马张永，魏千山，吴小燕
（1．甘肃建投钢结构有限公司，甘肃兰州730060;2．兰州新区房地产开发有限公司，甘肃兰州 730060）
[摘要]研究了在高层建筑钢管混凝土组合结构施工阶段，方钢管内湿混凝土的轴向压力和水平侧压力对方钢管柱受力性能的影响，及方钢管外部临时套箍设置规律。采用有限元方法进行数值分析，研究了钢管相邻两板件不同连接焊缝，不同的柱长细比以及不同混凝土泵送层数时，方钢管外部临时套箍的设置规律，提出了不同情况下外部临时套箍的设置间距，并通过实际算例说明了如何合理选择方钢管柱外部临时套箍的布置方式。
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关键词 ]高层结构；组合结构；方钢管混凝土柱；泵送；长细比；侧向挠度
钢管混凝土柱作为高层建筑中主要的竖向受力构件，在国内外高层和超高层建筑中获得了广泛应用。施工过程中钢管为浇筑混凝土提供永久模板，混凝土泵送到钢管中，钢管需要同时承受水平侧压力和竖向轴压，因此钢管柱的壁板可能产生较大侧向变形。与圆钢管相比，方钢管混凝土柱对水平侧压力引起的侧向变形更为敏感，因此必须考虑湿混凝土荷载产生的水平侧压力对底层柱的影响。
本文利用有限元方法，研究了在高层建筑钢管混凝土组合结构施工阶段，方钢管内湿混凝土的轴向压力和水平侧压力对方钢管柱受力性能的影响及方钢管外部临时套的箍设置规律。
1方钢管混凝土柱施工阶段荷载
方钢管柱在施工时，需要支承整个钢框架楼面，空的方钢管柱应能承受几层的施工荷载和楼面结构自重以及钢管内部湿混凝土荷载。轴向荷载根据施工期间每一层上的附加轴向荷载确定，假定是lOm xlOm的矩形柱网，则从属面积为lOOm12，每一层总的使用荷载为lOkN/m2。该工作荷载包括已建楼层的组合楼板、型钢主次梁的自重，以及3kN/m2的活荷载和lkN／m2的设备附加恒荷载等。泵送混凝土对钢管有水平侧压力作用（见图1），水平侧压力会使钢管柱产生侧向变形。混凝土泵送层数分别为1，3，5，7，9五种情况下底层柱柱顶和柱底分别承受的水平侧压力值如图2所示。计算水平侧压力时假定混凝土容重为24kN/m3，按静水压力计算。
相比增加板厚，设置合理的外部临时套管能更有效地减小钢板的侧向变形。方钢管柱中常见的外部临时套箍（支撑）的布置方式如图3所示。
2有限元建模
本文采用有限元软件ABAQUS模拟同时受轴压和侧向水平压力作用的方钢管柱。有限元模型仅考虑方钢管柱截面的1/4；钢柱下端与基础固接，上端自由；钢管中钢板连接分别假设为铰接和刚接。截面对称轴沿板宽的中心线，通过约束转动和平面内位移来模拟对称的边界条件。
钢管柱采用S4R壳单元，该单元可同时模拟板件的两种力学效应，一个是平面内的薄膜效应，另一个是平面外的弯曲效应。钢材选用低碳钢Q345B，屈服强度310N／mm2，弹性模量E=2×105MPa，泊松比υ=0.3。
3参数分析
混凝土泵送过程中，底层柱承受施工阶段荷载产生的轴压和水平侧压力最大。随混凝土泵送楼层数的增加，底层柱产生的侧向变形随之增大，针对柱承载的最不利情况进行外部临时套箍的设计。
依据该有限元模型，考虑板件之间的连接条件、柱长细比、钢板宽厚比、泵送楼层数以及楼层间外部临时套箍数等参数，对承受水平侧压力和轴向荷载的方钢管柱进行参数分析，确定合适的楼层间外部临时套箍数。
1)钢板与钢板的连接条件 方钢管柱中板的连接分别选用铰接和刚接，以模拟两种焊缝类型的影响。
2)柱长细比(L/B) 长细比是在混凝土泵送过程中影响方钢管柱受力性能的重要参数。本文通过改变柱截面宽度考虑不同的长细比，柱长度取高层建筑中标准楼层的高度4000mm，柱截面宽度分别取500，1000，1500mm。
3)板宽厚比(B/t) 影响方钢管柱受力性能的另一重要参数是钢板宽厚比。为防止在施工阶段、使用阶段和极限荷载阶段方钢管柱发生局部屈曲，同样需要限定板件宽厚比。本文统一选取钢板宽厚比为B/t= 40。
4)泵送楼层数Ns 随着混凝土泵送的层数增加，钢管所受水平侧压力也随之增加。通过考虑不同的混凝土泵送层数，研究水平侧压力对方钢管柱侧向变形的影响。本文对钢板连接假设为刚接的情况，选取混凝土泵送层数分别为1，5，9；对钢板连接假设为铰接的情况，选取混凝土泵送层数分别为1，3，5。
5)柱外部临时套箍数Nh在柱跨中位置设置外部临时套箍，以限制柱的侧向变形。选取不同的楼层间外部临时套箍数Nh进行分析，研究其对限制侧向变形的作用，以确定不同板件连接条件、柱长细比以及混凝土泵送层数情况下最佳的外部临时套箍数。确定最佳的外部临时套箍数能够减少施工工时和模板费用。
4参数分析结果
钢管壁的侧向变形将会导致混凝土的浇注量增加；同时柱的侧向变形导致截面尺寸误差，会影响正常使用。假设方钢管柱在施工过程中的钢板允许变形值取B/1000和3mm两者中较大值。本文的分析中，因为最大的柱截面宽度为1500mm，故变形限值取为3mm。
4.1钢板刚接连接
若钢管柱中钢板的连接为刚接，对板件宽厚比B/t为40的柱进行分析。表1列出了板件宽厚比B/t=40情况下，不同的柱截面尺寸和混凝土泵送层数下，限制方钢管柱变形需要的外部临时套箍数以及其轴向应力、局部屈曲应力和残余应力的结果。
柱截面宽度为500mm时的结果如图4所示。当混凝土泵送层数为1层时，最大侧向变形为0.4mm，因此不需要设置外部临时套箍。混凝土泵送层数为5层时，最大侧向变形为2mm，同样不需要设置外部临时套箍。当混凝土泵送层数为9层时，需要设置6个外部临时套箍将侧向变形约束在变形限值3mm以内。
柱截面宽度为lOOOmm时方钢管柱在不同泵送层数下侧向位移结果如图5所示。当混凝土泵送层数为1层时，最大侧向变形仅为0.75 mm，因此不需要设置外部临时套箍。混凝土泵送层数为5层时，如布置3个间隔为1000mm的外部临时套箍，可将最大变形降低到2mm。当混凝土泵送层数为9层时，需要设置4个外部临时套箍将侧向变形约束在变形限值以内。
柱截面宽度为1500 mm时方钢管柱在不同泵送层数下侧向位移结果如图6所示。当混凝土泵送层数为1层时，最大侧向变形仅为1mm，同样不需要设置外部临时套箍。当泵送层数为5层时，需要设置2个外部临时套箍将侧向变形限制在3mm。当泵送层数为9层时，需要设置3个外部临时套箍，使侧向变形在3mm以内。
4.2钢板铰接连接
对于采用较薄钢板的方钢管混凝土柱，钢板连接条件通常假定为铰接连接。相对于钢板刚接，铰接连接引起的侧向变形更大。因此，为了将侧向变形限制在3mm以内需要布置大量外部临时套箍。表2列出了板件宽厚比B/t取40，不同的柱截面尺寸和混凝土泵送层数下，为限制方钢管柱变形需要的外部临时套箍数目以及相应的轴向应力、局部屈曲应力和残余应力结果。
柱截面宽度为500mm时的结果如图7所示。当混凝土泵送层数为1层时不需要设置外部临时套箍。混凝土泵送层数为3层和5层时，需要设置6个外部临时套箍将侧向变形约束在变形限值3mm以内。
柱截面宽度为1000mm时方钢管柱在不同泵送层数下侧向位移结果如图8所示。当混凝土泵送层数为1层时，最大侧向变形为3mm，可不设置外部临时套箍。当混凝土泵送层数为3层和5层时，分别需要布置3个和4个外部临时套箍将底层柱侧向变形限制在3mm以内。
柱截面宽度为1500mm时方钢管柱侧向位移结果如图9所示。当混凝土泵送层数为1层时同样不需要设置外部临时套箍。当混凝土泵送层数为3层和5层时，分别需要布置2个和3个外部临时套箍将侧向变形限制在3mm以内。
4.3侧向变形
参数分析表明，当相邻外部临时套箍间的间距与柱宽度比值等于1时，外部临时套箍的作用最显著。此时钢管柱壁板相当于四边支承；随着外部临时套箍间距增大时，钢管柱壁板逐渐由四边支承转变为两对边支承，侧向变形逐渐增大。
4.4轴向应力
虽然本文的研究侧重于侧向变形，但也应考虑竖向应力发展，以确保施工过程中不出现其他破坏形式。为防止方钢管柱在施工阶段和极限承载情况下发生局部屈曲，限定了钢板的宽厚比。
方钢管柱中附加应力计算公式为
其中P是附加的轴力，A为表1和表2列出的截面面积。表1表明当承受9层施工荷载时，宽为500mm的方钢管柱在附加使用荷载作用下会发生材料屈服。因此，对于宽度500mm及以下的方钢管柱，最大的泵送层数由方钢管柱的竖向承载力而不是抵抗侧向变形的能力决定。
一般来说，在方钢管柱混凝土泵送时，都需要布置外部临时套箍来约束侧向变形。在施工阶段需要保证轴向应力、局部屈曲应力和最大侧向变形均不超过限定值。
5设计算例
某薄壁方钢管混凝土柱，柱的几何和材料性质为：宽度B=1000mm，长度L=4000mm（楼层高度），钢板厚度t=25mm，宽厚比B/t=40，弹性模量E=2xl05 MPa，钢材泊松比u=0.30。
混凝土泵送层数为5层，在泵送混凝土前，要求空的方钢管能够承受全部的施工荷载。在5层主次钢梁和组合楼板施工完成后，向5层方钢管柱中泵送混凝土。利用本文提出的方法确定最佳的外部临时套箍布置方式，保证方钢管柱在混凝土泵送过程中侧向变形最小。
利用前面参数分析结果图8确定宽度为1000mm的方钢管混凝土柱的理想外部临时套箍布置形式为：根据图8a确定第5层柱外部临时套箍数Nb=0；根据图8b确定第3层柱外部临时套箍数Nb=3；根据图8c确定底层柱外部临时套箍数Nb=4。
各楼层外部临时套箍布置形式如图10所示，离建筑物基础越近的楼层，需要的外部临时套箍数量越多。因为一般的高层建筑每层有10~20根结构柱，因此需要考虑外部临时套箍的优化，以减少横撑和系杆费用、劳动力成本和施工工时。
6结语
本文研究了施工阶段产生的轴向压力和水平侧压力对方钢管柱受力性能及外部临时套箍布置的影响。方钢管混凝土柱在施工阶段的湿混凝土自重和水平侧压力，引起钢管柱产生侧向变形，为将此侧向变形限制在容许范围内，需设置水平外部临时套箍，保证钢管侧向变形不会导致过大的柱尺寸偏差和混凝土体积增加。通过参数分析研究了不同的钢管中钢板的连接方式、柱的长细比、钢板宽厚比以及混凝土的泵送层数等对外部临时套箍布置的影响，提出能够有效限制柱侧向变形的外部临时套箍设置方式。
在参数分析的基础上，通过实际算例阐明如何根据不同的泵送高度和柱截面尺寸来确定不同楼层需要设置的外部临时套箍数，并通过外部临时套箍优化减少施工成本。然而对本文参数分析的结果尚需进一步的试验研究，需要考虑更多的泵送楼层数，可借鉴现有的组合板、组合墙和组合梁等同时受水平侧压力和其他施工荷载的构件的试验方式。
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