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1、等承载力法在钢管RPC柱结构体系电算中的应用摘要：将钢管活性粉末混凝土柱框架核心筒结构体系用于高层、超高层建筑中可以显著增加建筑物的使用面积，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。本文采用等承载力法，对钢管活性粉末混凝土柱结构体系在PKPM电算中的实现进行了一些有益的探索。关键字：钢管活性粉末混凝土柱、等承载力法、电算、结构体系1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，其截面尺寸仍较大。在这种情况下可采用钢管活性粉末混凝土（RPC）柱。活性粉末混凝土（Re
2、aetiVePOWderCOnCrete,简称RPC）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RPC柱，这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，能克服不掺钢纤维的RPC脆性大和延性差的弱点。对于钢管RPC柱己有学者做过相关研究，姚良云口咽分别针对钢管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
3、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。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。本文采用等承载力法，对钢管活性粉末混凝土柱结构体系在PKPM电算中的实现进行了一些有益的探索。2钢管RPC柱设计方法2.1 原工程概况原建筑模型为采用钢管混凝土柱框架核心筒结构体系的商务中心，一地下2层、地上24层。主楼地下1层至地上11层柱均采用圆形钢管混凝土柱截面形式，钢管混凝土柱的截面尺寸为130Omm（钢管混凝土柱钢环外径）义
4、1262（钢管混凝土柱钢环内径）mm和IlOOmmX1068mm两种。原结构的11层平面图如图1所示。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，更无法考虑RPC优异的抗拉强度、断裂性能。在实际设计时考虑用等承载力法来替换应有的钢管RPC柱，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 替换为钢管RPC柱的替换方法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RPC时的钢管RPC柱的截面尺寸，然后按照这个
5、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，不考虑达不到要求的柱截面承载力，仅研究其他的电算结果是否满足规范要求。按照规范高层建筑混凝土结构技术规范(JGJ3-2010)中附录F圆形钢管混凝土构件设计中的方法进行手算其截面尺寸。按照附录F中表F.1.2中。、的取值规定，建议对于RPC200而言，即取值大于1.56；取值小于1.80；柱轴向受压承载力取原工程(钢管混凝土柱框架核心筒结构体系)电算结果中的最大值；长细比、偏心率也取钢管混凝土柱框架核心筒结构体系电算的结果值。钢管混凝土单肢柱的轴向受压承载力设计值N“二。/纥NO其中：N。=0.9A/（
6、1+。夕）（当6W到时）No=0.9AJ（1+晒9）（当6时）本例中。句，故按照NO=O.9A（1+扬+。）计算。式中：N0一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；一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；4一一分别表示钢管内的核心混凝土与钢管的横截面面积；fc一一分别表示钢管内的核心混凝土与钢管的抗压强度设计值；一一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，130OmmX1262mm
7、钢管混凝土柱（原工程）替换为75OmmX724mm钢管RPC柱（新工程），110OmmX1068mm钢管混凝土柱（原工程）替换为65OmmX626mm钢管RPC柱（新工程但考虑到钢管混凝土柱的截面面积减小很多时，会导致结构的刚度不够，致使结构的层间位移超限，故对钢管RPC柱的截面进行适当变大，建模采用的为：1300mmX1262mm钢管混凝土柱（原工程）替换为800mm772mm钢管RPC柱（新工程）,HOOmmX1068mm钢管混凝土柱（原工程）替换为75OmmX726mm钢管RPC柱（新工程），可以看出即使把柱截面适当调大了，柱截面与原工程中的相比仍变小很多。按照替换后的柱截面尺寸输入模型
8、中电算。结果显示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，而柱的承载能力超限是由于实际建模输入的混凝土的强度等级为普通的C50,并不是C200的，故柱的承载力超限可以不予考虑。原建筑与按替换后的钢管RPC柱结构建筑二者均考虑扭转藕联时的振动周期（秒）、X,Y方向的平动系数、扭转系数如表1所示，X方向、Y方向上地震作用下的楼层最大位移如表2、表3所示。表1考虑扭转藕联时的振动周期（秒）、X,丫方向的平动系数、扭转系数原结构振型号周期转角平动系数（X+Y）扭转系数12.54351.190.960.0422.092291.241.0
9、00.0031.66047.060.040.96钢管RPC柱结构建筑振型号周期转角平动系数（X+Y）扭转系数12.63621.300.970.0322.169291.311.000.003I1.6812I6.450.04(0.96表2各工况下X方向地震作用下的楼层最大位移原建筑钢管RPC柱结构建筑1/13901/1307表3各工况下Y方向地震作用下的楼层最大位移原建筑钢管RPC柱结构建筑1/12271/1202由表1可知钢管RPC柱结构的TlT=1.6812/2.6362=0.6377仍能够符合规范中“不应大于0.9”的规定。表2、表3中在不同工况下，X方向、丫方向的层间位移可知，在把钢管混凝
10、土柱替换为钢管RPC柱之后，楼层的最大位移仍能够小于规范要求的1/800,但是这是在把钢管RPC柱的截面面积在计算的基础上变大后才能达到，若按原计算出来的钢管RPC柱的截面面积直接建模则很可能无法达到规范的限值要求。2.2.2 替换方案的评价按该等承载力法进行建模，由于RFC的实际弹性模量高于普通强度的混凝土，故本电算中所计算的钢管RPC柱的刚度偏小，进而致使部分实际不会超限的梁端配筋超限，进而使得计算结果偏于保守，即使实际梁端配筋超限也可以通过改为钢梁等措施解决，但这并非本文考虑的重点，故不作详细讨论。从电算结果也可以看出，采用钢管RPC柱后结构的自重有明显降低，这可以在一定程度上减少材料用
11、量，并且自重的减少也有利于提高结构的抗震性能。与原钢管混凝土柱相比,按计算得到的钢管RPC柱的刚度降低较多，若直接按计算得到的柱截面建模，这会使结构的最大层间位移增大很多，可能导致一部分层间位移超限，对于这种问题可以通过适当增加RPC柱的截面面积来解决，即如本文中所采用的，在计算得到的柱截面的基础上适当放大柱的截面面积的方法；还有一种方法是通过在核心筒中增加预埋钢构件，适当提高核心筒的刚度值，进而提高结构的整体刚度，使得结构的层间最大位移满足要求，这种做法还有一种好处时在满足最大层间位移的同时提高了结构的延性，有利于提高结构的抗震性能。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
12、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结语（1）将钢管活性粉末混凝土柱框架核心筒结构体系用于高层、超高层建筑中可以显著增加建筑物的使用面积，减少结构自重和材料用量，有利于提高结构的抗震性能，因此具有很好的应用前景。（2）由于RPC的实际弹性模量高于普通强度的混凝土，故本电算中所计算的钢管RPC柱的刚度偏小，使一部分实际不会超限的梁端配筋超限，对于仍超筋的梁可以通过改用钢梁等措施解决。（3）与原钢管混凝土柱相比，钢管RPC柱的刚度降低较多，故需在计算得到的柱截面面积的基础上放大柱截面面积或者提高核心筒的刚度的方法来使结构的层间位移满足要求。(4)建议设计时，适当减小钢管RPe柱的径厚比，适当降低轴压比承载力限值。(5)采用等承载力法，可以对钢管RPC柱结构体系在PKPM中进行建模电算。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)：21-23.3 林震宇.圆钢管RPC轴压柱受力性能研究D.福州大学,2004.4 JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规范S中国建筑工业出版社,2002.
