本文通过绿宝广场工程设计实例简介型钢混凝土柱结构设计，着重说明其在大跨度结构中应用的设计思路，以及节点构造和有关施工技术要求。
一、工程概况
由混凝土包裹型钢做成的结构被称为型钢混凝土结构（也称劲性混凝土结构），因为型钢混凝土的承载力高、刚性大并且具有良好的延性和耗能性能，在欧美和日本等国家被广泛应用。型钢混凝土结构被简称为SRC结构，现在已和钢结构、木结构、砌体结构以及钢筋混凝土结构并列为五大结构之一。其中实腹式型钢混凝土构件具有较好的抗震性能、节约钢材、提高混凝土利用系数、施工方便等优点，在我国的工程建设中得到广泛应用。本文将主要介绍型钢混凝土柱的设计方法及构造要求，通过绿宝广场工程设计实例，具体说明其计算和使用，供类似工程设计时参考。
绿宝广场位于苏州市高新区长江路与邓蔚路口，一期工程总建筑面积约13.8万m2。该建筑通过设置抗震兼沉降缝分为结构相对独立的三部份，分别为不夜城商场、带酒店式公寓的商场及商场三部份。不夜城及商场为地下二层地上4～5层建筑，总高约为25m；带公寓的商场为地下二层地上商场（裙房）4层，商场上公寓为9层，总高约为50m。在不夜城与商场之间设计了一个跨度31米的连廊，该连廊由型钢混凝土柱、钢梁和组合楼板组成，平面布置见图1。
二、结构特点及理论计算方法
型钢混凝土柱是钢柱和钢筋混凝土柱二者的组合结构，实腹式型钢通常采用工字形、口字形，截面材料的选用主要是依据现行国家标准“钢结构设计规范（GB50017-2003）”和“高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）”，保证构件具有足够的塑性变形能力，其屈服强度不宜过大，伸长率应大于20%；钢筋混凝土按照“混凝土结构设计规范（GB50010-2002）”要求实施。
在型钢混凝土结构的设计方面，我国原冶金工业部和建设部分别于1998年和2002年制定了两部相应的行业标准。《钢骨混凝土结构设计规程》（YB9082－97）的特点是以日本规范模式为基础，忽略了型钢和混凝土之间的粘结作用，按叠加原理建立承载能力和刚度的计算公式，工程实际应用比较方便，计算简单，可操作性强，带有浓厚的“设计”气息，但计算结果偏于保守，容易造成浪费。《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138―2001）的特点也是以钢筋混凝土理论为基础、以试验研究成果为依据建立的，在这套规程中引入了平截面假定，采用极限状态设计法设计，基本上反映了我国目前对型钢混凝土结构研究的最新成果，并且其设计思路基本上与我国钢筋混凝土结构的设计方法相一致，该规程理论依据较为充分、考虑因素全面、计算结果比较准确，但计算公式复杂，带有较浓厚的“学院”气息。目前设计人员常用的结构设计软件是建研院开发的PKPM系列，它在型钢混凝土结构的计算中采用的是《型钢混凝土组合结构技术规程》中的公式和参数。
三、型钢混凝土结构的设计要点
采用型钢混凝土是解决大跨度结构稳定的重要技术措施，绿宝广场设计采用型钢混凝土柱的截面为1200x800mm，在风荷载作用下的最大弹性层间位移角为1/649，如果采用钢筋混凝土柱，在满足规范最大弹性层间位移角1/550的前提下，计算柱截面需2000x1200mm，无法满足建筑设计的空间要求。型钢柱的计算首先应确定型钢的截面形式（在本次设计中型钢柱采用的是实腹式十字型钢），预定型钢柱的型钢含钢率，带入SATWE程序中进行整体计算，并根据计算结果调整含钢率。在型钢混凝土结构设计中需要注意的几个问题如下：
3.1、型钢的含钢率
关于型钢混凝土构件的最小和最大含钢率，目前没有统一的认识，但当计算型钢含钢率小于2%时，可以采用钢筋混凝土构件，而没有必要采用型钢混凝土构件。当型钢含钢率太大时，型钢与混凝土不能有效地共同工作，混凝土的作用不能完全发挥，且混凝土浇注施工也有困难。因此，在冶金部行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》（YB9082-97）中将型钢含钢率定为2%～15%。一般说来，较为合理的含钢率为5%～8%。而在建设部行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）中将型钢含钢率定为4%～10%。在绿宝广场型钢混凝土柱的设计中，考虑到建设单位尽量节约钢材，控制造价的要求，经过反复计算，型钢柱的含钢率确定为5%。
3.2、型钢的宽厚比
钢板的厚度不宜小于6mm，一般为翼缘板20mm以上，腹板16mm以上，但当钢板厚度大于36mm时，钢材的厚度方向的断面收缩率应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》（GB5313-85）中的Z15级的规定。这是因为厚度较大的钢板在轧制过程中存在各向异性，由于在焊缝附近常形成约束，焊接时容易引起层状撕裂，焊接质量不易保证。型钢的宽厚比应满足规范的要求，本设计中柱内型钢的断面尺寸如图2。
3.3、型钢的混凝土保护层厚度
根据规范规定，对型钢柱，混凝土最小保护层厚度不宜小于120mm，对型钢梁则不宜小于100mm。
3.4、要重视型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁在构造连接上的配合协调问题
绿宝广场设计中，因连廊下有两层混凝土结构地下室，型钢混凝土柱在地下室范围存在与钢筋混凝土梁的连接，梁内钢筋遇柱内型钢锚固需要特殊处理，本文中仅列出地下一层中一个较为复杂的梁柱节点作为示例，具体梁柱节点连接构造要求详见《型钢混凝土组合结构技术规程》第9章内容(图3)。
四、型钢的制作与构造措施
4.1、型钢的制作
型钢的制作必须采用机械加工，并宜由钢结构制作厂家承担。型钢的切割、焊接、运输、吊装、探伤检验应符合现行国家标准《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205-2001）、《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）、《钢结构工程质量检验评定标准》（GB50221-1995）的规定，钢材、焊接材料、螺栓等应有质量证明书，质量应符合国家有关规范的规定。焊接前应将构件焊接面除油、除锈，焊工应持证上岗。施工中应确保施工现场型钢柱拼接和梁柱节点连接的焊接质量，型钢钢板的制孔，应采用工厂车床制孔，严禁现场用氧气切割开孔，在型钢制作完成后，建设单位不可随意变更，以免引起孔位改变造成施工困难。
4.2、型钢混凝土中设置抗剪拴钉的要求
型钢混凝土与钢筋混凝土结构的显著区别之一是型钢与混凝土的粘结力远远小于钢筋与混凝土的粘结力。根据国内外的试验，大约只相当于光面钢筋粘结力的45%。因此，在钢筋混凝土结构中认为钢筋与混凝土是共同工作的，直至构件破坏。而在型钢混凝土中，由于粘结滑移的存在，将影响到构件的破坏形态、计算假定、构件承载能力及刚度、裂缝。通常可用两种方法解决，一是在构件上另设剪切连接件(栓钉)，并按照计算确定其数量，即滑移面上的剪力全由剪切连接件承担，称为完全剪力连接。这样可以认为型钢与混凝土完全共同工作。另一种方法是在计算中考虑粘结滑移对承载力的影响，同时在型钢的一定部位：如（1）柱脚及柱脚向上一层范围内；（2）与框架梁连接的牛腿的上、下翼缘处；（3）结构过渡层范围内的型钢翼缘处加设抗剪栓钉作为构造要求。构件中设置的栓钉应符合国家现行标准《电弧螺柱焊用园柱头焊钉》（GB/T 10433―2002）的规定，栓钉直径一般为?19,长度不宜小于4倍栓钉直径，间距不宜小于6倍栓钉直径，且不宜大于200mm，并采用特制的栓钉枪进行焊接，焊接质量应满足规范要求。
4.3、型钢的拼接
型钢柱的长度应根据钢材的生产和运输长度限制及建筑物层高综合考虑，一般每二层为一根，其工地拼接接头宜设于框架梁顶面以上1～2m处。型钢柱的工地拼接一般有三种形式：（1）全焊接连接；（2）全螺栓连接；（3）栓、焊混合连接。设计施工中多采用第三种形式，即型钢柱翼缘采用全溶透的剖口对接焊缝连接，腹板采用摩擦型高强度螺栓连接，本工程设计中的型钢柱工地拼接也采用第三种形式(图5)。
4.4、型钢柱的柱脚构造
1、型钢柱的柱脚分为埋入式和非埋入式两种，在抗震区宜采用埋入式柱脚，柱脚型钢的混凝土最小保护层厚度为：中间柱：不得小于180mm，边柱和角柱：不得小于250mm。
2、型钢柱埋入式柱脚的埋入深度不应小于3倍型钢柱截面高度，在柱脚部位和柱脚向上一层的范围内，型钢柱翼缘外侧设置栓钉，栓钉直径不小于19，间距不大于200mm,且栓钉至翼缘板边缘的距离大于50mm。
3、在本工程的型钢柱设计中，考虑采用埋入式柱脚的埋深太大，而连廊传递的上部荷载较小，经与施工单位及建设单位多次研究，决定型钢柱柱脚采用铰接形式与地下室大底板连接，简化了施工难度，也加快了建设进度(图5)。
4.5、型钢柱的节点构造
框架梁、柱节点核心区是结构受力的关键部位，设计时应保证传力明确，安全可靠，施工方便，节点核心区不允许有过大的变形。在型钢混凝土结构中，梁、柱节点包括以下几种形式：（1）型钢混凝土梁―型钢混凝土柱的连接；（2）钢梁―型钢混凝土柱的连接；（3）钢筋混凝土梁―型钢混凝土柱的连接。在本工程设计中我们同时遇到了第二和第三种情况。
规范规定，节点区型钢部分的连接构造应与钢结构的节点连接相一致，在柱内型钢的钢牛腿翼缘水平位置处应设置加劲肋，其构造应便于混凝土浇灌，并保证混凝土密实。柱内型钢和主筋的布置应为梁中主筋贯穿留出通道，梁中主筋不应穿过型钢翼缘，未经设计同意也不得与柱中型钢直接焊接，型钢腹板部分设置钢筋贯穿孔时，截面缺损率不宜超过腹板面积的25%(图6)。
五、总结与回顾
通过此次工程结构设计，我有如下体会：
1、在钢筋砼结构体系中，局部采用型钢砼结构构件是可行的，特别是大跨度结构设计时，型钢柱结合钢梁的采用，可有效提高结构的整体刚度，减小水平和竖向变形值，节约了结构占用的空间，其效果比纯钢筋砼结构好。
2、型钢砼结构的设计和施工的重点是型钢构件及其节点的设计，施工单位应结合设计图纸，做好施工配合，密切注意钢筋与型钢的连接，型钢与砼柱的连接，通过优良的施工品质来保证设计效果的达成。
