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摘 要：重载情况下，为了获取更好的抗震性能，提供较好建筑使用空间，超高层建筑的柱子可设计成钢管混凝土叠合柱型式。 与普通混凝土柱比较，叠合柱能有效减小柱截面，可使建筑自重减轻，水泥用量减少，建设能耗降低；与相同荷载情况下的钢骨混凝土（型钢混凝土）柱比较，用钢量也要少得多。 本文通过对某项目超高层公寓楼框架柱设计的对比，得出在一定情况下应用叠合柱型式具有上述优势。
关键词：超高层；叠合柱；经济性
中图分类号： TU511.3+7 文献标识码： A 文章编号：
引 言：钢管混凝土叠合柱是由截面中部的钢管混凝土和外围的钢筋混凝土叠合而成。钢管外的混凝土可以后浇筑，也可与管内混凝土同期浇筑，钢管内外的混凝土强度等级可不同。叠合柱的核心部分承受总轴力的3/4左右，并提供主要的抗剪承载力，外围的钢筋混凝土仅承担总轴力的1/4左右，并承受大部分弯矩。外围混凝土中的纵筋尽量以粗而少的方式布置于截面的角部，主筋和箍筋需满足外围混凝土的最小配筋率要求。
某项目公寓楼（图1所示），地下3层，地上42层，建筑高度149m，属B级高度超高层建筑，设防烈度7度，结构体系为框架核心筒，结构标准层平面如图2所示。其中，外圈框架柱间距为8.4m，核心筒尺寸12.3mX13m。为有效提高结构抗震性能并控制下部楼层框架柱的截面尺寸，22层以下采用了钢管混凝土叠合柱（以下简称叠合柱），典型柱截面如图3所示。
图1单体结构模型
图2标准层平面
图3截面配筋
1叠合柱的受力原理
叠合柱的特点在于其轴压承载力主要来自性价比较高的混凝土，而不主要靠钢材，这是它在经济上优于其它钢和混凝土组合柱结构的原因所在。将超高强混凝土用于钢管之中，可以抑制其自身性能缺点，充分发挥高强的特点，用量又少，是超高强混凝土工程应用的最佳组合。叠合柱核心混凝土和核心钢管一起主要起抗压和抗剪作用，外围混凝土和外围钢筋起部分抗压，但主要起抗弯作用。钢管主要起套箍约束作用，用钢量远远低于同样荷载的钢骨混凝土柱。通过钢管约束管内素混凝土，提高其轴压承载力和塑性，又通过管外钢筋混凝土约束核心区的钢管混凝土，可充分利用钢管混凝土的短柱轴压承载力。叠合使内力在截面中的分布更趋合理，从而增强其抗力和延性。
叠合理念是设法改变设计阶段轴力在截面上的分布，减小外围混凝土的边缘压应变值，使之与极限压应变值（0.003~0.0033）相差更大，达到增加截面的转动变形能力，增加延性，并可适当减小柱外围的截面积。而核心区的钢管混凝土没有控制轴压比的要求，则通过叠合可分担到更多的轴力，可充分利用其短柱的承载力。
2叠合柱的经济性能
与普通混凝土柱比较，表现在可以明显减小柱断面上，建筑自重减轻，水泥用量减少，建设能耗低；与相同荷载情况下的钢骨混凝土（型钢混凝土）柱比较，用钢量要少得多。
随着高强高性能混凝土的推广应用和高强厚壁直缝埋弧焊管的大量供应，使叠合柱的设计可以做到更加先进合理、更加经济。尤其是C80级以上高强、高弹性模量、高施工性能的超高强混凝土的应用，更使叠合柱的优越性得以充分发挥。
下面以公寓楼1层KZ1为例，分别按下述三类柱进行设计分析，比较结果详见表2.1，KZ1平面位置见图2。
按钢管混凝土叠合柱进行设计，管内混凝土采用C80、管外混凝土采用C60、Q345钢管、纵筋箍筋均为HRB400()，设计结果见图3所示。
按普通钢骨混凝土柱设计，混凝土C60 、Q345钢骨、纵筋箍筋均为HRB400()，设计结果见图4所示。
按普通混凝土结构柱设计，混凝土C60、纵筋箍筋均为HRB400()，设计结果见图5所示。
图4 图5
表2.1三类柱设计结果比较
表2.1注：1、叠合柱轴压比指钢管外侧混凝土截面轴压比。
2、为便于对比，叠合柱配筋率、配箍率均按实配结果以全截面统计。
不考虑减小柱子尺寸对建筑使用功能带来的好处，以上表叠合柱延米材料用量为基数估算，按该层层高5.7米、共20颗柱子、则该层柱子节约结构材料费用为：比钢骨混凝土柱减63万元，比普通钢筋混凝土柱减131万元。如果从地下3层算至地上22层，虽不是线性累加，但总体能节约下来的结构材料费应该还是很可观的。从以上比较分析来看，在满足轴压比要求的情况下，叠合柱经济性较好。
叠合柱对工期的影响。叠合柱结构体系已在国内不少高层工程中获得应用，据相关资料介绍，只要合理组织，这种结构的施工并不复杂，节点构造也很简单可靠，和普通混凝土柱比较，钢管内混凝土可几个楼层一起浇筑，随后即可继续上部楼层施工，由于后叠合部分的施工不占主导工期，整体施工进度要快，同时梁钢筋的绑扎和定位精度高。
3相关规范的对比
规范规定的构造要求是结构方案、工程计算以及施工图绘制的重要依据，是结构安全的必要保障。同时，构造要求的合理与否也关系到结构构件的经济性。下面，以本文例举的公寓楼的一级框架柱为例，将《钢管混凝土叠合柱技术规程》与《型钢混凝土组合结构技术规程》中对于柱的相关构造要求进行比较。
3.1对于纵筋配筋率的要求（以角柱为例）
1）按《叠合柱规程》
全部纵向受力钢筋的配筋率不小于1.2%，如采用HRB400级钢筋可减小0.1%，即1.1%；叠合柱纵向钢筋的总配筋率可取纵向钢筋的截面面积与钢管外钢筋混凝土截面面积的比值，因此，按图4截面型式，则对于纵向配箍率的要求为：
管外混凝土截面占全截面比例为：1.055/1.440＝0.73；
折合全截面配筋率为：1.1%x0.73＝0.80%；
2）按《型钢规程》
型钢混凝土框架柱全部纵向受力钢筋的配筋率以柱全截面计算不宜小于0.80%。
3）由1）、2）可知，叠合柱纵筋配筋率的要求与型钢柱相当。
3.2对于体积配箍率的要求
1）按《叠合柱规程》
最小配箍率和配箍特征值等要求同《建筑抗震设计规范》。计算体积配箍率时，混凝土的体积可取外围箍筋的内皮与钢管之间混凝土的体积，因此，按图4截面型式，以C60、HRB400级钢、配箍特征值0.18，则对于加密区体积配箍率的要求为：
管外混凝土体积配箍率为：0.18*27.5/360＝1.375%；
管外核心区混凝土截面占全截面比例为：0.933/1.323＝0.71
折合全截面配筋率为：1.375%x0.71＝0.97%；
2）按《型钢规程》
柱箍筋加密区的箍筋最小配箍率取1.2%，如采用HRB400级钢筋可乘以折减系数0.85，则对于加密区体积配箍率的要求为：1.2%x0.85＝1.02%；
3）由1）、2）可知，叠合柱加密区体积配筋率的要求略小于型钢柱。
3.3對于含型钢率的要求
《叠合柱规程》规定：钢管的含管率不宜小于3%；
《型钢规程》规定：受力型钢的含钢率不宜小于4%，且不宜大于10%；
可知，叠合柱含型钢率要求略小于型钢柱。
4结论
重载情况下，叠合柱能有效减小柱截面，提供较好建筑使用空间。
按叠合柱规程，叠合柱构造配筋率、配箍率均按管外混凝土计算，因此相同截面叠合柱构造含钢筋率不超过普通型钢柱，同时该规程要求的3％的含型钢率也略低于普通型钢柱4％。
体系合理、相同结构布置情况下，计算结果，延米用钢量：叠合柱<普通钢骨柱<普通混凝土柱；延米混凝土量：叠合柱<普通钢骨柱<普通混凝土柱。
由于工程规模所限，文中所举实例并不能全面揭示叠合柱的所有特点，在具体项目应用中，是否适用还需结合实际情况进行方案比选后确定。
参考文献
[1]《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010
[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3—2010
[3]《钢管混凝土叠合柱技术规程》CECS 188：2005
[4]《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ 138-2001
关键词：超高层；叠合柱；经济性
中图分类号： TU511.3+7 文献标识码： A 文章编号：
引 言：钢管混凝土叠合柱是由截面中部的钢管混凝土和外围的钢筋混凝土叠合而成。钢管外的混凝土可以后浇筑，也可与管内混凝土同期浇筑，钢管内外的混凝土强度等级可不同。叠合柱的核心部分承受总轴力的3/4左右，并提供主要的抗剪承载力，外围的钢筋混凝土仅承担总轴力的1/4左右，并承受大部分弯矩。外围混凝土中的纵筋尽量以粗而少的方式布置于截面的角部，主筋和箍筋需满足外围混凝土的最小配筋率要求。
某项目公寓楼（图1所示），地下3层，地上42层，建筑高度149m，属B级高度超高层建筑，设防烈度7度，结构体系为框架核心筒，结构标准层平面如图2所示。其中，外圈框架柱间距为8.4m，核心筒尺寸12.3mX13m。为有效提高结构抗震性能并控制下部楼层框架柱的截面尺寸，22层以下采用了钢管混凝土叠合柱（以下简称叠合柱），典型柱截面如图3所示。
图1单体结构模型
图2标准层平面
图3截面配筋
1叠合柱的受力原理
叠合柱的特点在于其轴压承载力主要来自性价比较高的混凝土，而不主要靠钢材，这是它在经济上优于其它钢和混凝土组合柱结构的原因所在。将超高强混凝土用于钢管之中，可以抑制其自身性能缺点，充分发挥高强的特点，用量又少，是超高强混凝土工程应用的最佳组合。叠合柱核心混凝土和核心钢管一起主要起抗压和抗剪作用，外围混凝土和外围钢筋起部分抗压，但主要起抗弯作用。钢管主要起套箍约束作用，用钢量远远低于同样荷载的钢骨混凝土柱。通过钢管约束管内素混凝土，提高其轴压承载力和塑性，又通过管外钢筋混凝土约束核心区的钢管混凝土，可充分利用钢管混凝土的短柱轴压承载力。叠合使内力在截面中的分布更趋合理，从而增强其抗力和延性。
叠合理念是设法改变设计阶段轴力在截面上的分布，减小外围混凝土的边缘压应变值，使之与极限压应变值（0.003~0.0033）相差更大，达到增加截面的转动变形能力，增加延性，并可适当减小柱外围的截面积。而核心区的钢管混凝土没有控制轴压比的要求，则通过叠合可分担到更多的轴力，可充分利用其短柱的承载力。
2叠合柱的经济性能
与普通混凝土柱比较，表现在可以明显减小柱断面上，建筑自重减轻，水泥用量减少，建设能耗低；与相同荷载情况下的钢骨混凝土（型钢混凝土）柱比较，用钢量要少得多。
随着高强高性能混凝土的推广应用和高强厚壁直缝埋弧焊管的大量供应，使叠合柱的设计可以做到更加先进合理、更加经济。尤其是C80级以上高强、高弹性模量、高施工性能的超高强混凝土的应用，更使叠合柱的优越性得以充分发挥。
下面以公寓楼1层KZ1为例，分别按下述三类柱进行设计分析，比较结果详见表2.1，KZ1平面位置见图2。
按钢管混凝土叠合柱进行设计，管内混凝土采用C80、管外混凝土采用C60、Q345钢管、纵筋箍筋均为HRB400()，设计结果见图3所示。
按普通钢骨混凝土柱设计，混凝土C60 、Q345钢骨、纵筋箍筋均为HRB400()，设计结果见图4所示。
按普通混凝土结构柱设计，混凝土C60、纵筋箍筋均为HRB400()，设计结果见图5所示。
图4 图5
表2.1三类柱设计结果比较
表2.1注：1、叠合柱轴压比指钢管外侧混凝土截面轴压比。
2、为便于对比，叠合柱配筋率、配箍率均按实配结果以全截面统计。
不考虑减小柱子尺寸对建筑使用功能带来的好处，以上表叠合柱延米材料用量为基数估算，按该层层高5.7米、共20颗柱子、则该层柱子节约结构材料费用为：比钢骨混凝土柱减63万元，比普通钢筋混凝土柱减131万元。如果从地下3层算至地上22层，虽不是线性累加，但总体能节约下来的结构材料费应该还是很可观的。从以上比较分析来看，在满足轴压比要求的情况下，叠合柱经济性较好。
叠合柱对工期的影响。叠合柱结构体系已在国内不少高层工程中获得应用，据相关资料介绍，只要合理组织，这种结构的施工并不复杂，节点构造也很简单可靠，和普通混凝土柱比较，钢管内混凝土可几个楼层一起浇筑，随后即可继续上部楼层施工，由于后叠合部分的施工不占主导工期，整体施工进度要快，同时梁钢筋的绑扎和定位精度高。
3相关规范的对比
规范规定的构造要求是结构方案、工程计算以及施工图绘制的重要依据，是结构安全的必要保障。同时，构造要求的合理与否也关系到结构构件的经济性。下面，以本文例举的公寓楼的一级框架柱为例，将《钢管混凝土叠合柱技术规程》与《型钢混凝土组合结构技术规程》中对于柱的相关构造要求进行比较。
3.1对于纵筋配筋率的要求（以角柱为例）
1）按《叠合柱规程》
全部纵向受力钢筋的配筋率不小于1.2%，如采用HRB400级钢筋可减小0.1%，即1.1%；叠合柱纵向钢筋的总配筋率可取纵向钢筋的截面面积与钢管外钢筋混凝土截面面积的比值，因此，按图4截面型式，则对于纵向配箍率的要求为：
管外混凝土截面占全截面比例为：1.055/1.440＝0.73；
折合全截面配筋率为：1.1%x0.73＝0.80%；
2）按《型钢规程》
型钢混凝土框架柱全部纵向受力钢筋的配筋率以柱全截面计算不宜小于0.80%。
3）由1）、2）可知，叠合柱纵筋配筋率的要求与型钢柱相当。
3.2对于体积配箍率的要求
1）按《叠合柱规程》
最小配箍率和配箍特征值等要求同《建筑抗震设计规范》。计算体积配箍率时，混凝土的体积可取外围箍筋的内皮与钢管之间混凝土的体积，因此，按图4截面型式，以C60、HRB400级钢、配箍特征值0.18，则对于加密区体积配箍率的要求为：
管外混凝土体积配箍率为：0.18*27.5/360＝1.375%；
管外核心区混凝土截面占全截面比例为：0.933/1.323＝0.71
折合全截面配筋率为：1.375%x0.71＝0.97%；
2）按《型钢规程》
柱箍筋加密区的箍筋最小配箍率取1.2%，如采用HRB400级钢筋可乘以折减系数0.85，则对于加密区体积配箍率的要求为：1.2%x0.85＝1.02%；
3）由1）、2）可知，叠合柱加密区体积配筋率的要求略小于型钢柱。
3.3對于含型钢率的要求
《叠合柱规程》规定：钢管的含管率不宜小于3%；
《型钢规程》规定：受力型钢的含钢率不宜小于4%，且不宜大于10%；
可知，叠合柱含型钢率要求略小于型钢柱。
4结论
重载情况下，叠合柱能有效减小柱截面，提供较好建筑使用空间。
按叠合柱规程，叠合柱构造配筋率、配箍率均按管外混凝土计算，因此相同截面叠合柱构造含钢筋率不超过普通型钢柱，同时该规程要求的3％的含型钢率也略低于普通型钢柱4％。
体系合理、相同结构布置情况下，计算结果，延米用钢量：叠合柱<普通钢骨柱<普通混凝土柱；延米混凝土量：叠合柱<普通钢骨柱<普通混凝土柱。
由于工程规模所限，文中所举实例并不能全面揭示叠合柱的所有特点，在具体项目应用中，是否适用还需结合实际情况进行方案比选后确定。
参考文献
[1]《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010
[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3—2010
[3]《钢管混凝土叠合柱技术规程》CECS 188：2005
[4]《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ 138-2001