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[摘要]： 本文以某工程为例，介绍了钢管混凝土柱-H型钢梁-SP预应力空心板楼盖体系框架结构设计的一些特点，提出了设计的要点，并总结了几点体会，对钢管混凝土框架结构设计有参考意义。
[关键词]：钢管混凝土结构；SP预应力空心板楼盖；设计
中图分类号：TU37 文獻标识码：A 文章编号：
钢管混凝土结构因其具有承载力高、抗震性能好、施工方便等优点，越来越广泛地应用于单层和多层工业厂房、大宽度和空间结构、商业广场、多层办公楼及住宅、高层和超高层建筑以及桥梁结构中，并取得良好的经济效益和建筑效果。本文将结合某工程来探讨钢管混凝土柱-焊接H型钢梁-SP预应力空心板楼盖体系结构设计要点。
工程概况
本工程为商用综合楼，抗震设防烈度为8度，结构抗震等级为二级，主体工程地上四层，局部五层，平均层高将近5m, 建筑总面积约3万平方米，钢管混凝土框架结构。本工程柱网尺寸布置灵活，主要以12000×8800mm为主。框架梁采用焊接H型钢，楼盖采用大跨SP预应力空心板，独立柱基础。
2.钢管混凝土柱设计
本工程楼面活荷载与恒载均为5KN/m2，楼、屋面吊设荷载为0.4KN/m2, 柱距较大，因此框架柱须承担很大的荷载。本工程所在地属于８度抗震设防地区，如果采用钢筋混凝土柱，则对其轴压比要求比较严格，而采用钢管混凝土柱只需控制柱子长细比而不限制轴压比，因此采用承载力较大的钢管混凝土柱是非常合理的。底层柱柱截面为 φ478×8mm，Q235钢材和C45混凝土，如果采用钢筋混凝土柱，截面将为600×600mm，面积则增大一倍以上。采用钢管混凝土柱后，柱截面减小，建筑使用面积增大，柱自重的减轻，地震反应也随之减小，因此获得很大的经济效益。本工程最大柱截面φ478×8，最小柱截面φ325×6，一二层柱截面相同，从第三层开始，柱截面变小。
1-内衬管，2焊缝连接，3-环形封顶，
5、4-钢管混凝土上、下柱，6-上柱加劲板，
7-下柱加强环勒板，8、9-下柱上、下加强环
图1 钢管拼接
管径相同的钢管拼接时，采用等强度坡口焊缝，管内加短衬管，管端加横隔板（隔板上沿距下柱管端50mm）如图1（1） 所示。其中，内衬板厚50mm,板壁厚6mm，外径比钢管柱内径小2mm;环形封顶板厚12mm，板壁厚40mm，内衬管和环形封顶板采用Q345钢材。
对于管径不同的上下柱拼接时，一般采用喇叭管过渡段来连接上下柱，但这种设计方法比较复杂，而且喇叭管的过渡段楼盖的结构高度范围内，不利于施工，本工程采用一种便于施工安装的设计方法，具体构造如图1（2）所示。上柱钢管伸入下柱钢管20mm，上柱底部焊一带加劲板的环板，环板再与下柱上加强环用八个均匀布置在环板上的M16高强螺栓连接。
钢结构安装时，为了便于连接，减少施工工作量，在工厂直接在钢管柱上焊接好加强环和垂直肋板，然后在现场先用高强螺栓与预制钢梁拼接，最后将工字梁的上下翼缘用对接焊缝连接，钢管采用坡口焊的办法。钢管混凝土柱采用泵送顶升浇注法，在钢管柱底部安装一个带阀门的进料支管，直接与泵车的输送管连接，由泵车将混凝土连续不断地自下而上注入钢管柱，无需震捣，每根柱一次连续泵送灌注至混凝土稍微溢出柱顶溢浆孔而完成。钢管混凝土柱具有良好的塑性和延性，抗震性能远比钢筋混凝土柱优越，因而提高了整个建筑物的可靠度。
3. H型钢梁设计
本工程中，梁的最大跨度为12000mm,截面尺寸设计为850×300×8×10，自重仅约为1KN/m，如果设计成钢筋混凝土梁，梁高1000mm、宽400mm左右，自重将达10KN/m左右。在设防烈度为8度的地区采用钢梁从抗震的角度来考虑是非常合理的对减小地基压力，对降低基础造价是非常有利的。另外一方面，钢梁与钢管混凝土柱连接较混凝土粱与钢管混凝土柱连接方便；钢筋混凝土梁钢筋密布，与柱钢筋交叉，构造十分复杂，不但建造费工，增加工时费用，影响施工速度，而且混凝土不易填充密实，势必影响工程质量。
本工程焊接H型钢梁采用Q235B结构用钢。H型钢梁需要拼接的构件采用全融透对接焊缝等强度拼接，上、下翼缘和腹板中的拼接位置错开，并避免与加劲板重合，腹板拼接焊缝和它平行的加劲板至少相距200mm,与上、下翼缘拼接焊缝至少相距200mm。横向加劲板的间距不大于两倍梁截面高度，加劲板厚8mm。
4.节点设计
节点是连接梁柱的关键部位，在框架中起着传递内力、分配内力和保证结构整体性的作用。本工程中，钢管混凝土框架节点为钢梁-钢管混凝土柱节点。节点设计一般遵循的原则是：传力途径简捷、明确，使计算分析与节点的实际受力情况一致；有足够的强度，使结构不致因连接较弱而引起破坏；具有良好的延性，满足抗震设计要求；尽量简化节点构造，以便于加工及安装时容易就位和调整。
4.1梁柱节点
本工程采用外加强环式梁柱节点。加强环式节点是迄今为止研究最成熟、应用较多的一种节点，其传力路径简洁明确，节点刚度大、承载力高，强环有利于翼缘拉力梁柱间的有效传递，减小柱壁的局部变形，截面设计实现“强柱弱梁，节点更强”后具有良好的抗震性能。
外加强环式节点，如图２所示，是钢管混凝土柱在梁的上下翼缘位置设加强环，与梁熔透焊缝连接，上下环分别承受拉压力，形成力偶来抵抗梁端弯矩，同时在上下环间焊一肋板，用角焊缝与钢管柱表相连，通过高强螺栓与梁腹板相连以传递梁端剪力，满足刚接节点的设计要求，且传力明确，节点的刚度在钢管混凝土柱的基础上加大了许多，符合强节点的抗震要求。加强环式节点没有任何穿心构件，当采用多层钢管混凝土柱一次泵送顶升浇灌法时，管内没有障碍物，有利于施工。
加强环板的最小宽度应根据其抗拉能力不小于梁翼缘板抗拉能力的0.7倍这一条件来确定。工程中，加强环及其肋板采用Q345钢材，肋板与梁的腹板用高强螺栓连接，上下加强环与梁上下翼缘厚度相同，且采用焊缝连接，对于四根尺寸不相同的梁连接在同一个节点上时，具体构造如图2（2-2）所示。
3-钢管混凝土柱，4-H型钢梁，5-上加强环，
6-下加强环，7-加劲板（板厚同加强环勒板），
8-高强螺栓连接，M16，9-加强环勒板
图2梁柱节点
4.2柱脚
钢管混凝土柱与基础固接，本工程采用端承式柱脚，端承式柱脚的设计和构造与钢结构露出式柱脚相同。柱脚的构造是在管的底端焊一带加劲板的圆形柱脚板，加劲板与钢管焊缝连接，环板与基柱通过锚拴连接，柱管中混凝土大部分与基础混凝土连在一起，因而管中混凝土的内力，直接传入基础混凝土中。钢管混凝土柱的轴力通过管中混凝土传递给基础，剪力和弯矩依靠柱脚底板和锚栓传递给基础， 柱脚构造如图3 所示。
2-圆形柱脚板，厚20mm,3-锚拴预埋件，4-柱脚加劲板，厚12mm,
5-双螺母，6-基礎柱，7-后筑细石混凝土垫层，C30 ,厚50mm。
双螺母与垫板点焊，垫板与环板围焊。
图3柱脚构造
5. SP预应力空心板楼盖设计
5.1 SPD叠合板楼盖设计
本工程楼盖采用大跨SPD叠合板。SP板的主要特点有：跨度大，板长可达１８ｍ，可以满足大开间、大进深等不同结构的使用要求；与同类产品相比，承载力可提高１９％―７０％；外观平整，尺寸精确，防水、抗震和隔音性能好等等，在跨度较大的框架结构中使用SP板可以达到很好的经济效益。本工程采用SPD25A叠合预应力混凝土空心板，SP板最大跨度8600mm,板宽1200mm、厚250mm，SP板上浇注50mm厚叠合层，SPD叠合板自重3.645KN/m2；若采用普通现浇楼盖，板厚取250mm，板自重约为6KN/m2。
SP预应力空心板每块板底的预埋件与焊接H型钢梁焊缝连接，如图4所示。根据国家规范，相邻两板板缝宽度取50mm,板缝内配置直径10mm的钢筋网片，采用C30的细石混凝土灌缝，使相邻SP板之间能更好地相互传递剪力协调垂直变位。
图4 框架中板端节点做法
5.2板缝对框架侧移的影响
据作者研究可知，对于SP预应力空心板楼盖体系框架，板缝灌缝混凝土强度越大，框架侧移越小；缝宽越大则框架侧移越大。随着灌缝混凝土强度的提高，缝宽度对框架侧移的影响逐渐减少；当灌缝混凝土强度与SP预应力空心板的强度很接近时，板缝宽度对整个楼盖刚度、框架侧移影响很小；缝宽小于40～50mm时，缝宽变化对框架侧移影响较大。因此，本工程中缝宽取50mm是比较合理的。
SP板的布置方式将影响到梁截面的大小，本工程中，板沿梁格的短边方向布置。对于SP板的设计可参考《SP预应力空心板》（99ZG408）标准图集。
6.小结
本工程采用由于钢管混凝土柱-H型钢梁-SP预应力空心板楼盖体系框架结构，自重比钢筋混凝土结构减少约一半，在设防烈度较高的地区可以大大减小地震作用，同时减少基础工程造价；梁、柱、板截比钢筋混凝土构建截面小，这将大大增加建筑物的有效使用面积；采用此种体系的框架结构可以节约大量的混凝土，减少现场浇铸混凝土，有利于环保；由于钢管混凝土柱特殊的施工方法以及预制梁、板的采用，可以加快施工速度等等。总而言之，钢管混凝土柱-H型钢梁-SP预应力空心板楼盖体系框架结构综合效益显著，为高设防烈度地区开发新的建筑结构形式开辟了道路，可以在多层与小高层建筑中大力推广。
[关键词]：钢管混凝土结构；SP预应力空心板楼盖；设计
中图分类号：TU37 文獻标识码：A 文章编号：
钢管混凝土结构因其具有承载力高、抗震性能好、施工方便等优点，越来越广泛地应用于单层和多层工业厂房、大宽度和空间结构、商业广场、多层办公楼及住宅、高层和超高层建筑以及桥梁结构中，并取得良好的经济效益和建筑效果。本文将结合某工程来探讨钢管混凝土柱-焊接H型钢梁-SP预应力空心板楼盖体系结构设计要点。
工程概况
本工程为商用综合楼，抗震设防烈度为8度，结构抗震等级为二级，主体工程地上四层，局部五层，平均层高将近5m, 建筑总面积约3万平方米，钢管混凝土框架结构。本工程柱网尺寸布置灵活，主要以12000×8800mm为主。框架梁采用焊接H型钢，楼盖采用大跨SP预应力空心板，独立柱基础。
2.钢管混凝土柱设计
本工程楼面活荷载与恒载均为5KN/m2，楼、屋面吊设荷载为0.4KN/m2, 柱距较大，因此框架柱须承担很大的荷载。本工程所在地属于８度抗震设防地区，如果采用钢筋混凝土柱，则对其轴压比要求比较严格，而采用钢管混凝土柱只需控制柱子长细比而不限制轴压比，因此采用承载力较大的钢管混凝土柱是非常合理的。底层柱柱截面为 φ478×8mm，Q235钢材和C45混凝土，如果采用钢筋混凝土柱，截面将为600×600mm，面积则增大一倍以上。采用钢管混凝土柱后，柱截面减小，建筑使用面积增大，柱自重的减轻，地震反应也随之减小，因此获得很大的经济效益。本工程最大柱截面φ478×8，最小柱截面φ325×6，一二层柱截面相同，从第三层开始，柱截面变小。
1-内衬管，2焊缝连接，3-环形封顶，
5、4-钢管混凝土上、下柱，6-上柱加劲板，
7-下柱加强环勒板，8、9-下柱上、下加强环
图1 钢管拼接
管径相同的钢管拼接时，采用等强度坡口焊缝，管内加短衬管，管端加横隔板（隔板上沿距下柱管端50mm）如图1（1） 所示。其中，内衬板厚50mm,板壁厚6mm，外径比钢管柱内径小2mm;环形封顶板厚12mm，板壁厚40mm，内衬管和环形封顶板采用Q345钢材。
对于管径不同的上下柱拼接时，一般采用喇叭管过渡段来连接上下柱，但这种设计方法比较复杂，而且喇叭管的过渡段楼盖的结构高度范围内，不利于施工，本工程采用一种便于施工安装的设计方法，具体构造如图1（2）所示。上柱钢管伸入下柱钢管20mm，上柱底部焊一带加劲板的环板，环板再与下柱上加强环用八个均匀布置在环板上的M16高强螺栓连接。
钢结构安装时，为了便于连接，减少施工工作量，在工厂直接在钢管柱上焊接好加强环和垂直肋板，然后在现场先用高强螺栓与预制钢梁拼接，最后将工字梁的上下翼缘用对接焊缝连接，钢管采用坡口焊的办法。钢管混凝土柱采用泵送顶升浇注法，在钢管柱底部安装一个带阀门的进料支管，直接与泵车的输送管连接，由泵车将混凝土连续不断地自下而上注入钢管柱，无需震捣，每根柱一次连续泵送灌注至混凝土稍微溢出柱顶溢浆孔而完成。钢管混凝土柱具有良好的塑性和延性，抗震性能远比钢筋混凝土柱优越，因而提高了整个建筑物的可靠度。
3. H型钢梁设计
本工程中，梁的最大跨度为12000mm,截面尺寸设计为850×300×8×10，自重仅约为1KN/m，如果设计成钢筋混凝土梁，梁高1000mm、宽400mm左右，自重将达10KN/m左右。在设防烈度为8度的地区采用钢梁从抗震的角度来考虑是非常合理的对减小地基压力，对降低基础造价是非常有利的。另外一方面，钢梁与钢管混凝土柱连接较混凝土粱与钢管混凝土柱连接方便；钢筋混凝土梁钢筋密布，与柱钢筋交叉，构造十分复杂，不但建造费工，增加工时费用，影响施工速度，而且混凝土不易填充密实，势必影响工程质量。
本工程焊接H型钢梁采用Q235B结构用钢。H型钢梁需要拼接的构件采用全融透对接焊缝等强度拼接，上、下翼缘和腹板中的拼接位置错开，并避免与加劲板重合，腹板拼接焊缝和它平行的加劲板至少相距200mm,与上、下翼缘拼接焊缝至少相距200mm。横向加劲板的间距不大于两倍梁截面高度，加劲板厚8mm。
4.节点设计
节点是连接梁柱的关键部位，在框架中起着传递内力、分配内力和保证结构整体性的作用。本工程中，钢管混凝土框架节点为钢梁-钢管混凝土柱节点。节点设计一般遵循的原则是：传力途径简捷、明确，使计算分析与节点的实际受力情况一致；有足够的强度，使结构不致因连接较弱而引起破坏；具有良好的延性，满足抗震设计要求；尽量简化节点构造，以便于加工及安装时容易就位和调整。
4.1梁柱节点
本工程采用外加强环式梁柱节点。加强环式节点是迄今为止研究最成熟、应用较多的一种节点，其传力路径简洁明确，节点刚度大、承载力高，强环有利于翼缘拉力梁柱间的有效传递，减小柱壁的局部变形，截面设计实现“强柱弱梁，节点更强”后具有良好的抗震性能。
外加强环式节点，如图２所示，是钢管混凝土柱在梁的上下翼缘位置设加强环，与梁熔透焊缝连接，上下环分别承受拉压力，形成力偶来抵抗梁端弯矩，同时在上下环间焊一肋板，用角焊缝与钢管柱表相连，通过高强螺栓与梁腹板相连以传递梁端剪力，满足刚接节点的设计要求，且传力明确，节点的刚度在钢管混凝土柱的基础上加大了许多，符合强节点的抗震要求。加强环式节点没有任何穿心构件，当采用多层钢管混凝土柱一次泵送顶升浇灌法时，管内没有障碍物，有利于施工。
加强环板的最小宽度应根据其抗拉能力不小于梁翼缘板抗拉能力的0.7倍这一条件来确定。工程中，加强环及其肋板采用Q345钢材，肋板与梁的腹板用高强螺栓连接，上下加强环与梁上下翼缘厚度相同，且采用焊缝连接，对于四根尺寸不相同的梁连接在同一个节点上时，具体构造如图2（2-2）所示。
3-钢管混凝土柱，4-H型钢梁，5-上加强环，
6-下加强环，7-加劲板（板厚同加强环勒板），
8-高强螺栓连接，M16，9-加强环勒板
图2梁柱节点
4.2柱脚
钢管混凝土柱与基础固接，本工程采用端承式柱脚，端承式柱脚的设计和构造与钢结构露出式柱脚相同。柱脚的构造是在管的底端焊一带加劲板的圆形柱脚板，加劲板与钢管焊缝连接，环板与基柱通过锚拴连接，柱管中混凝土大部分与基础混凝土连在一起，因而管中混凝土的内力，直接传入基础混凝土中。钢管混凝土柱的轴力通过管中混凝土传递给基础，剪力和弯矩依靠柱脚底板和锚栓传递给基础， 柱脚构造如图3 所示。
2-圆形柱脚板，厚20mm,3-锚拴预埋件，4-柱脚加劲板，厚12mm,
5-双螺母，6-基礎柱，7-后筑细石混凝土垫层，C30 ,厚50mm。
双螺母与垫板点焊，垫板与环板围焊。
图3柱脚构造
5. SP预应力空心板楼盖设计
5.1 SPD叠合板楼盖设计
本工程楼盖采用大跨SPD叠合板。SP板的主要特点有：跨度大，板长可达１８ｍ，可以满足大开间、大进深等不同结构的使用要求；与同类产品相比，承载力可提高１９％―７０％；外观平整，尺寸精确，防水、抗震和隔音性能好等等，在跨度较大的框架结构中使用SP板可以达到很好的经济效益。本工程采用SPD25A叠合预应力混凝土空心板，SP板最大跨度8600mm,板宽1200mm、厚250mm，SP板上浇注50mm厚叠合层，SPD叠合板自重3.645KN/m2；若采用普通现浇楼盖，板厚取250mm，板自重约为6KN/m2。
SP预应力空心板每块板底的预埋件与焊接H型钢梁焊缝连接，如图4所示。根据国家规范，相邻两板板缝宽度取50mm,板缝内配置直径10mm的钢筋网片，采用C30的细石混凝土灌缝，使相邻SP板之间能更好地相互传递剪力协调垂直变位。
图4 框架中板端节点做法
5.2板缝对框架侧移的影响
据作者研究可知，对于SP预应力空心板楼盖体系框架，板缝灌缝混凝土强度越大，框架侧移越小；缝宽越大则框架侧移越大。随着灌缝混凝土强度的提高，缝宽度对框架侧移的影响逐渐减少；当灌缝混凝土强度与SP预应力空心板的强度很接近时，板缝宽度对整个楼盖刚度、框架侧移影响很小；缝宽小于40～50mm时，缝宽变化对框架侧移影响较大。因此，本工程中缝宽取50mm是比较合理的。
SP板的布置方式将影响到梁截面的大小，本工程中，板沿梁格的短边方向布置。对于SP板的设计可参考《SP预应力空心板》（99ZG408）标准图集。
6.小结
本工程采用由于钢管混凝土柱-H型钢梁-SP预应力空心板楼盖体系框架结构，自重比钢筋混凝土结构减少约一半，在设防烈度较高的地区可以大大减小地震作用，同时减少基础工程造价；梁、柱、板截比钢筋混凝土构建截面小，这将大大增加建筑物的有效使用面积；采用此种体系的框架结构可以节约大量的混凝土，减少现场浇铸混凝土，有利于环保；由于钢管混凝土柱特殊的施工方法以及预制梁、板的采用，可以加快施工速度等等。总而言之，钢管混凝土柱-H型钢梁-SP预应力空心板楼盖体系框架结构综合效益显著，为高设防烈度地区开发新的建筑结构形式开辟了道路，可以在多层与小高层建筑中大力推广。