鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在大型工業(yè)廠房中的應(yīng)用與探討-建筑論文發(fā)表

摘要: 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)，由于它使混凝土和鋼材兩種材料的優(yōu)點(diǎn)得到了更為充分和合理的發(fā)揮，因而有著良好的受力性能和施工性能。本文結(jié)合工程實(shí)例，闡述了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)了鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)中的幾個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞: 鋼管混凝土柱 工業(yè)廠房 設(shè)計(jì)

1．引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（concrete-filled steel tubu1ar structures）是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種組合結(jié)構(gòu)。而鋼管混凝土作為一種新興的主要以軸心受壓和偏心較小的受壓構(gòu)件為主的組合結(jié)構(gòu)，在大型工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)應(yīng)用中也越來(lái)越顯示出其突出的優(yōu)點(diǎn)。

2．工程概況

東北某項(xiàng)目壓延車間主廠房總長(zhǎng)408m，共三跨，1-F~1-G跨度24m，全區(qū)運(yùn)行一臺(tái)200t天車, 一臺(tái)32/8t天車， 1-G~1-H跨跨度30m，全區(qū)運(yùn)行一臺(tái)100/20天車，兩臺(tái)32/8t天車；1-H~1-J跨跨度27m，在1-1~1-27線區(qū)間運(yùn)行一臺(tái)80/20t天車，1-27~1-36線區(qū)間運(yùn)行一臺(tái)32/8t天車；三跨軌頂標(biāo)高均為12.5m；基本柱距12、15m。

3．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有著良好的受力性能和施工性能，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

3.1承載力高

在鋼管內(nèi)填充混凝土后，鋼管對(duì)其內(nèi)部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可延緩其受壓時(shí)的縱向開(kāi)裂，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度；而內(nèi)部的混凝土又可以有效地防止薄壁鋼管過(guò)早的發(fā)生局部屈曲。（如右圖）兩種材料相互彌補(bǔ)了彼此的缺點(diǎn)，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，從而使鋼管混凝土具有很高的承載能力，研究表明，其承載力一般都高于相應(yīng)的鋼管和混凝土單獨(dú)承載力之和。

3.2塑性和韌性好，抗震性能優(yōu)越

鋼管和混凝土之間的相互作用使鋼管內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐摹ｄ摴芑炷炼讨S心受壓試臉表明，試件壓縮到原長(zhǎng)的2/3，縱向應(yīng)變達(dá)30%以上時(shí)，試件仍有承載力。鋼管混凝土柱的抗震性能也優(yōu)于鋼柱。特別是圓形鋼管混凝土柱的強(qiáng)度在任意方向都是相等的，用于抵抗方向不確定的地震作用更加有效。

4．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)要點(diǎn)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)廠房排架的計(jì)算和通常情況下鉸接排架廠房的設(shè)計(jì)并無(wú)根本性的差別。本文下面將結(jié)合具體的設(shè)計(jì)過(guò)程嘗試說(shuō)明鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)的幾個(gè)要點(diǎn)。

4.1相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范

我國(guó)到目前為止頒布的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程主要有：① 國(guó)家建筑材料工業(yè)局標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JCJ01-89）；② 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS 28：90）；③ 國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T5080-1999）；④ 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 159：2004）。

5.2截面形式及計(jì)算

考慮到圓形鋼管混凝土柱的強(qiáng)度等指標(biāo)的各向同性以及工業(yè)廠房的特點(diǎn)，本廠房采用了圓鋼管混凝土。廠房排架計(jì)算采用的是中國(guó)建筑科學(xué)研究院的鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS，從其技術(shù)條件可知，該程序?qū)τ阡摴芑炷良颁摴芑炷两M合截面系按照CECS 28：90計(jì)算的，而此規(guī)程也專指圓形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

對(duì)于構(gòu)件剛度，CECS 28：90采用的是簡(jiǎn)單的疊加法計(jì)算其軸向剛度及抗彎剛度?？紤]到構(gòu)件受彎時(shí)混凝土開(kāi)裂的可能，應(yīng)該對(duì)混凝土部分的抗彎剛度適當(dāng)折減。設(shè)計(jì)時(shí)參考了福建省工程標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ13-51-2003），對(duì)柱的抗彎剛度進(jìn)行了人工調(diào)整和核算。其彈性抗彎剛度計(jì)算公式為：

式中： 、  —— 鋼材和混凝土的彈性模量；

      、  ——  分別為鋼管和混凝土在所計(jì)算方向的截面慣性矩

系數(shù) 按：對(duì)圓形鋼管混凝土，取0.8。（對(duì)于矩形鋼管混凝土，取0.6。理由是圓形鋼管對(duì)其核心混凝土的約束效果要優(yōu)于矩形鋼管。）

本廠房均采用雙肢格構(gòu)柱、斜腹桿體系（腹桿為空鋼管）?！兑?guī)程》規(guī)定對(duì)此類柱應(yīng)分單肢承載力和整體承載力兩種情況進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于格構(gòu)柱的單肢承載力計(jì)算，首先按桁架確定其單肢的軸向力，再分別對(duì)壓肢和拉肢進(jìn)行承載力計(jì)算。拉肢承載力按鋼結(jié)構(gòu)拉桿計(jì)算，不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度；壓肢的承載力和單肢柱計(jì)算相同，其長(zhǎng)度在桁架平面內(nèi)取柱節(jié)間長(zhǎng)度，在垂直于桁架平面方向取其側(cè)向支撐點(diǎn)的間距單肢和整體承載力以及腹桿（綴件）的計(jì)算公式均按《規(guī)程》（CECS 28：90）第四章進(jìn)行。（如下圖）

 兩柱肢Φ660×10，腹桿Φ244×8，Q235鋼，C40混凝土。上圖可以看出，柱截面相對(duì)較小，但計(jì)算表明，雖然其軸向力達(dá)6038 KN，但整個(gè)柱仍處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，充分說(shuō)明了鋼管混凝土承載力高的特點(diǎn)。另外其剛度也非常好，在吊車梁頂?shù)奈灰仆耆舷嚓P(guān)規(guī)范的要求。

5.3柱間支撐形式

因廠房上柱采用的是實(shí)腹式焊接鋼柱，上柱支撐相應(yīng)也采用型鋼支撐；對(duì)于下柱支撐，采用的是雙片人字形鋼管支撐。因?yàn)槭褂玫囊彩菆A鋼管，和雙肢柱腹桿是一致的，觀感上有比較好的效果，施工工藝上也比較統(tǒng)一，而且鋼管結(jié)構(gòu)有更好的力學(xué)截面性質(zhì)，更加符合要加大廠房縱向剛度的要求。為了減少支撐各構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，全部采用了人字形支撐。

柱間支撐是在廠房柱安裝好之后才在現(xiàn)場(chǎng)安裝的，它和柱的連接做成如右圖所示的形式，其一使其安裝有調(diào)整的余地；其二避免在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行圓鋼管間的相貫焊接；另一方面也減小了現(xiàn)場(chǎng)施焊對(duì)鋼管柱的影響。

5.4肩梁的設(shè)計(jì)

肩梁用以支撐吊車梁和上柱，本工程廠房為輕型屋蓋，上柱傳來(lái)的荷載相對(duì)較小，所以均采用單壁式。對(duì)于這種雙肢格構(gòu)柱，單壁式肩梁的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。計(jì)算時(shí)，計(jì)入上下加強(qiáng)板（平臺(tái)板和隔板）按工字形截面簡(jiǎn)支梁計(jì)算。為保證上柱傳力和肩梁剛度，其高度（參照鋼格構(gòu)柱肩梁的設(shè)計(jì)）一般取下段柱截面高度的0.4～0.6倍。肩梁腹板一般有穿過(guò)柱肢鋼管和不穿過(guò)柱肢鋼管兩種形式，本廠房采用的是前者，這種形式能增大柱端的剛度，但應(yīng)考慮對(duì)澆灌管內(nèi)混凝土的不利影響。計(jì)算時(shí)為安全計(jì)忽略了其與混凝土的粘結(jié)力以及肩梁下面對(duì)于混凝土的擠壓傳力，仍只計(jì)算焊縫的傳力。

5.5局部受壓計(jì)算

本工程天車噸位較大，其在柱肩梁支座處局部壓力也較大。以1-G軸1-19線柱為例（吊車菏載最大處）：箱形吊車梁自重約為2500KN（4個(gè)支座承受），吊車最大輪壓傳至柱肩梁的反力為2951＋1785KN（2個(gè)支座承受）。每個(gè)支座處承受的局部壓力約為：F= 4065.2KN。

鋼管混凝土的局部受壓公式：

式中：  —— 軸向壓力設(shè)計(jì)值

      —— 鋼管混凝土在局部受壓下的承載力設(shè)計(jì)值

       —— 局部受壓面積

       —— 鋼管混凝土的局部受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，大于3時(shí)取等于3

       —— 鋼管混凝土的套箍系數(shù)

      —— 鋼管的橫截面面積

      —— 鋼管的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

      —— 鋼管內(nèi)混凝土的橫截面面積

      —— 混凝土的抗壓強(qiáng)度

對(duì)于該柱，柱肢鋼管Φ813×12，Q235鋼，C40混凝土，局部受壓范圍約600×600㎜。計(jì)算如下：

     = 488926.8 mm² ； = 30197 mm² ； = 360000 mm²

=1.16 ；

= 215×30197 / 19.1×488926.8 = 0.695

  = 19.1×360000（1+ +0.695）×1.16

       = 20169 KN  > F

從計(jì)算結(jié)果可以看出，由于套箍效應(yīng)局部受壓強(qiáng)度提高系數(shù)的作用，鋼管混凝土的局部抗壓能力非常高，可以輕松滿足大型廠房大重載天車的要求。

6．結(jié)語(yǔ)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不僅在材料（鋼或混凝土）用量、施工速度等來(lái)看，其經(jīng)濟(jì)性、綜合效益等有著較明顯的優(yōu)勢(shì)，而且在廠房?jī)?nèi)部的觀感上也有更好的效果。在大型工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)確實(shí)是一種非常好的方案。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種相對(duì)年輕的結(jié)構(gòu)形式，但由于其本身固有的優(yōu)越性能，在近年來(lái)的實(shí)際工程中愈發(fā)顯示出其顯著的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮越來(lái)越大的作用，值得推廣應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]：

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