鋼管混凝土結構在大型工業(yè)廠房中的應用與探討-建筑論文發(fā)表

摘要: 鋼管混凝土結構是由混凝土填入鋼管內而形成的一種新型組合結構，由于它使混凝土和鋼材兩種材料的優(yōu)點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。本文結合工程實例，闡述了鋼管混凝土結構的特點，對了鋼管混凝土柱設計中的幾個要點進行探討。

關鍵詞: 鋼管混凝土柱 工業(yè)廠房 設計

1．引言

鋼管混凝土結構（concrete-filled steel tubu1ar structures）是由混凝土填入鋼管內而形成的一種組合結構。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件為主的組合結構，在大型工業(yè)廠房的設計應用中也越來越顯示出其突出的優(yōu)點。

2．工程概況

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

3．鋼管混凝土結構的特點

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

3.1承載力高

在鋼管內填充混凝土后，鋼管對其內部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可延緩其受壓時的縱向開裂，從而提高了混凝土的抗壓強度；而內部的混凝土又可以有效地防止薄壁鋼管過早的發(fā)生局部屈曲。（如右圖）兩種材料相互彌補了彼此的缺點，發(fā)揮各自的長處，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的鋼管和混凝土單獨承載力之和。

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部混凝土的破壞由脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐?。鋼管混凝土短柱軸心受壓試臉表明，試件壓縮到原長的2/3，縱向應變達30%以上時，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．鋼管混凝土結構設計的幾個要點

鋼管混凝土結構廠房排架的計算和通常情況下鉸接排架廠房的設計并無根本性的差別。本文下面將結合具體的設計過程嘗試說明鋼管混凝土柱設計的幾個要點。

4.1相關設計規(guī)范

我國到目前為止頒布的有關設計規(guī)程主要有：① 國家建筑材料工業(yè)局標準《鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程》（JCJ01-89）；② 中國工程建設標準化協(xié)會標準《鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程》（CECS 28：90）；③ 國家電力行業(yè)標準《鋼-混凝土組合結構設計規(guī)程》（DL/T5080-1999）；④ 中國工程建設標準化協(xié)會標準《矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程》（CECS 159：2004）。

5.2截面形式及計算

考慮到圓形鋼管混凝土柱的強度等指標的各向同性以及工業(yè)廠房的特點，本廠房采用了圓鋼管混凝土。廠房排架計算采用的是中國建筑科學研究院的鋼結構CAD軟件STS，從其技術條件可知，該程序對于鋼管混凝土及鋼管混凝土組合截面系按照CECS 28：90計算的，而此規(guī)程也專指圓形鋼管混凝土結構。

對于構件剛度，CECS 28：90采用的是簡單的疊加法計算其軸向剛度及抗彎剛度?？紤]到構件受彎時混凝土開裂的可能，應該對混凝土部分的抗彎剛度適當折減。設計時參考了福建省工程標準《鋼管混凝土結構技術規(guī)程》（DBJ13-51-2003），對柱的抗彎剛度進行了人工調整和核算。其彈性抗彎剛度計算公式為：

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算方向的截面慣性矩

系數(shù) 按：對圓形鋼管混凝土，取0.8。（對于矩形鋼管混凝土，取0.6。理由是圓形鋼管對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柱、斜腹桿體系（腹桿為空鋼管）。《規(guī)程》規(guī)定對此類柱應分單肢承載力和整體承載力兩種情況進行計算。對于格構柱的單肢承載力計算，首先按桁架確定其單肢的軸向力，再分別對壓肢和拉肢進行承載力計算。拉肢承載力按鋼結構拉桿計算，不考慮混凝土的抗拉強度；壓肢的承載力和單肢柱計算相同，其長度在桁架平面內取柱節(jié)間長度，在垂直于桁架平面方向取其側向支撐點的間距單肢和整體承載力以及腹桿（綴件）的計算公式均按《規(guī)程》（CECS 28：90）第四章進行。（如下圖）

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

5.3柱間支撐形式

因廠房上柱采用的是實腹式焊接鋼柱，上柱支撐相應也采用型鋼支撐；對于下柱支撐，采用的是雙片人字形鋼管支撐。因為使用的也是圓鋼管，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，而且鋼管結構有更好的力學截面性質，更加符合要加大廠房縱向剛度的要求。為了減少支撐各構件連接節(jié)點的數(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，其一使其安裝有調整的余地；其二避免在現(xiàn)場進行圓鋼管間的相貫焊接；另一方面也減小了現(xiàn)場施焊對鋼管柱的影響。

5.4肩梁的設計

肩梁用以支撐吊車梁和上柱，本工程廠房為輕型屋蓋，上柱傳來的荷載相對較小，所以均采用單壁式。對于這種雙肢格構柱，單壁式肩梁的計算相對簡單。計算時，計入上下加強板（平臺板和隔板）按工字形截面簡支梁計算。為保證上柱傳力和肩梁剛度，其高度（參照鋼格構柱肩梁的設計）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柱肢鋼管和不穿過柱肢鋼管兩種形式，本廠房采用的是前者，這種形式能增大柱端的剛度，但應考慮對澆灌管內混凝土的不利影響。計算時為安全計忽略了其與混凝土的粘結力以及肩梁下面對于混凝土的擠壓傳力，仍只計算焊縫的傳力。

5.5局部受壓計算

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個支座承受），吊車最大輪壓傳至柱肩梁的反力為2951＋1785KN（2個支座承受）。每個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：  —— 軸向壓力設計值

      —— 鋼管混凝土在局部受壓下的承載力設計值

       —— 局部受壓面積

       —— 鋼管混凝土的局部受壓強度提高系數(shù)，大于3時取等于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、抗壓強度設計值

      —— 鋼管內混凝土的橫截面面積

      —— 混凝土的抗壓強度

對于該柱，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

從計算結果可以看出，由于套箍效應局部受壓強度提高系數(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．結語

鋼管混凝土結構不僅在材料（鋼或混凝土）用量、施工速度等來看，其經(jīng)濟性、綜合效益等有著較明顯的優(yōu)勢，而且在廠房內部的觀感上也有更好的效果。在大型工業(yè)廠房的結構設計中，鋼管混凝土結構確實是一種非常好的方案。與鋼筋混凝土結構和鋼結構相比，鋼管混凝土結構是一種相對年輕的結構形式，但由于其本身固有的優(yōu)越性能，在近年來的實際工程中愈發(fā)顯示出其顯著的優(yōu)勢，發(fā)揮越來越大的作用，值得推廣應用。

[參考文獻]：

[1]  鐘善桐《鋼管混凝土結構》(第3版) 北京:清華大學出版社.2003.

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[3]  劉堅,周東華,王文達等《鋼與混凝土組合結構設計原理》北京:科學出版社.2005.