转载自第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文《超大截面矩形钢管混凝土柱结构设计》，作者：吴兵,邸博,傅学怡，孟美莉，郑竹，冯叶文，黄船宁摘 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，广泛应用于超高层巨型结构体系中。
以沈阳宝能金融中心T1塔楼项目为背景，针对巨型柱截面选型、承载力计算、钢管与混凝土的共同工作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作用。
关键词：超大截面矩形钢管混凝土柱；承载力；钢管和混凝土共同工作；屈曲稳定；分配梁； 1 引言 巨型结构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工作性能、满足多种使用功能的建筑平立面要求等显著优势，因此，该种结构体系在超高层建筑中的应用愈加广泛。
其中，超大截面矩形钢管混凝土结构因其施工方便、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；“深圳京基金融中心”[2]巨柱的截面尺寸达3900mm×2700mm等。
2 工程概况沈阳宝能金融中心T1塔楼位于沈阳市沈河区，塔楼地上113层，标准层层高4.5m，主体结构屋盖高度为548m，建筑效果图见图1。
采用巨型钢斜撑外框架+劲性钢筋混凝土核心筒+外伸臂钢桁架结构体系，如图2所示，标准层结构平面如图3所示。
塔楼外框结构主要由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直延伸至结构顶部，通过沿塔楼全高设置的四道外伸臂与核心筒相连，有效提高结构侧移刚度，抵抗水平荷载引起的倾覆力矩。
8根巨柱结构设计对整体结构的安全性至关重要[3-4]。
3巨柱截面选型塔楼底部巨柱截面尺寸达5200mm×3500mm，沿结构高度并协调建筑要求分段内收，顶部楼层巨柱截面2000mm×2000mm。
初步设计时拟采用钢管混凝土或型钢混凝土巨型柱，两种截面形式的柱子在国内均有应用，各有优缺点，但对于如此大截面型钢混凝土和钢管混凝土的设计施工经验不多，因此需要对两者进行全面对比分析，综合各方面因素确定巨柱截面形式，并通过一些措施改善其缺陷。
3.1型钢混凝土（SRC）方案图4为结构一区巨柱采用型钢混凝土截面时内置型钢及配筋图，型钢混凝土需要配置大量纵向钢筋和箍筋，同时型钢壁上需要设置栓钉，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为结构一区巨柱采用钢管混凝土截面时非楼层处及楼层处截面。
3.3受力性能分析巨柱主要承受轴力和双向弯矩，采用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分析，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轴心受压承载力对比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、单向弯曲、偏心受压全过程分析（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）钢管混凝土巨柱弯曲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高出较多。
3.4防火性能巨柱防火等级为一级，耐火极限要求3小时以上。
型钢混凝土较无保护措施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，均满足设计要求。
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全能够满足设计要求。
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，型钢混凝土巨柱需要支模板、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，需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优势，在防火性能上略逊型钢混凝土，但也可满足设计要求。
综合上述原因，沈阳宝能金融中心T1塔楼巨柱采用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工作为保证超大截面矩形钢管混凝土柱中钢管和混凝土的共同工作性能，充分发挥二者的轴压承载力，采用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，其中分配梁为主传力构件，内环肋为次传力构件，协调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，巨柱截面及有限元计算模型如图13~图14所示。
6 结论本文以沈阳宝能金融中心T1塔楼项目为背景，重点讨论了超大截面巨型柱的截面选型、承载力计算、钢管与混凝土共同工作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优势，在防火性能上略逊型钢混凝土，但仍满足设计要求。
(2)采用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工作，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结构的安全度，满足本工程应用需要。
(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，同时改善巨柱钢管壁的屈曲形态。
参考文献[1] 赵宏，雷强，侯胜利，等.八柱巨型结构在广州东塔超限设计中的工程应用[J].建筑结构，2012，42(10)：1-6[2] 杨晓蒙，田春雨，王翠坤，等.京基金融中心巨型钢管混凝土柱试验研究[J].建筑结构.2010,40(1):87-90[3] 深圳大学建筑设计研究院．沈阳宝能金融中心结构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心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：中国计划出版社，2006．[6] 傅学怡，李元齐，雷敏，等.超大截面矩形钢管混凝土柱钢-混凝土共同工作合理构造措施[J].土木工程学报.2013,46(12):33-42[7] 苏明周，申跃奎.钢结构稳定原理[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结构学术会议论文《超大截面矩形钢管混凝土柱结构设计》，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！