸参数，混凝土的等级选择PKPM软件中提供的等级，然后进行电算，对于电算结果不考虑其柱的截面承载力达不到要求，仅研究其他的电算结果是否满足规范要求。同样选择上述替换方法的尺寸为1200mm（钢管混凝土柱钢环外径）X1166（钢管混凝土柱钢环内径）mm的钢管混凝土柱，钢管内的混凝土替换为强度等级为C200的RPC。按照规范高层建筑混凝土结构
9、技术规范中附录F网一一圆形钢管混凝土构件中的方法进行手算其截面尺寸。钢管混凝土单肢柱的轴向受压承载力设计值Nl,=leN其中NO=O.9A（l+0）（当。W句时）NO=O9A（l+6）（当6网时）本例中。，故按照NO=O.94/（1+点+9）计算。式中：NO钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值：钢管混凝土的套箍指标；与混凝土强度等级有关的系数，按高层建筑混凝土结构技术规程附录表F.1.2中取值，这里混凝土的强度超出了规范的要求，假定为1.4；一一与混凝土强度等级有关的套箍指标界限值。这里取作1.56；4、4分别表示钢管内的核心混凝土与钢管的横截面面积；、分别表示钢管内的核心混凝土与钢管的抗压强
10、度设计值；l考虑长细比影响的承载力折减系数；e考虑偏心率影响的承载力折减系数；通过上述手算可得新的钢管RPC柱的截面面积，按照此值输入模型中，并电算。电算结果为：柱钢管混凝土柱的承载力超限，剪力墙端的梁配筋超限，对于剪力墙端梁配筋超限的情况可通过增大梁截面面积等方法调整。2.2.2 替换方案的评价按上述方式一替换，虽然能够保证柱的刚度不发生变化，但会造成柱的截面面积发生变化，进而导致所有梁柱节点全部改变，对计算结果影响较大；放方式二建模，虽然钢管RPC柱的刚度略偏低，但由于RPC的弹性模量相对于普通高性能混凝土的增大幅度远小于强度的增大幅度，故这种替换模型不会引起柱刚度的很大差别，且这种替换会
11、使电算的结果偏于保守，不会引起不完全的产生，故建议采用这种方式进行替换。在手算设计钢管RPC柱的尺寸的时考虑下述儿点建议：1、按照规范高层建筑混凝土结构技术规程附录F计算，其中建议句取值大于1.56；=1.4;柱轴向受压承载力取钢管混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系电算结果中的最大值；长细比、偏心率也取钢管混凝土柱-扁梁-剪力墙结构体系电算的结果值；2、由于RPC的强度很高，远高于现有规范中的混凝土强度等级，故如需钢管对核心区RPC提供足够约束力则在相同条件下钢管的厚度要增加，即对钢管RPC柱的径厚比要求更严。建议在设计钢管RPC柱时按照钢管混凝土柱的轴压比限值设计时，适当降低轴压比承载力限值；3
12、、按照这种替换方式建模所得的梁的配筋偏大，在实际配筋时可略小于电算配筋结果。3结语采用钢管活性粉末混凝土柱这种柱截面形式可以满足超高层结构中使用钢管混凝土柱的承载力不足的问题，可以有效减少柱的截面尺寸，增大建筑的净使用面积，有利于建筑空间的灵活布置。采用等承载力法替换原有钢管RPC柱可以解决用PKPM对钢管RPC柱进行建模的难题，有利于钢管RPC柱在房屋建筑中的推广使用。本文仅是对利用结构设计软件PKPM对钢管RPC柱设计的一个初步探索，仍需要大量的相关研究和工程实际的探索来论证这种方法的可行性。参考文献11姚良云.钢管RPC长柱轴压受力性能试验研究J.福建建设科技,2007(6):15-16.2 姚良云，吴炎海,林清.钢管RPC短柱偏心受压受力性能试验研究J.福建建筑,2005(3).3 林震宇.圆钢管RPC轴压柱受力性能研究DD.福州大学,2004.4 高层建筑混凝土结构技术规范.高层建筑混凝土结构技术规范.中国建筑工业出版社,2002.
