型钢混凝土柱设计方法与施工工艺研究

杨毅超 顾征宇 潘钻峰 张德锋 朱亚智 王超维

1.上海烟草集团有限责任公司 上海 200082；2.同济大学土木工程学院 上海 200092；3.上海建工集团股份有限公司 上海 200080

型钢混凝土（steel reinforced concrete，简称SRC）结构是将型钢内置于钢筋混凝土中，使型钢、钢筋、混凝土协同工作，共同抵抗荷载效应的组合结构。区别于钢管混凝土，型钢混凝土的全部钢材（包括型钢和钢筋）都布置在混凝土内部，钢材外还有一定厚度的混凝土保护层。对于型钢混凝土结构，我国过去一直沿用劲性钢筋混凝土这一名称[1]，也有人称之为钢骨混凝土结构，亦有称为型钢混凝土组合结构[2]。

与普通钢筋混凝土结构相比，型钢混凝土结构具有诸多突出优点，例如：

1）构件自重及截面小。

2）受力合理，强度高，延性好[3]。

3）可修复性能好。文献[4]中将试验加载后受损的型钢混凝土柱头清洗干净，再用C60高强混凝土加固补强，然后进行低周反复水平荷载试验，加固后的型钢混凝土框架承载能力并没有降低，延性下降不明显，表明型钢混凝土框架的可修复性能很好。

4）施工周期短。结构中的型钢属于预制构件，这可使得施工的工作量减少、时间大大缩短。

然而，型钢混凝土的施工难度较大，一定程度上也限制了其工程应用。内置型钢需要大量的现场焊接工作，施工程序繁琐。内置的型钢使混凝土的浇筑困难变大，容易导致浇筑不密实，影响施工质量，所以对施工单位的要求非常高。随着施工技术的成熟，施工前可进行周密的组织策划和高超的技术准备，通过三维放样对节点进行优化和施工模拟，可以解决梁柱节点的施工难题，有助于结构体系在实际工程中的推广应用。

虽然型钢混凝土有着很多突出的优点和巨大的应用潜力，但其实际应用迫切需要一套成熟的设计及施工方法。因此，本文从型钢混凝土柱设计方法及施工技术等2个方面开展研究，为进一步推广型钢混凝土的实际应用提供理论及技术支撑。

1 型钢混凝土柱的设计方法

本节从正截面承载力、斜截面承载力、构造因素控制（包括保护层厚度、最小配筋率、轴压比）等3个方面对型钢混凝土柱的设计方法展开讨论[5-6]。

1.1 SRC柱正、斜截面承载力

SRC柱正截面承载力按轴心受压柱和偏心受压柱分别进行计算。轴心受压的混凝土型钢短柱的力学性能比较单纯，型钢和混凝土的变形基本一致，各国学者对它的认识都相同，可以采用强度叠加的原理来计算。具体计算公式可参见文献[7]。

对于偏心受压的实腹式型钢混凝土柱，其型钢腹板在高度上的应变是连续的，截面不存在明显的界限破坏。型钢混凝土柱的界限破坏一般假定发生在混凝土受压区边缘的应变达到其极限压应变，同时型钢的受拉翼缘也达到屈服之时。单向偏心受压柱正截面承载力计算仍然按文献[7]给出的公式计算。

型钢混凝土框架柱偏心受压时的斜截面受剪承载力，应符合文献[7]中相应公式的规定。

1.2 SRC柱构造控制因素

1.2.1 保护层厚度

型钢混凝土保护层厚度是指型钢外边缘到混凝土表面的最小距离，混凝土保护层所起的主要作用有：维持型钢与混凝土间的黏结力；其对型钢的包裹，可防止型钢发生局部屈曲和整体失稳，能提高构件的刚度、耐久性等；提供构件的部分承载力。综上，混凝土保护层厚度会影响构件的破坏形态、承载力、刚度以及耐久性能等。

型钢混凝土保护层厚度的确定可以从混凝土保护层受压失稳和混凝土保护层开裂两方面进行考虑，确定临界值。文献[8]根据板弹塑性稳定理论，推导出使得型钢高强混凝土柱不发生屈曲失稳的最小混凝土保护层厚度计算公式Cs1。

当混凝土保护层厚度过小时，混凝土受拉开裂，从而影响型钢与混凝土之间的黏结。当混凝土不开裂时，厚度的增加对黏结强度影响不明显，所以从混凝土开裂的角度出发，可确定混凝土保护层开裂时的临界保护层厚度Cs2。

综合考虑保护层受压失稳和混凝土保护层开裂两方面，再结合文献[7]中6.1.4条规定的型钢混凝土保护层最小厚度（不宜小于200 mm），取Cs1，Cs2和200 mm三者中的最大值作为最终的混凝土保护层厚度。

1.2.2 最小配箍率

普通钢筋混凝土柱中配置的箍筋主要起3个作用：抵抗构件截面剪应力；抑制纵筋受力后发生侧向屈曲；保证地震作用下的混凝土柱延性，改善抗震性能。对于第一个作用，可以通过抗剪承载力的验算来保证其发挥；对于后两个作用的发挥则是通过构造要求进行满足，规定箍筋间距、最小配箍率等。

在型钢混凝土柱中，其内部的型钢翼缘和腹板为截面核心区的混凝土提供了较好的约束作用，提高了混凝土的延性和承载力。型钢混凝土柱截面中的混凝土可分为型钢强约束区、箍筋弱约束区以及无约束区（图1）。文献[2]对型钢混凝土柱最小配箍率的规定主要参照普通钢筋混凝土柱，忽略了型钢的有利作用，最小配箍率过于保守，既不经济，也不利于施工。

图1 型钢混凝土柱截面约束分区

文献[9]中根据试验拟合数据，提出了与型钢形式无关的型钢混凝土柱最小体积配箍率公式。建议公式控制最小配筋率的型钢混凝土柱在试验和有限元分析中均能满足延性要求，并且建议公式与文献[7]中6.4.3条规定相吻合。

1.2.3 轴压比

叶列平等[10]指出，型钢混凝土柱中的型钢将承担一部分轴力，截面轴压力由混凝土和型钢共同承担。同时，文献[10]还提出了在标准状态下，型钢混凝土的轴压力限值公式，并得出了轴压比的简化公式。

2 型钢混凝土柱简化设计表与设计实例

在实际工程中，设计人员迫切需要简便的型钢混凝土构件计算方法。在工程方案和扩初设计时，可根据构件所承担的荷载内力估算值，进行构件截面、材料等的选择，有助于结构选型及初步计算。在进行施工图设计时，设计、校对、审核、审定等人员需要采用这些图表进行结构的设计和优化。

利用上节中的正截面承载力、斜截面承载力计算，构造设计方法，本节进一步凝练、简化，最终构建简化的型钢混凝土柱设计表，方便设计者查阅、参考。设计者只需根据荷载内力计算值，即可利用此简化设计表初步确定截面尺寸、型钢、配筋等。进而再利用上节所述的承载力设计方法，对所设计截面进行验算。

本型钢柱表分为3个部分：第1部分为柱截面及其配钢、配筋说明。第2部分为柱最大轴力设计值。该表列出了型钢混凝土柱在混凝土强度等级为C40—C70的情形下，柱在不同的轴压比限值时所对应的柱最大轴力设计值。在结构设计时，可以根据柱的抗震等级、轴压比要求及轴力进行柱截面选择或复核柱的截面、配筋、配钢。第3部分是柱所能承受的弯矩设计值M和轴力设计值N的关系曲线。

本节以600 mm×800 mm的截面为例，绘制了2种不同型钢设计〔SRC—Z600×800（1）和SRC—Z600×800（2）〕的型钢混凝土柱的设计图表（表1、图2及表2、图3）。SRC—Z600×800（1）的H型钢高400 mm，翼缘宽300 mm，腹板厚12 mm，翼缘厚16 mm，设计强度295 MPa；纵筋为8根直径25 mm的钢筋，设计强度360 MPa，配筋率0.818%。SRC—Z600×800（2）的H型钢高400 mm，翼缘宽300 mm，腹板厚16 mm，翼缘厚28 mm，设计强度295 MPa；纵筋为8根直径25 mm的钢筋，设计强度360 MPa，配筋率0.818%。钢筋配筋率对于矩形截面而言，为纵向受力钢筋占截面尺寸的比例，沿高度方向配置的构造筋不计入内；对于正方形截面而言，为全部纵向钢筋占截面尺寸的比例。值得注意的是，图2和图3中每簇曲线由内到外分别为混凝土强度等级为C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70时的承载力曲线。设计时，可根据所采用的混凝土强度等级选择相应的M-N曲线，进而根据设计要求选择合适的型钢截面，实现简捷、快速的设计目标。

表1 SRC—Z600×800（1）最大轴力

3 施工关键技术

以上节中所设计的600 mm×800 mm型钢混凝土柱为例，进一步探讨该类构件的施工关键技术。

3.1 型钢混凝土柱施工顺序

型钢构件工厂制作、加工→安装、固定型钢混凝土柱预埋螺栓→型钢柱吊装→布置钢筋→安装模板→混凝土浇筑、养护

3.2 型钢柱制作加工及质量控制

型钢柱加工流程[11]：下料→打坡口，制孔→组立→定位焊接→矫正焊接变形→表面净化处理，抛丸除锈→栓钉焊接→超声波探伤检测→检验，编号。需注意的是，型钢柱制作时对预留孔位的准确度要求较高，应严格控制误差。按照加工方案逐步进行，按照质检、验收规定做好各个环节的质量验收。

图2 SRC—Z600×800（1）承载力曲线

表2 SRC—Z600×800（2）最大轴力

图3 SRC—Z600×800（2）承载力曲线

3.3 地脚螺栓施工

地脚螺栓由于其位置位于整体结构的下部，所以保证安装精确度是型钢柱施工的重要环节。先按设计图纸在混凝土底板中预埋锚栓，混凝土浇筑之前需要对锚栓进行复核，最终定位。混凝土终凝前，对柱脚进行二次放线，纠正预埋锚栓产生的偏差。

3.4 型钢柱安装

吊装前，进行型钢柱构件的编号检查确认工作。此外，还需对开孔、柱身进行检查，确保安装前构件未损伤。规划型钢构件的吊装顺序和平面布置，保证施工的质量和进度。

吊装时，以底层柱为例，用起吊机械将型钢柱吊至基础上方位置200 mm左右时，保证螺栓孔对准后再缓慢下放，避免碰撞预埋螺栓。钢柱落地后还需用角尺进行检查，保证钢柱与基础定位线完全重合。将钢柱插入锚栓临时固定，并进行初步校正，将垂直方向偏差控制在20 mm以内，而后将钢柱与起重机脱钩。

将2台经纬仪布置在柱的纵横轴线上，对钢柱垂直度进行检验及校正，使柱的正面、侧面中心线分别与2台经纬仪视点重合，从而保证柱的垂直度。在校正过程中，应同时注意柱底标高是否偏移标高控制点，避免造成标高误差（图4）。

图4 型钢柱标高调整

3.5 钢筋工程

型钢柱安装完成之后，进行后续的钢筋工程施工。SRC柱纵筋的翻样、加工、施工与普通钢筋混凝土柱并无明显区别。但是，梁柱节点的构造形式会造成纵筋施工的特殊性。例如：若节点处焊接了钢牛腿，此时柱内纵筋的布置应尽量集中在边角部，避免与牛腿的冲突。若框架柱中纵筋布置较密，宜采用直螺纹连接，且接头应相互错开；在箍筋施工过程中，可采用箍筋先掰开就位，后恢复原状绑扎的方法。若部分小箍筋与型钢柱栓钉水平位置重合，箍筋无法从上口套入，并且掰开就位的施工难度大，此时，可在不影响施工质量的前提下，根据施工现场的实际情况，对小箍筋的位置、形式进行调整，如将小箍筋外移（图5），或将小箍筋改成拉筋（图6），抑或将原来封闭的内箍变为元宝箍筋。

4 结语

图5 型钢混凝土柱小箍筋位置调整

图6 型钢混凝土柱小箍筋变拉筋

针对型钢混凝土柱，分别进行轴心受压、偏心受压的正截面承载力和斜截面承载力分析，给出了建议的承载力计算公式。对型钢混凝土柱的保护层厚度、最小配箍率、轴压比、型钢用量进行了研究，从构造要求上控制型钢混凝土柱的抗震性能，并编制了简化的设计图表，给出了设计范例。根据型钢混凝土柱的结构特点，对其施工要点进行说明并且针对型钢混凝土柱的钢筋工程提出了施工建议，以为此类构件的现场施工提供参考。