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摘要：本文介绍了钢管混凝土柱的发展现状及设计原理，通过介绍对厦门工人体育馆四期工程即航空港大厦进行结构分析和研究，讨论了其受力机理及梁柱节点，指出了具体的构造措施，并进行了经济性分析，制定了高效可行的施工方案。
关键词：钢管混凝土柱；超高层建筑；结构设计；施工技术；
Abstract: This paper will introduce the development and theory of concrete-filled steel tubular column, then take the structure of the Xiamen International Airport Tower for an example to study it’s mechanical behavior and beam-column joint and point out the construction measures. The efficient construction plan is made after the economic analysis. At last, some strengthening measures are advised to ensure that the building is safety under the earthquake load.
中图分类号：TU375
我国钢管混凝土结构技术的开发和应用已有近40年的历史。近10年来，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了卓有成效地应用，推动了建造技术的发展。我国自1990年颁布《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28：90），钢管混凝土柱在高层建筑结构领域得到广泛的应用。
本文通过介绍对厦门航空港大厦进行结构分析和研究，对钢管混凝土柱设计及施工提出了新的思路，并进行了经济性分析，制定了高效可行的施工方案。
一、钢管混凝土柱设计原理
1．1. 钢管混凝土轴压受力机理理论模型
钢管混凝土借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，延缓其纵向微裂缝的发生和发展，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力;同时借助内填混凝土的支撑作用，增强钢管管壁的几何稳定性，改变钢管的失稳模态，从而提高其承载能力。
对钢管混凝土轴压构件稳定的计算大都是在强度计算公式的基础上乘上一个稳定折减系数，此系数由实验确定。根据文献[1]将应用切线模量理论推导的出长柱临界力的计算公式：
先假设:(1)杆件是两端铰接的理想直杆；(2)荷载为轴向作用；(3)临界状态时，杆轴挠曲线为正弦曲线。
钢管混凝土构件的计算极限纵向应变为：
（1）
其中，，，为含钢率。
在已知构件的几何尺寸及材料特性后，则可以推导出钢管混凝土中长柱的临界应力：
（2）
其中，--钢管混凝土构件轴心受压时的计算极限纵向平均应力和应变。
钢管混凝土柱极限承载力的计算公式为:
（3）
其中，为混凝土面积和钢材面积。
1．2. 钢管混凝土柱承载力设计方法
1、钢管混凝土的正截面承载力
钢管混凝土的正截面承载力计算方法可采用我国现行的《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[2]中钢筋混凝土的柱的计算方法，但计算公式中不再采用混凝土的轴心抗压强度设计值，而采用约束混凝土的抗压强度设计值，其计算方法为：
（4）
其中，——混凝土轴心抗压强度设计值；
——混凝土轴心抗压强度设计值；
——外包钢管对核心混凝土的有效约束应力。
2、钢管混凝土的斜截面承载力计算方法
方钢管约束混凝土柱的抗剪承载力公式为：
（5）
其中，——柱上作用的轴力；
——混凝土毛截面面积；
——Q235鋼材的强度设计值，MPa；
——钢管两侧腹板总面积；
——箍筋屈服强度；
——箍筋间距；
——核心混凝土柱的截面有效高度。
1．3. 钢管混凝土柱的优点
根据钢管混凝土的受力特点，圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用和内填混凝土的支撑作用，从而使钢管混凝土构件具有轴心抗压承载力高、抗剪和抗扭性能好的土的支撑作用，从而使钢管混凝土构件具有轴心抗压承载力高、抗剪和抗扭性能好的特点;钢管内的核心混凝土处于三向受压状态，它的工作性质起了质的变化，由脆性材料转化成塑性材料，钢管混凝混凝土构件具有良好的塑性和韧性;钢管内有大量混凝土，能吸收很多的热量，混凝土的导热系数低而比热大，钢管混凝土耐火极限比钢材长;钢管混凝土柱与结构钢和型钢混凝土柱相比，在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节约钢材50%，与普通钢筋混凝土柱相比，构件的截面面积可减少约一半，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少50%，钢管混凝土的经济效果显著：另外，钢管混凝土构件具有施工简单易行，缩短工程周期的优点。
二、钢管混凝土在本项目的应用
2．1. 工程概况
厦门市工人体育馆附属设施（四期）——酒店综合楼用房（如图1所示）位于厦门市体育馆北侧，仙岳路与育秀路交叉处。本工程总建筑面积78516.5㎡，其中地下2层，建筑面积约11934.85㎡，地上45层，建筑面积约66581.7㎡。首层层高6.4米，二层层高5.2米，三层层高7米，四层层高5.2米，五层层高3.5米，六层至四十二层层高为3.5米，四十三层至四十五层层高为4米，总高度为169.3米。主楼45层，裙楼5层，其中1-5层为五星级酒店佰翔汇馨酒店的大堂、康体、餐饮、会务及娱乐服务楼层，6-16楼为写字楼，18-42层为佰翔汇馨酒店的客房及会所，约有300多个房间。
工程结构体系采用框筒结构，其中竖向结构主要由四个核心筒体、五根钢管混凝土柱及四根混凝土圆柱组成，如图2所示，建筑物的安全等级为二级，为丙类建筑。抗震设防烈度为7度[3]，设计基本地震加速度为0.15g。设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。结构抗震等级框架为一级，剪力墙为一级。基本风压值：0.95kPa，风载体型系数取1.4，地面粗糙度为C类。
结构整体分析采用的软件，其中PMSAP作为主要计算软件，而ETABS作为校核程序。
（1）基于广义协调墙元模型的高层建筑结构空间有限元分析软件PMSAP2005版：构件单元的定义： a、杆元：梁、柱、斜杆；b、膜单元：水平楼板；c、墙元：剪力墙。
（2）国际通用的建筑结构三维分析软件ETABS9.0.2中文版：构件单元的定义：a、线单元：梁、柱、斜撑；b、膜单元：水平楼板；c、壳单元：剪力墙。
2．2. 主要计算结果及比较与分析
（1）计算得到的前6阶模态振型的振动周期结果列于表1。两个程序计算得到的第一、第二周期T1、T2分别为X、Y方向的平动周期，第三周期T3为扭转第一周期，T3/T1均远小于规范的限值0.85，表明该结构具有良好的抗扭能力，符合抗震概念设计的要求。振型曲线符合正常规律。从表1可见，扭转周期比满足要求，有效质量系数满足要求。
（2）计算得到的结构最大响应位移结果列于表2(表中位移数据不包括屋顶3层钢框架)。从图表中可见，层间位移角以及位移比均满足要求，地震作用下的剪重比在正常范围内。
（3）舒适度要求：
考虑10年一遇的风荷载作用（w0=0.50kN/m2）下的脉动影响，结构顶点最大加速度限值αmax＝0.25m/s2；X向：顶点顺风向的最大加速度αw＝0.037m/s2；顶点横风向的最大加速度αtr＝0.080m/s2；
Y向：顶点顺风向的最大加速度αw＝0.031m/s2；顶点横风向的最大加速度αtr＝0.069m/s2；均满足要求。
2．3. 弹性时程分析主要计算结果及比较与分析
时程分析采用“中国建筑科学研究院工程抗震研究所”提供的3条小震的地震波[4-5]：HKS1(天然波)、HKS3(天然波)、HKS4(人工波)时程法计算得到的结构最大响应计算结果列于表3。
（）中数值为所在楼层
对应于3条输入地震时程曲线，时程法计算得到的结构响应位移，均略小于反应谱法的计算结果。总体而言，时程法计算结果与反应谱法计算结果基本吻合，符合设计规范的有关要求。
2．4. 梁柱节点研究
钢管混凝土柱梁柱连接节点形式一般有如下两种：
1、穿心钢牛腿刚接节点
穿心钢牛腿式节点（如图3），是在钢管壁上开竖向槽口，将两个方向的工字钢牛腿插入管内并互相焊接，形成十字形穿心牛腿，其工作原理是分别利用穿心的翼缘和腹板来承受梁端弯矩和剪力，并在钢筋混凝土梁端围着钢管柱做成方形钢筋混凝土环梁，该节点是一种传力直接，可靠的刚性节点，从外形上看与普通钢筋混凝土梁柱节点一样,能很好地满足建筑及装饰设计要求，能够满足“强柱、弱梁、节点更强”的要求，但是该节点施工复杂、施工质量要求很高。在实际工程应用中,针对钢管周边混凝土裂缝控制的要求,对穿心暗牛腿节点不断进行了优化。
构造上要求穿心牛腿上、下翼缘的截面面积应分别大于梁顶面、底面纵向钢筋的截面面积，焊缝强度应满足要求。穿心牛腿腹板的抗剪承载力应大于梁端剪力的最大值。梁内纵向受力钢筋用角焊缝按等强要求和牛腿的翼缘焊接，牛腿的长度由焊缝长度决定。当钢管直径小于1m时，考虑管内焊接比较困难，不宜采用这种形式的节点。
2、环梁节点
框架梁梁端剪力传递到钢管混凝土柱，主要通过三个途径。途径之一为通过环梁混凝土与抗剪环之间的局部承压作用力，将剪力由环梁传递到抗剪环上，并通过抗剪环与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上，由于抗剪环钢筋直径一般不大，由剪力引起的对钢管壁的局部弯矩很小；途径之二为环梁混凝土与钢管之间的粘结作用；途径之三为梁端弯矩引起环梁上(或下)端挤压钢管混凝土柱而产生的静摩擦力。一般情况下，静摩擦力很大，可以满足抗剪要求；粘结作用力虽然也很大，但在地震作用下难以保证，一般不予考虑，仅作为安全储备；抗剪环的作用力可以保证，设计时以抗剪环的作用力为主进行抗剪验算。
钢筋混凝土环梁节点的构造如图4所示。在环梁高度范围内，沿钢管周圈贴焊一道(或两道)钢筋作为抗剪环，无需穿心牛腿等构件；钢管内、外不用加劲环，不影响钢管内混凝土浇注；环梁钢筋笼无方向性，在地面绑扎，高空就位方便。
本工程中采用了多种环梁节点构造如图6所示，以满足工程上的需要。环梁节点按照刚性节点计算，通过合理的设计，使环梁节点的承载力大于框架梁承载力，结构破坏出现在框架梁上，环梁基本保持完好，与钢管壁之间裂缝极细微，既保证框架梁纵筋的锚固牢靠，又可与钢管混凝土柱一致变形，形成刚性节点。
三、钢管混凝土施工方案及经济性研究
3．1. 钢管混凝土施工方案
工程结构体系采用框筒结构，其中竖向结构主要由四个核心筒体、五根钢管混凝土柱及四根混凝土圆柱组成，钢管混凝土框架柱均处在中庭部位，是整个工程的重要受力结构，根据PMSAP的计算程序说明，钢管混凝土构件的计算符合CECS28：90规程的要求钢管混凝土梁柱节点根据《钢－混凝土混合结构技术规程》[6]（DBJ13-61-2004）7.2.2.3条选用图7.2.2.3(h)钢筋混凝土环梁刚接方式，穿心型钢牛腿作为安全储备，适当提高节点的安全度。五根鋼管混凝土柱直径约为1.2米，钢管柱内采用C50砼，钢管混凝柱与周边结构梁主要通过钢管混凝柱内外伸的组合工字钢梁牛腿连接，牛腿部位间隙较大，混凝土很容易下料，钢管内混凝土的密实情况主要与混凝土的振捣直接相关。
采用塔吊卸料，串筒辅助投料，手工振捣的浇灌方法。主要施工工序流程为：钢管柱及钢梁安装固定完毕→搭设脚手板铺设顶板模板→安放串筒→塔吊卸料→分层振捣→养护→检测。串筒设置：采用4m长直径300的橡胶软管作串筒，端部用角铁与其连接并将其支放在钢管上口，见图7。
每次浇灌混凝土前先用与砼同配合比的砂浆接浆，厚度5-10cm，首次投料串筒离混凝土面高度应小于3m，混凝土分层下料分层振捣，每层厚度50-100cm；当浇灌至串筒下口时，移走串筒直接对钢管柱分层下料和振捣；振捣采用内部振动棒，每点振捣时间控制不少于30秒，以混凝土表面已呈现出浮浆和不再沉落为止。浇筑前应对振捣手进行质量安全教育，加强振捣过程中的旁监检查，确保钢管柱内的混凝土密实。
在钢管柱顶部采用敲击听音的检测方法，对钢管柱混凝土的密实性进行检测。对不密实部位，采用钻孔压浆法进行补强，然后将钻孔补焊封固。控制好混凝土配合比、坍落度及水灰比；做好技术交底工作。在钢管柱吊装前，对其内壁进行除污除锈处理。对于层次较高的钢管柱采取管内焊制爬梯，人工进入钢管柱内部进行振捣，确保振捣质量。后台设专人监督混凝土质量，发现混凝土坍落度不符要求立即退场；前台设专职工长和质量员督促浇灌过程。
成立以项目经理为组长的安全、文明生产领导小组，负责施工现场安全管理和监督协调工作，做好安全技术交底工作。建立安全生产保障体系，项目部设安全监督员和专职安全员，制订安全生产责任制。严格执行安全教育条例，搞好三级安全教育，各工种须经安全培训和考试合格后方可上岗。进入施工现场必须戴好安全帽，发挥安全“三件宝”的作用。夜间保证足够的照明。振捣用临线和照明临线需架空，严禁乱拖乱拽，防止漏电伤人。文明施工，保持整洁，现场浇捣所产生的砼浆污染及时清理。现场砼施工润泵管所用砂浆应集中处理，严禁掺入砼中。搭设好浇筑脚手架，脚手架应稳固可靠并做好临边防护。振捣人员、下料人员须系好安全带。
3．2. 钢管混凝土柱经济性比较[7]
取相同承载力设计值 32000KN为前提，钢管混凝土柱直径800mm，壁厚16mm，内填C60混凝土；普通混凝土柱按框支柱考虑抗震等级为一级，截面1.4m×1.4m采用C50混凝土，控制轴压比0.7。
套用厦门地区当前建筑工程预算价格表，两者对比如表4所示：
钢管混凝土柱的造价为2196.40元／米，相比普通混凝土柱的2314.03元／米。可降低约5.1%。经综合比较，在设计合理情况下，采用钢管混凝土柱的经济性要优于普通钢筋混凝土柱，且柱的轴力越大这种优势就越明显。
四、结论与展望
本文结合工程实例探讨了超限高层结构抗震设计，提出了改善结构抗震性能的加强措施，并针对改结构所采用的钢管混凝土柱设计及施工进行了重点讨论，提出了高效可行的施工方案，参考并应用既有研究成果于实际工程，以期为类似项目设计提供经验参考。
目前，对钢管混凝土动力性能的研究主要集中在试验研究阶段，且大都只能从滞回性能定性地得出钢管混凝土抗震性能好的结论 ,缺乏相应的理论推导，尚未形成可供规范使用的计算理论和设计公式。刚度是钢管混凝土柱和节点力学性能的重要指标目前由于对钢管混凝土变形测试存在不同理解，对刚度仍然存在不同的认识，缺乏统一的理论计算公式。为满足构造的合理性、工程的实践性，避免截面配置不合理，材料强度匹配出现问题，防止局部失稳，设计矩形钢管混凝土构件必须满足截面尺寸及高宽比钢管壁宽厚比、管内混凝土受压的工作承担系数等方面的构造要求，以达到优化设计目的。
总的来说，钢管混凝土承载力高、塑性和韧性好、 施工方便、耐火性能好、经济效益好。钢管混凝土结构的研究与应用已取得较大的成就，但在有些方面的研究上还比较薄弱，要在实际工程中广泛应用这种结构，尚有很多工作要做。如钢管混凝土柱动力性能的研究、构造要求、梁柱节点形式等。因此需要充分深入研究，按照规范及设计要求执行，确保工程顺利进展及质量安全。
参考文献：
[1]. 李斌. 钢管混凝土结构的研究[D].陕西：西安建筑科技大学,2004.
[2].《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）.2010
[3].《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）.2010
[4]. 徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.
[5].《钢－混凝土混合结构技术规程》（DBJ13-61-2004）.2004
[6]. 周越洲,吴敬伟. 钢管混凝土柱与普通混凝土柱的经济性比较[J].广东:广东土木与建筑,2004.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：钢管混凝土柱；超高层建筑；结构设计；施工技术；
Abstract: This paper will introduce the development and theory of concrete-filled steel tubular column, then take the structure of the Xiamen International Airport Tower for an example to study it’s mechanical behavior and beam-column joint and point out the construction measures. The efficient construction plan is made after the economic analysis. At last, some strengthening measures are advised to ensure that the building is safety under the earthquake load.
中图分类号：TU375
我国钢管混凝土结构技术的开发和应用已有近40年的历史。近10年来，随着国家经济的迅猛发展，钢管混凝土结构在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中得到了卓有成效地应用，推动了建造技术的发展。我国自1990年颁布《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28：90），钢管混凝土柱在高层建筑结构领域得到广泛的应用。
本文通过介绍对厦门航空港大厦进行结构分析和研究，对钢管混凝土柱设计及施工提出了新的思路，并进行了经济性分析，制定了高效可行的施工方案。
一、钢管混凝土柱设计原理
1．1. 钢管混凝土轴压受力机理理论模型
钢管混凝土借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，延缓其纵向微裂缝的发生和发展，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力;同时借助内填混凝土的支撑作用，增强钢管管壁的几何稳定性，改变钢管的失稳模态，从而提高其承载能力。
对钢管混凝土轴压构件稳定的计算大都是在强度计算公式的基础上乘上一个稳定折减系数，此系数由实验确定。根据文献[1]将应用切线模量理论推导的出长柱临界力的计算公式：
先假设:(1)杆件是两端铰接的理想直杆；(2)荷载为轴向作用；(3)临界状态时，杆轴挠曲线为正弦曲线。
钢管混凝土构件的计算极限纵向应变为：
（1）
其中，，，为含钢率。
在已知构件的几何尺寸及材料特性后，则可以推导出钢管混凝土中长柱的临界应力：
（2）
其中，--钢管混凝土构件轴心受压时的计算极限纵向平均应力和应变。
钢管混凝土柱极限承载力的计算公式为:
（3）
其中，为混凝土面积和钢材面积。
1．2. 钢管混凝土柱承载力设计方法
1、钢管混凝土的正截面承载力
钢管混凝土的正截面承载力计算方法可采用我国现行的《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[2]中钢筋混凝土的柱的计算方法，但计算公式中不再采用混凝土的轴心抗压强度设计值，而采用约束混凝土的抗压强度设计值，其计算方法为：
（4）
其中，——混凝土轴心抗压强度设计值；
——混凝土轴心抗压强度设计值；
——外包钢管对核心混凝土的有效约束应力。
2、钢管混凝土的斜截面承载力计算方法
方钢管约束混凝土柱的抗剪承载力公式为：
（5）
其中，——柱上作用的轴力；
——混凝土毛截面面积；
——Q235鋼材的强度设计值，MPa；
——钢管两侧腹板总面积；
——箍筋屈服强度；
——箍筋间距；
——核心混凝土柱的截面有效高度。
1．3. 钢管混凝土柱的优点
根据钢管混凝土的受力特点，圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用和内填混凝土的支撑作用，从而使钢管混凝土构件具有轴心抗压承载力高、抗剪和抗扭性能好的土的支撑作用，从而使钢管混凝土构件具有轴心抗压承载力高、抗剪和抗扭性能好的特点;钢管内的核心混凝土处于三向受压状态，它的工作性质起了质的变化，由脆性材料转化成塑性材料，钢管混凝混凝土构件具有良好的塑性和韧性;钢管内有大量混凝土，能吸收很多的热量，混凝土的导热系数低而比热大，钢管混凝土耐火极限比钢材长;钢管混凝土柱与结构钢和型钢混凝土柱相比，在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节约钢材50%，与普通钢筋混凝土柱相比，构件的截面面积可减少约一半，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少50%，钢管混凝土的经济效果显著：另外，钢管混凝土构件具有施工简单易行，缩短工程周期的优点。
二、钢管混凝土在本项目的应用
2．1. 工程概况
厦门市工人体育馆附属设施（四期）——酒店综合楼用房（如图1所示）位于厦门市体育馆北侧，仙岳路与育秀路交叉处。本工程总建筑面积78516.5㎡，其中地下2层，建筑面积约11934.85㎡，地上45层，建筑面积约66581.7㎡。首层层高6.4米，二层层高5.2米，三层层高7米，四层层高5.2米，五层层高3.5米，六层至四十二层层高为3.5米，四十三层至四十五层层高为4米，总高度为169.3米。主楼45层，裙楼5层，其中1-5层为五星级酒店佰翔汇馨酒店的大堂、康体、餐饮、会务及娱乐服务楼层，6-16楼为写字楼，18-42层为佰翔汇馨酒店的客房及会所，约有300多个房间。
工程结构体系采用框筒结构，其中竖向结构主要由四个核心筒体、五根钢管混凝土柱及四根混凝土圆柱组成，如图2所示，建筑物的安全等级为二级，为丙类建筑。抗震设防烈度为7度[3]，设计基本地震加速度为0.15g。设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。结构抗震等级框架为一级，剪力墙为一级。基本风压值：0.95kPa，风载体型系数取1.4，地面粗糙度为C类。
结构整体分析采用的软件，其中PMSAP作为主要计算软件，而ETABS作为校核程序。
（1）基于广义协调墙元模型的高层建筑结构空间有限元分析软件PMSAP2005版：构件单元的定义： a、杆元：梁、柱、斜杆；b、膜单元：水平楼板；c、墙元：剪力墙。
（2）国际通用的建筑结构三维分析软件ETABS9.0.2中文版：构件单元的定义：a、线单元：梁、柱、斜撑；b、膜单元：水平楼板；c、壳单元：剪力墙。
2．2. 主要计算结果及比较与分析
（1）计算得到的前6阶模态振型的振动周期结果列于表1。两个程序计算得到的第一、第二周期T1、T2分别为X、Y方向的平动周期，第三周期T3为扭转第一周期，T3/T1均远小于规范的限值0.85，表明该结构具有良好的抗扭能力，符合抗震概念设计的要求。振型曲线符合正常规律。从表1可见，扭转周期比满足要求，有效质量系数满足要求。
（2）计算得到的结构最大响应位移结果列于表2(表中位移数据不包括屋顶3层钢框架)。从图表中可见，层间位移角以及位移比均满足要求，地震作用下的剪重比在正常范围内。
（3）舒适度要求：
考虑10年一遇的风荷载作用（w0=0.50kN/m2）下的脉动影响，结构顶点最大加速度限值αmax＝0.25m/s2；X向：顶点顺风向的最大加速度αw＝0.037m/s2；顶点横风向的最大加速度αtr＝0.080m/s2；
Y向：顶点顺风向的最大加速度αw＝0.031m/s2；顶点横风向的最大加速度αtr＝0.069m/s2；均满足要求。
2．3. 弹性时程分析主要计算结果及比较与分析
时程分析采用“中国建筑科学研究院工程抗震研究所”提供的3条小震的地震波[4-5]：HKS1(天然波)、HKS3(天然波)、HKS4(人工波)时程法计算得到的结构最大响应计算结果列于表3。
（）中数值为所在楼层
对应于3条输入地震时程曲线，时程法计算得到的结构响应位移，均略小于反应谱法的计算结果。总体而言，时程法计算结果与反应谱法计算结果基本吻合，符合设计规范的有关要求。
2．4. 梁柱节点研究
钢管混凝土柱梁柱连接节点形式一般有如下两种：
1、穿心钢牛腿刚接节点
穿心钢牛腿式节点（如图3），是在钢管壁上开竖向槽口，将两个方向的工字钢牛腿插入管内并互相焊接，形成十字形穿心牛腿，其工作原理是分别利用穿心的翼缘和腹板来承受梁端弯矩和剪力，并在钢筋混凝土梁端围着钢管柱做成方形钢筋混凝土环梁，该节点是一种传力直接，可靠的刚性节点，从外形上看与普通钢筋混凝土梁柱节点一样,能很好地满足建筑及装饰设计要求，能够满足“强柱、弱梁、节点更强”的要求，但是该节点施工复杂、施工质量要求很高。在实际工程应用中,针对钢管周边混凝土裂缝控制的要求,对穿心暗牛腿节点不断进行了优化。
构造上要求穿心牛腿上、下翼缘的截面面积应分别大于梁顶面、底面纵向钢筋的截面面积，焊缝强度应满足要求。穿心牛腿腹板的抗剪承载力应大于梁端剪力的最大值。梁内纵向受力钢筋用角焊缝按等强要求和牛腿的翼缘焊接，牛腿的长度由焊缝长度决定。当钢管直径小于1m时，考虑管内焊接比较困难，不宜采用这种形式的节点。
2、环梁节点
框架梁梁端剪力传递到钢管混凝土柱，主要通过三个途径。途径之一为通过环梁混凝土与抗剪环之间的局部承压作用力，将剪力由环梁传递到抗剪环上，并通过抗剪环与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上，由于抗剪环钢筋直径一般不大，由剪力引起的对钢管壁的局部弯矩很小；途径之二为环梁混凝土与钢管之间的粘结作用；途径之三为梁端弯矩引起环梁上(或下)端挤压钢管混凝土柱而产生的静摩擦力。一般情况下，静摩擦力很大，可以满足抗剪要求；粘结作用力虽然也很大，但在地震作用下难以保证，一般不予考虑，仅作为安全储备；抗剪环的作用力可以保证，设计时以抗剪环的作用力为主进行抗剪验算。
钢筋混凝土环梁节点的构造如图4所示。在环梁高度范围内，沿钢管周圈贴焊一道(或两道)钢筋作为抗剪环，无需穿心牛腿等构件；钢管内、外不用加劲环，不影响钢管内混凝土浇注；环梁钢筋笼无方向性，在地面绑扎，高空就位方便。
本工程中采用了多种环梁节点构造如图6所示，以满足工程上的需要。环梁节点按照刚性节点计算，通过合理的设计，使环梁节点的承载力大于框架梁承载力，结构破坏出现在框架梁上，环梁基本保持完好，与钢管壁之间裂缝极细微，既保证框架梁纵筋的锚固牢靠，又可与钢管混凝土柱一致变形，形成刚性节点。
三、钢管混凝土施工方案及经济性研究
3．1. 钢管混凝土施工方案
工程结构体系采用框筒结构，其中竖向结构主要由四个核心筒体、五根钢管混凝土柱及四根混凝土圆柱组成，钢管混凝土框架柱均处在中庭部位，是整个工程的重要受力结构，根据PMSAP的计算程序说明，钢管混凝土构件的计算符合CECS28：90规程的要求钢管混凝土梁柱节点根据《钢－混凝土混合结构技术规程》[6]（DBJ13-61-2004）7.2.2.3条选用图7.2.2.3(h)钢筋混凝土环梁刚接方式，穿心型钢牛腿作为安全储备，适当提高节点的安全度。五根鋼管混凝土柱直径约为1.2米，钢管柱内采用C50砼，钢管混凝柱与周边结构梁主要通过钢管混凝柱内外伸的组合工字钢梁牛腿连接，牛腿部位间隙较大，混凝土很容易下料，钢管内混凝土的密实情况主要与混凝土的振捣直接相关。
采用塔吊卸料，串筒辅助投料，手工振捣的浇灌方法。主要施工工序流程为：钢管柱及钢梁安装固定完毕→搭设脚手板铺设顶板模板→安放串筒→塔吊卸料→分层振捣→养护→检测。串筒设置：采用4m长直径300的橡胶软管作串筒，端部用角铁与其连接并将其支放在钢管上口，见图7。
每次浇灌混凝土前先用与砼同配合比的砂浆接浆，厚度5-10cm，首次投料串筒离混凝土面高度应小于3m，混凝土分层下料分层振捣，每层厚度50-100cm；当浇灌至串筒下口时，移走串筒直接对钢管柱分层下料和振捣；振捣采用内部振动棒，每点振捣时间控制不少于30秒，以混凝土表面已呈现出浮浆和不再沉落为止。浇筑前应对振捣手进行质量安全教育，加强振捣过程中的旁监检查，确保钢管柱内的混凝土密实。
在钢管柱顶部采用敲击听音的检测方法，对钢管柱混凝土的密实性进行检测。对不密实部位，采用钻孔压浆法进行补强，然后将钻孔补焊封固。控制好混凝土配合比、坍落度及水灰比；做好技术交底工作。在钢管柱吊装前，对其内壁进行除污除锈处理。对于层次较高的钢管柱采取管内焊制爬梯，人工进入钢管柱内部进行振捣，确保振捣质量。后台设专人监督混凝土质量，发现混凝土坍落度不符要求立即退场；前台设专职工长和质量员督促浇灌过程。
成立以项目经理为组长的安全、文明生产领导小组，负责施工现场安全管理和监督协调工作，做好安全技术交底工作。建立安全生产保障体系，项目部设安全监督员和专职安全员，制订安全生产责任制。严格执行安全教育条例，搞好三级安全教育，各工种须经安全培训和考试合格后方可上岗。进入施工现场必须戴好安全帽，发挥安全“三件宝”的作用。夜间保证足够的照明。振捣用临线和照明临线需架空，严禁乱拖乱拽，防止漏电伤人。文明施工，保持整洁，现场浇捣所产生的砼浆污染及时清理。现场砼施工润泵管所用砂浆应集中处理，严禁掺入砼中。搭设好浇筑脚手架，脚手架应稳固可靠并做好临边防护。振捣人员、下料人员须系好安全带。
3．2. 钢管混凝土柱经济性比较[7]
取相同承载力设计值 32000KN为前提，钢管混凝土柱直径800mm，壁厚16mm，内填C60混凝土；普通混凝土柱按框支柱考虑抗震等级为一级，截面1.4m×1.4m采用C50混凝土，控制轴压比0.7。
套用厦门地区当前建筑工程预算价格表，两者对比如表4所示：
钢管混凝土柱的造价为2196.40元／米，相比普通混凝土柱的2314.03元／米。可降低约5.1%。经综合比较，在设计合理情况下，采用钢管混凝土柱的经济性要优于普通钢筋混凝土柱，且柱的轴力越大这种优势就越明显。
四、结论与展望
本文结合工程实例探讨了超限高层结构抗震设计，提出了改善结构抗震性能的加强措施，并针对改结构所采用的钢管混凝土柱设计及施工进行了重点讨论，提出了高效可行的施工方案，参考并应用既有研究成果于实际工程，以期为类似项目设计提供经验参考。
目前，对钢管混凝土动力性能的研究主要集中在试验研究阶段，且大都只能从滞回性能定性地得出钢管混凝土抗震性能好的结论 ,缺乏相应的理论推导，尚未形成可供规范使用的计算理论和设计公式。刚度是钢管混凝土柱和节点力学性能的重要指标目前由于对钢管混凝土变形测试存在不同理解，对刚度仍然存在不同的认识，缺乏统一的理论计算公式。为满足构造的合理性、工程的实践性，避免截面配置不合理，材料强度匹配出现问题，防止局部失稳，设计矩形钢管混凝土构件必须满足截面尺寸及高宽比钢管壁宽厚比、管内混凝土受压的工作承担系数等方面的构造要求，以达到优化设计目的。
总的来说，钢管混凝土承载力高、塑性和韧性好、 施工方便、耐火性能好、经济效益好。钢管混凝土结构的研究与应用已取得较大的成就，但在有些方面的研究上还比较薄弱，要在实际工程中广泛应用这种结构，尚有很多工作要做。如钢管混凝土柱动力性能的研究、构造要求、梁柱节点形式等。因此需要充分深入研究，按照规范及设计要求执行，确保工程顺利进展及质量安全。
参考文献：
[1]. 李斌. 钢管混凝土结构的研究[D].陕西：西安建筑科技大学,2004.
[2].《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）.2010
[3].《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）.2010
[4]. 徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.
[5].《钢－混凝土混合结构技术规程》（DBJ13-61-2004）.2004
[6]. 周越洲,吴敬伟. 钢管混凝土柱与普通混凝土柱的经济性比较[J].广东:广东土木与建筑,2004.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。