我大中華的很多城市，高樓大廈已是鱗次櫛比。在每棟高樓里面，我們都會(huì)看到一些框架柱，或大或小，或圓或方，或常規(guī)或異型。
框柱看起來冰冷，尤其包上大理石或冷金屬之后，但它們撐起了比自身截面大得多的空間，這多少值得尊敬。
以結(jié)構(gòu)工程師的眼光來看，框柱的截面形式大致可分四類：普通鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱以及疊合柱。
在做柱截面形式對(duì)比的時(shí)候，我總是想起《三國(guó)演義》中“煮酒論英雄”的片段。
究竟誰(shuí)是真英雄？
若以使用頻率來評(píng)判，鋼筋混凝土最優(yōu)，型鋼混凝土次之，鋼管混凝土再次之，疊合柱末之。
盡管如此，我還是手指落寞的疊合柱：“天下英雄，唯君耳 ”。
這篇文章就談?wù)劚救说倪壿�，諸位可不當(dāng)真。畢竟，本人看走眼與看對(duì)眼的概率，經(jīng)常接近五五開。
01、疊合柱的概念
首先，我們要理解疊合的概念，誰(shuí)和誰(shuí)疊合？作為類比，疊合梁、疊合板大家是比較熟悉的，疊合說的是新舊混凝土之間的疊合，舊混凝土可以采用預(yù)制（或先澆），新混凝土則采用現(xiàn)澆（或后澆）。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)疊合構(gòu)件的構(gòu)造及計(jì)算均有相對(duì)明確的規(guī)定。
在裝配式結(jié)構(gòu)及加固改造設(shè)計(jì)中，疊合既是一個(gè)基本概念，也是一個(gè)基本方法。想想裝配式結(jié)構(gòu)中的疊合板，以及加固設(shè)計(jì)中的增大截面法。
但是，疊合柱與常規(guī)的疊合概念略有不同，它指的是內(nèi)部鋼管混凝土柱與外部鋼筋混凝土之間的疊合。
同時(shí)，疊合還隱含了構(gòu)件組成時(shí)在時(shí)間上的非同步性。即，同一個(gè)構(gòu)件的新舊部分，在“澆筑”時(shí)間上，存在一個(gè)時(shí)間差。這個(gè)時(shí)間差如果小于混凝土的初凝時(shí)間，那就是整澆了。所以，只有時(shí)間差大于終凝時(shí)間，才會(huì)出現(xiàn)疊合。
說到這里，我們會(huì)想到一些有意思的問題。比如，施工縫與后澆帶，算不算疊合？混凝土梁加固中的粘鋼法與碳纖維布加固法，算不算疊合？
如果繼續(xù)較真的話，型鋼與鋼筋混凝土澆筑在一起，算不算疊合？那鋼筋與混凝土澆筑在一起，算不算疊合？
疊合的依據(jù)究竟是什么呢？本人認(rèn)為，相比后澆部分，先澆部分能夠獨(dú)立受力，這是疊合的一個(gè)重要條件。
我們說疊合概念中隱含了一個(gè)時(shí)間差，但疊合柱又有不同。按照《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS188:2005）：
疊合柱的內(nèi)外組成部分既可不同期施工，也可同期施工。
同期施工，就是指同時(shí)澆筑鋼管內(nèi)混凝土和鋼管外混凝土。也就是說，在混凝柱澆筑方面，可以沒有時(shí)間差。你看，疊合柱就是這樣一個(gè)異類。
同期施工的疊合柱可稱組合柱，這是規(guī)范的原話。但組合柱不能稱為疊合柱。我們通常說的組合柱，是指型鋼混凝土柱。
那按照規(guī)范先生的意思，究竟什么是疊合柱呢？我們揣測(cè)一下：
疊合柱是一種特殊的型鋼混凝土柱，其內(nèi)型鋼為閉口截面，通常（還是必須？）為圓管，可以為多腔。
讓我們把談?wù)摰膶?duì)象就限定為鋼管混凝土疊合柱吧。
02、疊合柱的優(yōu)勢(shì)
從構(gòu)成來看，疊合柱與型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱有一定相似性，但又有不同，更像是二者取長(zhǎng)補(bǔ)短后的改良。
你看哈。相比型鋼混凝柱，疊合柱含鋼率更低（一級(jí)框柱，最小含鋼率3%），承載力更高（意味著截面可以更小），這在對(duì)比建筑面積使用率的時(shí)候，具有較大優(yōu)勢(shì)。
相比鋼管混凝土柱，疊合柱具有更好的防火防腐性能，更低的用鋼量。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，疊合柱的承載力比鋼管混凝土柱高。
為何疊合柱承載力更高？這是大家都關(guān)心的問題。雖然我們都理解混凝土三向受壓，承載力提高的道理。
超高層建筑中，外框柱受力以壓彎為主。《材料力學(xué)》告訴我們，彎矩作用下，截面外側(cè)應(yīng)力最大，中部應(yīng)力較小，所以我們應(yīng)該盡量將材料放到截面外側(cè)。而軸力作用下，截面均勻受力，材料應(yīng)該平攤到截面上。
截面壓彎復(fù)合受力時(shí)，最悲催的就是截面外側(cè)，既要承受軸壓作用下的均勻應(yīng)力，也要承受彎矩作用下的彎曲拉壓應(yīng)力�？紤]不同方向的水平力工況，截面外側(cè)均可能承受拉力或壓力。
疊合柱是怎么解決這個(gè)問題的呢？
疊合柱以強(qiáng)大的內(nèi)芯——鋼管混凝土柱，承受絕大部分的軸向壓力，從而將外側(cè)截面從均勻壓應(yīng)力中解放出來，這樣外側(cè)截面就可以專心對(duì)付彎曲應(yīng)力。
想到這里，我拍案叫絕，這是“物盡其才”的又一次完美詮釋呀。至于上一次？
誕生了一個(gè)劃時(shí)代的偉大產(chǎn)品——鋼筋混凝土。即用鋼筋承受拉力，用混凝土承擔(dān)壓力。
疊合柱給出的解決思路，我們經(jīng)常作為反例應(yīng)用在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中。
比如，我們將節(jié)點(diǎn)位置的構(gòu)件截面做得更小，這樣可以削弱它的抗彎承受能力，以更小的截面保證軸向承載力即可，這就是鉸接節(jié)點(diǎn)。
再比如，混凝土構(gòu)件，截面不變，但在支座位置，我們僅配置構(gòu)造縱筋，這也是削弱了截面的抗彎承載力，也是一種鉸接做法。
為了將更大的軸向力分配給內(nèi)部的鋼管混凝土柱，這才有了先期施工的做法，相當(dāng)于通過施工次序，給“內(nèi)芯”一個(gè)預(yù)壓應(yīng)力。這便引申出一個(gè)疊合比的概念。
疊合比：核心鋼管混凝土柱已承受的施工期豎向荷載所產(chǎn)生的軸壓力設(shè)計(jì)值與疊合柱全部軸壓力設(shè)計(jì)值的比值。
非同期施工相對(duì)麻煩，不少項(xiàng)目還是優(yōu)先采用同期施工。對(duì)同期施工的疊合柱來說，疊合比等于0。
如果疊合比等于零，那如何保證“內(nèi)芯”承受更大的軸壓力呢？
我們都知道，鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土有套箍作用，套箍作用可以提高內(nèi)部混凝土的軸壓承載力。
那軸力分配時(shí)，“內(nèi)芯”會(huì)分配到更多軸力嗎？
當(dāng)然會(huì)！
軸力以截面各部分豎向壓縮變形量進(jìn)行分配，套箍后，內(nèi)部混凝土的“壓縮模量”更大，變形更小，所以分配的軸力更多。（PS：這有點(diǎn)類似土力學(xué)中變形模量與壓縮模量的區(qū)別，后者考慮完全側(cè)限，所以量值更大。）
以直徑為1800mm的圓形疊合柱為例，同期施工，柱內(nèi)鋼管直徑1200mm，鋼管壁厚為28mm，鋼材采用Q390，混凝土采用C60，則套箍指數(shù)為1.2；鋼管混凝土的軸向剛度可放大1.8X1.2=2.16倍。如果不考慮套箍作用，管內(nèi)混凝土承受軸向總壓力的42%，考慮套箍作用后，為70%.
說到套箍作用，鋼管混凝土柱并不例外呀。為何鋼管混凝土柱承載力低于疊合柱呢？
有一種解釋是這樣的：根據(jù)《高規(guī)》附錄F，鋼管混凝土柱由于長(zhǎng)細(xì)比和偏心率的影響，軸心受壓承載力雙重折減，導(dǎo)致計(jì)算承載力降低。與此相對(duì)，疊合柱的管外混凝土可以約束鋼管混凝土，鋼管壁不會(huì)或推遲發(fā)生屈曲，承載力基本無需折減。
同時(shí)，我在想另外一個(gè)問題。鋼管混凝土柱的鋼管，與疊合柱中鋼管不同，前者還要承受彎矩引起的彎曲應(yīng)力（發(fā)揮了疊合柱中縱筋的作用），鋼管的應(yīng)力狀態(tài)更復(fù)雜，其對(duì)混凝土的圍箍效應(yīng)，是否會(huì)有所降低呢？
03、疊合柱的計(jì)算
設(shè)計(jì)疊合柱時(shí)，首先需要注意四個(gè)參數(shù)：疊合比、套箍指數(shù)、管徑比和含鋼率。另外，征求意見稿還對(duì)鋼管混凝土截面面積與疊合柱截面面積的比值進(jìn)行了規(guī)定。
這幾個(gè)參數(shù)比較簡(jiǎn)單，規(guī)范均有明確規(guī)定或算法。這節(jié)主要講相對(duì)特殊的規(guī)定。
1）軸壓比
根據(jù) CECS188:2005，疊合柱的軸壓比是指管外混凝土的軸壓比。軸壓比限值可按照普通鋼筋混凝土來確定。很明顯，疊合比會(huì)影響管外混凝土的軸力分擔(dān)。如果框柱截面由軸壓比控制，即可通過調(diào)節(jié)疊合比來改變計(jì)算軸壓比。
說到軸壓比，我們稍作拓展。
《高規(guī)》關(guān)于軸壓比的規(guī)定中，采用芯柱可將框柱軸壓比限值提高0.05。柱內(nèi)設(shè)置鋼骨，軸向承載力可以提高，相對(duì)原截面，也可認(rèn)為軸壓比限值提高。
其實(shí)，鋼筋混凝土芯柱、疊合柱內(nèi)芯、組合柱的鋼骨都可改善構(gòu)件軸壓比，但疊合柱的套箍作用最有效。
疊合柱中鋼管混凝土的軸壓比如何確定呢？
規(guī)范沒有明確指出，隱約規(guī)定應(yīng)小于0.9。如果去查《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，我們還是沒有看到圓形鋼管混凝土軸壓比的相關(guān)規(guī)定，僅看到矩形實(shí)心鋼管混凝土的軸壓比規(guī)定，其計(jì)算依據(jù)與型鋼混凝土柱一致，即不考慮套箍作用。
我手上有一份《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的征求意見稿，此文稿對(duì)軸壓比計(jì)算有所調(diào)整，相當(dāng)于對(duì)疊合柱內(nèi)鋼管混凝土軸壓力提出了更高要求。
2）軸向受壓承載力
疊合柱的軸向受壓承載力分為兩部分，即管外鋼筋混凝土的軸壓承載力與鋼管混凝土的軸壓承載力，長(zhǎng)細(xì)比折減僅對(duì)管外部分執(zhí)行。
以上述1.8m直徑的框柱作為算例，均不考慮長(zhǎng)細(xì)比及偏心率折減時(shí)，疊合柱與鋼管混凝土柱的承載力計(jì)算值基本相同，考慮折減后，后者將小于前者。另外，疊合柱的含鋼率為4.1%，而鋼管混凝土柱的含鋼率為5.3%.
經(jīng)過計(jì)算，4.1%含鋼率的相同截面的型鋼混凝土柱，其承載力為相應(yīng)疊合柱的75%.
3）偏心受壓正截面承載力計(jì)算
首先，先計(jì)算管外混凝土分擔(dān)的軸力設(shè)計(jì)值和彎矩設(shè)計(jì)值。其次，將截面等效處理，然后按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》鋼筋混凝土柱正截面受壓承載力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。
4）配筋率與配箍率
疊合柱的縱筋配筋率是指縱向鋼筋截面面積與管外鋼筋混凝土截面面積的比值。
計(jì)算體積配箍率時(shí)，混凝土的體積取為外圍箍筋的內(nèi)皮與鋼管之間混凝土的體積，即扣除鋼管混凝土的體積。
但征求意見稿對(duì)上述兩個(gè)算法，均有大調(diào)整，大家注意辨析。
04、疊合柱的構(gòu)造
通常情況下，框架梁采用鋼筋混凝土梁，框架柱也采用鋼筋混凝土?xí)r，構(gòu)造最簡(jiǎn)單。
框架柱選用型鋼混凝土、鋼管混凝土、疊合柱時(shí)，構(gòu)造都不簡(jiǎn)單。
有些業(yè)主或施工單位怕麻煩，所以不愿設(shè)計(jì)單位選擇承載力更高的柱截面形式，而寧愿加大配筋。但如果對(duì)建筑面積使用率的追求壓倒一切，疊合柱是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
接下來，我們討論一下疊合柱的梁柱連接節(jié)點(diǎn)。
1）鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土疊合柱的連接構(gòu)造
該種構(gòu)造，比較常用的做法有兩種，一種是鋼管貫通，鋼筋混凝土環(huán)梁與混凝土梁連接；另一種是梁縱筋貫穿鋼管節(jié)點(diǎn)。
環(huán)梁三維節(jié)點(diǎn)
采用環(huán)梁的主要問題是：環(huán)梁位置的鋼筋比較密集，尤其當(dāng)梁端彎矩較大時(shí)，框架梁鋼筋插入和混凝土澆筑都比較困難，嚴(yán)重影響澆筑質(zhì)量和工期。
環(huán)梁施工照片
即使采用穿管連接，也應(yīng)盡量減小穿管。比如可將梁做寬，或梁端水平加腋，以便更多的鋼筋從鋼管兩側(cè)繞過。
梁柱節(jié)點(diǎn)梁縱筋布置示意圖（梁端水平加腋）
梁縱筋穿鋼管剖面示意圖
穿管連接需要注意的問題是：多條混凝土梁斜交在柱節(jié)點(diǎn)時(shí)，鋼筋匯聚到鋼管內(nèi)，導(dǎo)致管內(nèi)混凝土澆筑困難。此時(shí)，可采用設(shè)置鋼外環(huán)箍來解決。
2）鋼梁與鋼管混凝土疊合柱的連接構(gòu)造
疊合柱與鋼梁連接時(shí)如何處理呢？這和型鋼混凝柱與鋼梁連接情況類似，最主要的問題是解決柱縱筋穿鋼梁翼緣板。
首先，盡量將鋼梁翼緣寬度控制在300mm，此時(shí)，在鋼梁翼緣寬度范圍內(nèi)只有一根柱縱筋通過。通過調(diào)整縱筋排布，使這根縱筋正對(duì)鋼梁腹板。
正對(duì)腹板的柱縱筋在遇到鋼梁時(shí)截?cái)�，然后通過鋼筋連接器或構(gòu)造連接板分別連接于鋼梁的上下翼緣 ，于是鋼筋由于被截?cái)喽鴶嚅_的傳力路徑通過鋼梁腹板又有效地連接了起來。
05、疊合柱的未來
相比其他幾種常用的柱截面形式，我們對(duì)疊合柱的認(rèn)識(shí)和研究相對(duì)較淺，從征求意見稿規(guī)范條文，也多少能看到這一點(diǎn)。
但疊合柱并非新生事物，深圳諾德金融中心大廈、深圳卓越皇崗世紀(jì)中心、深圳華潤(rùn)前海中心均采用了疊合柱方案。
目前，我看到或正在做的一些設(shè)計(jì)項(xiàng)目，也逐步采用了疊合柱。未來，疊合柱的使用頻率可能會(huì)逐步提高，尤其結(jié)合裝配式建筑，疊合柱也許有更大的發(fā)展空間。
但這都不是最主要的。
以結(jié)構(gòu)工程師的眼光來看，在提供承載力的時(shí)候，鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱基本算是硬抗，而鋼管混凝土柱和疊合柱卻是在借勢(shì)，疊合柱將這種勢(shì)能發(fā)揮得更加充分。
從防火防腐這個(gè)角度來說，將鋼管裸露在外的鋼管混凝土柱則有些逆勢(shì)。
孫子兵法中講到“求之于勢(shì)，不責(zé)于人”，順勢(shì)而為，是為人處世的大智慧。
精妙的結(jié)構(gòu)，都是懂得借勢(shì)的結(jié)構(gòu)。唯有借勢(shì)，才有四兩撥千斤般地驚嘆，才有建筑與結(jié)構(gòu)的和諧一統(tǒng)。
在柱截面形式中，疊合柱可堪稱借勢(shì)的典范。正因?yàn)榻鑴?shì)，其單位承載力的造價(jià)也基本最低。
這就是為何，在琢磨了各個(gè)柱截面形式之后，我認(rèn)為，疊合柱才是我心目中的真英雄。
