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摘要：本文以厦门某工程为背景，讨论了工程中薄壁钢管混凝土柱顶节点和柱脚节点的制作方法，并采用MIDAS CIVIL软件对柱身进行地震作用效应分析，供设计人员参考。
关键词：钢管混凝土，薄壁，节点，地震作用效应
Abstract: An example of a project in Xiamen was given to describe the method of manufacturing the cap joint and foot joint of concrete-filled thin-walled steel tubular columns. The seismic effect of the columns was analysed by MIDAS CIVIL. Some design proposals were made for reference.
Key words: concrete-filled steel tubes, thin-walled, joint，seismic effect
中图分类号:TB91 文献标识码A 文章编号
所谓薄壁钢管混凝土是指在薄壁钢管中填充混凝土而形成的试件。薄壁钢管是指直径与厚度的比值(圆钢管)以及宽度或高度与厚度的比值(方、矩形钢管)超过钢结构对其局部屈曲控制的限值或者钢管壁厚小于3mm的钢管。不同规程中对钢管混凝土截面的或限值的规定也不同[1]。文献[2]根据对应受压构件中空钢管局部稳定限值规定：
对于圆钢管混凝土：； 对于方钢管混凝土：
而文献[3] 按照对应受压构件中空钢管局部稳定限值的1.5倍确定规定：
对于圆钢管混凝土： ；对于方钢管混凝土：。
市政工程中常会遇到施工工期较短的情况，在市政桥梁中采用钢管混凝土墩柱，与钢筋混凝土相比无需绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简便，浇灌容易，振捣密实，可有效缩短施工工期。市政工程墩柱由于其墩径或墩边长一般也较大，往往容易形成薄壁钢管混凝土柱。
国内现行的公路桥梁类和市政桥梁类规范或规程中尚无指导钢管混凝土墩柱设计的内容。建筑类的规范或规程中，如文献[3]，也仅对静力性能做出规定，并无抗震设计内容。另外，目前能够进行钢管混凝土墩柱设计的时政类设计软件也十分有限。上述因素在一定程度上制约了工程设计中钢管混凝土结构的应用。
本文以我院2010年5月设计的集美新城市民广场上跨杏林湾路段平台工程为背景，介绍本工程柱脚节点和柱顶节点的做法，并采用MIDAS CIVIL设计软件对薄壁钢管混凝土柱进行地震作用效应分析，希望对设计工作提供一些参考。
1工程背景
厦门市集美新城市民广场和集美区政府分布于杏林湾路的南北两侧，在两者之间建设上跨平台。平台下部为停车场和展示区，与杏林湾路形成立体交叉，沿道路方向长105.72米，宽为56.5米，建筑面积5973.3平方米。上部结构采用连续变截面板式结构，板高变化采用圆弧过渡。沿长度方向分西幅、中幅、东幅共三幅，各幅之间设2cm变形缝。平台下部结构采用桩柱式，每墩柱采用独柱独桩，桩柱间连接处设承台。
图1 本工程立面示意图
平台共设50根钢管混凝土墩柱。根据平台分幅情况，墩柱分为边墩、普通墩及固结墩三种。边墩设置于各幅边跨，采用1.6m×1.2m圆端型截面。每幅平台中跨各设2根固结墩，其余均为普通墩。固结墩及普通墩采用φ1.2m圆柱墩。边墩及普通墩顶面设置盆式橡胶支座与平台连接，固结墩于平台固结。管壁均为14mm，钢材采用Q235B，混凝土强度为C30。本工程若参照欧洲规范，所有的墩柱均为薄壁钢管混凝土柱，而若参照文献[1]，本工程仅固定墩为薄壁钢管混凝土柱。
图2 施工过程中的钢管混凝土墩柱 图3 两种墩截面尺寸
2柱脚节点
文献[1]6.4节提出，柱脚连接有①埋入式柱脚，②外包式柱脚，③外露式柱脚等三种形式。 其中外露式柱脚的做法为：在钢管混凝土柱脚设置柱底封板，在底封板四个角部设置锚栓，锚栓应有足够的锚固长度，保证柱脚与基础的锚固。本文以直径为1.2m的墩柱为例，介绍本工程的柱脚连接做法本工程在外露式柱脚做法的基础上进行了改进：在底封板底部增设长度为70cm的纵向管壁，管壁厚度为14mm，与底板采用角焊缝焊接。为保证管壁稳定，管壁与底封板接触部位设置加劲肋，加劲肋高度为25cm，厚度为10mm，在管壁中部设置两道环形HRB335级钢筋，直径为28mm。管壁下端内外两侧各焊接36根直径为32mm的HRB335级钢筋，钢筋间距约为10cm，钢筋长度为1m，延伸至承台底筋处，满足抗震设计的锚固长度要求。考虑到柱脚范围内形成一个相对封闭的空间，设计时在底封板上开设直径为60cm的洞口，以便混凝土浇筑施工。
图4 柱脚设计图图5 承台施工前柱脚施工现场照片
承台浇筑完成后，底封板与钢管混凝土柱的钢管壁采用焊接，在柱脚处环向设置6道加劲肋，加劲肋高度为25cm，厚度为10mm。
图6 承台施工后柱脚施工现场照片图7 柱顶节点现场施工照片
3 柱顶节点
在建筑工程中，钢管混凝土柱与现浇钢筋混凝土梁的连接可采用：①环梁节点，②双梁节点，③梁纵筋贯通节点，④变宽度梁节点，⑤承重销节点等五钟形式。其中，梁纵筋贯通节点的做法为：将钢管混凝土柱贯通框架梁，在钢管上开设钢筋孔洞，使梁纵向受力主筋可贯通钢管，并在节点外侧设置加强环。本工程中，上跨平台在立面上为变高度的，与固定墩固结的位置，板厚达到1.5m，此高度完全可以满足钢筋抗震设计的锚杆长度要求。同时从施工方便的角度考虑，本工程参考梁纵筋贯通节点的原理，并在其基础上做了一定的简化，将伸入梁节点的钢管取消，取而代之的是在钢管内侧管壁均布焊接64根直径为32mm的HRB335级钢筋，钢筋长度为2.8m，其中与钢管焊接部分为1.5m ，伸入节点部分为1.3m，做法如图5所示。由此，梁柱节点的施工时可避免在钢管上开孔以及梁纵筋穿孔的施工，钢筋可与钢管主体在工厂预制，施工十分方便，大大缩短了施工工期。
4 钢管混凝土墩柱地震作用内力计算
本工程钢管壁厚为14mm，管壁内侧设置6道纵向加劲肋，纵肋高度为10cm；横向每隔1m设置一道环形加劲肋，横肋宽度为10cm；在柱顶和柱底各50cm的区域内，各增设四道纵向短加劲肋。
图8 纵肋与横肋 图9 纵肋与短肋
柱身的计算包括：地震作用、内力计算以及钢管的应力计算三部分内容，均采用MIDAS CIVIL 2011软件，钢管混凝土柱的边界条件计算采用桥梁博士3.0版。本文仅对地震作用下的柱身弯矩进行介绍。计算時对构件截面进行简化，采用MIDAS CIVIL 2011软件中自带的带纵肋钢管混凝土柱构件，而不考虑横肋和短肋的贡献。
根据文献[4]的规定，本工程抗震设防类别为C类，必须同时进行E1地震（小震）和E2地震（大震）作用下的抗震设计。阻尼比参照钢筋混凝凝土结构取0.05。E1地震作用下各地震参数为：桥梁抗震重要性系数Ci=0.34；场地系数Cs=1.0；阻尼调整系数Cd=1.0；基本地震动加速度峰值A=0.15g；Smax==0.115g。E2地震作用下各地震参数为：桥梁抗震重要性系数Ci=1.0；场地系数Cs=1.0；阻尼调整系数Cd=1.0；基本地震动加速度峰值A=0.15g；Smax==0.338g。得到E1和E2地震作用下水平设计加速度反应谱。
结构模型采用独柱墩模型，在上部主梁形心处设置一质点，作为整联桥梁质量质点，该质点与桥墩之间顺桥向、横桥向位移同步，模拟箱梁与桥墩墩顶的变形协调关系。上跨平台自重为25×6020=150500kN，即15050t。本平台共有6个固结墩，因此认为每个固结墩上质点重为2508.3 t。
柱底边界条件计算根据文献[5]附录P 的规定，按m法计算弹性桩水平位移及作用效应，求得单位力作用下桩顶的水平位移及转角，两者的倒数，即墩底的水平弹性约束刚度为Kdx和转动弹性约束刚度为Krx。各参数计算如下：
桩计算宽度：k=1.0，kf=0.9， b1= 1.0×0.9×(1.5+1)=2.25m≤ 2×1.5=3.0 m
根据文献[3]表P.0.2-1条： m取50000kN/m4Ec =3.15 ×104 MPa
I=3.14 ×1.54 /64 = 0.248 m4 E I= 0.8 Ec I =6249600 kNm2
桩水平变形系数= =0.4481/m
经桥梁博士3.0基础计算系统计算得到：单位力作用下桩顶的水平位移为1.18×10-5m，转角为0.493×10-5rad。由此求得墩底的水平弹性约束刚度为Kdx= 84745.8kN/m，转动弹性约束刚度为Krx= 202840kNm/rad。
经计算得到E1地震和E2地震作用下柱底弯矩结果如下：E1作用下墩底最大弯矩1320kNm。E2作用下墩底最大弯矩3881 kNm。
图11E1作用下墩身弯矩 图12E2作用下墩身弯矩
5 小结
1、本工程中柱底和柱顶的节点在参照建筑工程的做法的基础上进行了一定程度的改造，满足力学性能要求并方便施工。但由于规范和计算软件的限制，目前尚进行精确的计算。
2、本工程柱身计算采用的设计软件无法考虑横肋、短肋等的贡献，也考虑薄壁钢管局部屈曲对承载力等的削弱，因此此薄壁钢管混凝土柱的本构关系实际并不精确，设计只能得到一个近似的结果。
3、市政工程具有施工工期短的特点，采用钢管混凝土墩柱能够很好的解决这一问题，并且市政工程墩柱体型一般较大，容易形成薄壁钢管混凝土柱，因此薄壁钢管混凝土十分适合应用于市政工程。然而，现阶段规范和计算软件的局限在一定程度上阻碍了薄壁钢管混凝土在市政工程中的应用。
参考文献
[1] 陶忠, 于清. 新型组合结构柱试验、理论与方法[M]. 科学出版社, 2006
[2]Eurocode 4, 2004. Design of composite steel and concrete structures，part1: general rules-structural fire design[S]. ENV 1994-1-2:2004, European Committee for Standardization, Brussels
[3]鋼管混凝土结构技术规程，DBJ/T13-51-2010
[4] 公路桥梁抗震设计细则，JTG/T B02-01-2008
[5] 公路桥涵地基与基础设计规范，JTG D63-2007
关键词：钢管混凝土，薄壁，节点，地震作用效应
Abstract: An example of a project in Xiamen was given to describe the method of manufacturing the cap joint and foot joint of concrete-filled thin-walled steel tubular columns. The seismic effect of the columns was analysed by MIDAS CIVIL. Some design proposals were made for reference.
Key words: concrete-filled steel tubes, thin-walled, joint，seismic effect
中图分类号:TB91 文献标识码A 文章编号
所谓薄壁钢管混凝土是指在薄壁钢管中填充混凝土而形成的试件。薄壁钢管是指直径与厚度的比值(圆钢管)以及宽度或高度与厚度的比值(方、矩形钢管)超过钢结构对其局部屈曲控制的限值或者钢管壁厚小于3mm的钢管。不同规程中对钢管混凝土截面的或限值的规定也不同[1]。文献[2]根据对应受压构件中空钢管局部稳定限值规定：
对于圆钢管混凝土：； 对于方钢管混凝土：
而文献[3] 按照对应受压构件中空钢管局部稳定限值的1.5倍确定规定：
对于圆钢管混凝土： ；对于方钢管混凝土：。
市政工程中常会遇到施工工期较短的情况，在市政桥梁中采用钢管混凝土墩柱，与钢筋混凝土相比无需绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简便，浇灌容易，振捣密实，可有效缩短施工工期。市政工程墩柱由于其墩径或墩边长一般也较大，往往容易形成薄壁钢管混凝土柱。
国内现行的公路桥梁类和市政桥梁类规范或规程中尚无指导钢管混凝土墩柱设计的内容。建筑类的规范或规程中，如文献[3]，也仅对静力性能做出规定，并无抗震设计内容。另外，目前能够进行钢管混凝土墩柱设计的时政类设计软件也十分有限。上述因素在一定程度上制约了工程设计中钢管混凝土结构的应用。
本文以我院2010年5月设计的集美新城市民广场上跨杏林湾路段平台工程为背景，介绍本工程柱脚节点和柱顶节点的做法，并采用MIDAS CIVIL设计软件对薄壁钢管混凝土柱进行地震作用效应分析，希望对设计工作提供一些参考。
1工程背景
厦门市集美新城市民广场和集美区政府分布于杏林湾路的南北两侧，在两者之间建设上跨平台。平台下部为停车场和展示区，与杏林湾路形成立体交叉，沿道路方向长105.72米，宽为56.5米，建筑面积5973.3平方米。上部结构采用连续变截面板式结构，板高变化采用圆弧过渡。沿长度方向分西幅、中幅、东幅共三幅，各幅之间设2cm变形缝。平台下部结构采用桩柱式，每墩柱采用独柱独桩，桩柱间连接处设承台。
图1 本工程立面示意图
平台共设50根钢管混凝土墩柱。根据平台分幅情况，墩柱分为边墩、普通墩及固结墩三种。边墩设置于各幅边跨，采用1.6m×1.2m圆端型截面。每幅平台中跨各设2根固结墩，其余均为普通墩。固结墩及普通墩采用φ1.2m圆柱墩。边墩及普通墩顶面设置盆式橡胶支座与平台连接，固结墩于平台固结。管壁均为14mm，钢材采用Q235B，混凝土强度为C30。本工程若参照欧洲规范，所有的墩柱均为薄壁钢管混凝土柱，而若参照文献[1]，本工程仅固定墩为薄壁钢管混凝土柱。
图2 施工过程中的钢管混凝土墩柱 图3 两种墩截面尺寸
2柱脚节点
文献[1]6.4节提出，柱脚连接有①埋入式柱脚，②外包式柱脚，③外露式柱脚等三种形式。 其中外露式柱脚的做法为：在钢管混凝土柱脚设置柱底封板，在底封板四个角部设置锚栓，锚栓应有足够的锚固长度，保证柱脚与基础的锚固。本文以直径为1.2m的墩柱为例，介绍本工程的柱脚连接做法本工程在外露式柱脚做法的基础上进行了改进：在底封板底部增设长度为70cm的纵向管壁，管壁厚度为14mm，与底板采用角焊缝焊接。为保证管壁稳定，管壁与底封板接触部位设置加劲肋，加劲肋高度为25cm，厚度为10mm，在管壁中部设置两道环形HRB335级钢筋，直径为28mm。管壁下端内外两侧各焊接36根直径为32mm的HRB335级钢筋，钢筋间距约为10cm，钢筋长度为1m，延伸至承台底筋处，满足抗震设计的锚固长度要求。考虑到柱脚范围内形成一个相对封闭的空间，设计时在底封板上开设直径为60cm的洞口，以便混凝土浇筑施工。
图4 柱脚设计图图5 承台施工前柱脚施工现场照片
承台浇筑完成后，底封板与钢管混凝土柱的钢管壁采用焊接，在柱脚处环向设置6道加劲肋，加劲肋高度为25cm，厚度为10mm。
图6 承台施工后柱脚施工现场照片图7 柱顶节点现场施工照片
3 柱顶节点
在建筑工程中，钢管混凝土柱与现浇钢筋混凝土梁的连接可采用：①环梁节点，②双梁节点，③梁纵筋贯通节点，④变宽度梁节点，⑤承重销节点等五钟形式。其中，梁纵筋贯通节点的做法为：将钢管混凝土柱贯通框架梁，在钢管上开设钢筋孔洞，使梁纵向受力主筋可贯通钢管，并在节点外侧设置加强环。本工程中，上跨平台在立面上为变高度的，与固定墩固结的位置，板厚达到1.5m，此高度完全可以满足钢筋抗震设计的锚杆长度要求。同时从施工方便的角度考虑，本工程参考梁纵筋贯通节点的原理，并在其基础上做了一定的简化，将伸入梁节点的钢管取消，取而代之的是在钢管内侧管壁均布焊接64根直径为32mm的HRB335级钢筋，钢筋长度为2.8m，其中与钢管焊接部分为1.5m ，伸入节点部分为1.3m，做法如图5所示。由此，梁柱节点的施工时可避免在钢管上开孔以及梁纵筋穿孔的施工，钢筋可与钢管主体在工厂预制，施工十分方便，大大缩短了施工工期。
4 钢管混凝土墩柱地震作用内力计算
本工程钢管壁厚为14mm，管壁内侧设置6道纵向加劲肋，纵肋高度为10cm；横向每隔1m设置一道环形加劲肋，横肋宽度为10cm；在柱顶和柱底各50cm的区域内，各增设四道纵向短加劲肋。
图8 纵肋与横肋 图9 纵肋与短肋
柱身的计算包括：地震作用、内力计算以及钢管的应力计算三部分内容，均采用MIDAS CIVIL 2011软件，钢管混凝土柱的边界条件计算采用桥梁博士3.0版。本文仅对地震作用下的柱身弯矩进行介绍。计算時对构件截面进行简化，采用MIDAS CIVIL 2011软件中自带的带纵肋钢管混凝土柱构件，而不考虑横肋和短肋的贡献。
根据文献[4]的规定，本工程抗震设防类别为C类，必须同时进行E1地震（小震）和E2地震（大震）作用下的抗震设计。阻尼比参照钢筋混凝凝土结构取0.05。E1地震作用下各地震参数为：桥梁抗震重要性系数Ci=0.34；场地系数Cs=1.0；阻尼调整系数Cd=1.0；基本地震动加速度峰值A=0.15g；Smax==0.115g。E2地震作用下各地震参数为：桥梁抗震重要性系数Ci=1.0；场地系数Cs=1.0；阻尼调整系数Cd=1.0；基本地震动加速度峰值A=0.15g；Smax==0.338g。得到E1和E2地震作用下水平设计加速度反应谱。
结构模型采用独柱墩模型，在上部主梁形心处设置一质点，作为整联桥梁质量质点，该质点与桥墩之间顺桥向、横桥向位移同步，模拟箱梁与桥墩墩顶的变形协调关系。上跨平台自重为25×6020=150500kN，即15050t。本平台共有6个固结墩，因此认为每个固结墩上质点重为2508.3 t。
柱底边界条件计算根据文献[5]附录P 的规定，按m法计算弹性桩水平位移及作用效应，求得单位力作用下桩顶的水平位移及转角，两者的倒数，即墩底的水平弹性约束刚度为Kdx和转动弹性约束刚度为Krx。各参数计算如下：
桩计算宽度：k=1.0，kf=0.9， b1= 1.0×0.9×(1.5+1)=2.25m≤ 2×1.5=3.0 m
根据文献[3]表P.0.2-1条： m取50000kN/m4Ec =3.15 ×104 MPa
I=3.14 ×1.54 /64 = 0.248 m4 E I= 0.8 Ec I =6249600 kNm2
桩水平变形系数= =0.4481/m
经桥梁博士3.0基础计算系统计算得到：单位力作用下桩顶的水平位移为1.18×10-5m，转角为0.493×10-5rad。由此求得墩底的水平弹性约束刚度为Kdx= 84745.8kN/m，转动弹性约束刚度为Krx= 202840kNm/rad。
经计算得到E1地震和E2地震作用下柱底弯矩结果如下：E1作用下墩底最大弯矩1320kNm。E2作用下墩底最大弯矩3881 kNm。
图11E1作用下墩身弯矩 图12E2作用下墩身弯矩
5 小结
1、本工程中柱底和柱顶的节点在参照建筑工程的做法的基础上进行了一定程度的改造，满足力学性能要求并方便施工。但由于规范和计算软件的限制，目前尚进行精确的计算。
2、本工程柱身计算采用的设计软件无法考虑横肋、短肋等的贡献，也考虑薄壁钢管局部屈曲对承载力等的削弱，因此此薄壁钢管混凝土柱的本构关系实际并不精确，设计只能得到一个近似的结果。
3、市政工程具有施工工期短的特点，采用钢管混凝土墩柱能够很好的解决这一问题，并且市政工程墩柱体型一般较大，容易形成薄壁钢管混凝土柱，因此薄壁钢管混凝土十分适合应用于市政工程。然而，现阶段规范和计算软件的局限在一定程度上阻碍了薄壁钢管混凝土在市政工程中的应用。
参考文献
[1] 陶忠, 于清. 新型组合结构柱试验、理论与方法[M]. 科学出版社, 2006
[2]Eurocode 4, 2004. Design of composite steel and concrete structures，part1: general rules-structural fire design[S]. ENV 1994-1-2:2004, European Committee for Standardization, Brussels
[3]鋼管混凝土结构技术规程，DBJ/T13-51-2010
[4] 公路桥梁抗震设计细则，JTG/T B02-01-2008
[5] 公路桥涵地基与基础设计规范，JTG D63-2007