帶肋方鋼管混凝土柱的經(jīng)濟(jì)性分析

黃義勇，黃 宏

(1.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070;2.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

方鋼管混凝土是在方形鋼管中灌注混凝土而成的組合構(gòu)件，具有承載力高、抗彎剛度大、節(jié)點(diǎn)形式簡單、建筑布局靈活、耐火性能好、制作和施工方便等特點(diǎn)［1］。應(yīng)用在高層建筑和橋墩中的方鋼管混凝土，其截面尺寸一般都比較大，在荷載的作用下管壁較易產(chǎn)生向外的局部鼓曲，這樣就降低了構(gòu)件的承載力。以往的研究結(jié)果表明［2-5］:設(shè)置縱向加勁肋能有效改善鋼管管壁的穩(wěn)定性，增強(qiáng)鋼管對核心混凝土的約束作用，從而提高此類構(gòu)件的極限承載力。

本文擬以濟(jì)南—廣州國家高速公路江西瑞金至尋烏段的K1 493+980塘坊分離式立交橋橋墩為算例，根據(jù)當(dāng)前江西省材料市場供應(yīng)和加工價(jià)格，對鋼筋混凝土、方鋼管混凝土和帶肋方鋼管混凝土橋墩墩柱的工程造價(jià)進(jìn)行了計(jì)算比較，從而對帶肋方鋼管混凝土的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，以期為有關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 設(shè)計(jì)方法

本文帶肋方鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)方法是在江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DB 36/J001—2007《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的基礎(chǔ)上，考慮縱向加勁肋的貢獻(xiàn)，對規(guī)程中方鋼管混凝土柱的承載力計(jì)算公式進(jìn)行必要修正，修正后的計(jì)算公式得到了大量試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果的驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果稍偏于安全［2-3］。

1.1 鋼管寬厚比限值

江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中方鋼管混凝土構(gòu)件鋼管寬厚比限值(B/t)0為

其中，fy為鋼材的屈服強(qiáng)度。當(dāng)方鋼管寬厚比 B/t超過其限值(B/t)0時(shí)，則有必要采取設(shè)置縱向加勁肋的構(gòu)造措施來提高管壁的穩(wěn)定性。

1.2 加勁肋尺寸設(shè)計(jì)

縱向加勁肋尺寸的確定是帶肋方鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)中必須考慮的問題:加勁肋尺寸過小，加勁作用不明顯，不能有效改善管壁的穩(wěn)定性，而加勁肋尺寸過大勢必造成鋼材的浪費(fèi)，所以有必要把加勁肋的尺寸控制在適宜的范圍內(nèi)。同時(shí)本文建議加勁板件的取材宜與鋼管相同，這樣有利于加勁肋的取材和制作。

文獻(xiàn)［2］在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，提出了縱向加勁肋的慣性矩要求計(jì)算公式

其中，ω為子板件的寬度，單肋取為B/2，雙肋取 B/3;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度。當(dāng)加勁肋慣性矩Is不小于設(shè)計(jì)要求值Is，re時(shí)，加勁肋的尺寸才是適宜的。

1.3 軸壓承載力設(shè)計(jì)

江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中方鋼管混凝土軸壓強(qiáng)度承載力Nu的計(jì)算公式為

其中，Asc為方鋼管和混凝土二者的截面面積之和;fsc為方鋼管混凝土的組合軸壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;ξ為約束效應(yīng)系數(shù);As為方鋼管的截面面積;f為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Ac為混凝土的截面面積;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

文獻(xiàn)［2］建議縱向加勁肋對構(gòu)件軸壓承載力的貢獻(xiàn)Astfst可直接加入式(3)中，從而得到帶肋方鋼管混凝土軸壓強(qiáng)度承載力Nuc的計(jì)算公式為

其中，Ast為構(gòu)件橫截面內(nèi)加勁肋的面積之和;fst為加勁肋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

1.4 抗彎承載力設(shè)計(jì)

江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中方鋼管混凝土抗彎承載力Mu的計(jì)算公式為

其中，γm為抗彎承載力計(jì)算系數(shù);Wsc為方鋼管混凝土的截面抗彎模量，Wsc=B3/6;ξ為約束效應(yīng)系數(shù)。

文獻(xiàn)［3］建議縱向加勁肋對構(gòu)件抗彎承載力的貢獻(xiàn)Wstfst可直接加入式(7)中，從而得到帶肋方鋼管混凝土抗彎承載力Muc的計(jì)算公式為

其中，Wst為加勁肋的截面抗彎模量;fst為加勁肋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

1.5 壓彎承載力設(shè)計(jì)

江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》給出了方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的N/Nu－M/Mu相關(guān)方程

對于帶肋方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件，可分別用Nuc和Muc替換相關(guān)方程(10)中Nu和Mu［3］;由此得到帶肋方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的N/Nuc－M/Muc相關(guān)方程為

其中，Nuc為構(gòu)件的軸壓承載力，由式(6)確定;Muc為構(gòu)件的抗彎承載力，由式(9)確定;N為軸壓承載力;M為抗彎承載力;其余參數(shù) a、b、c、d、φ、ηo的確定方法見江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DB 36/J001—2007《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定。

2 設(shè)計(jì)方案

瑞金市境內(nèi)K0+187立交橋是一座采用獨(dú)柱式橋墩的跨線立交橋(濟(jì)南—廣州國家高速公路江西瑞金至尋烏段)，橋型布置見圖1。該橋上部結(jié)構(gòu)形式為13 m+18 m+18 m+13 m的四跨鋼筋混凝土連續(xù)梁，下部橋墩采用獨(dú)柱式橋墩，橋臺(tái)采用樁基接臺(tái)帽，樁基均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

現(xiàn)以①號橋墩墩柱為例，如圖2所示。墩柱高度H=8.5 m，墩柱設(shè)計(jì)荷載為:彎矩 M′=1 530.0 kN·m，軸力N′=3 000.0 kN。以下分別采用鋼筋混凝土、方鋼管混凝土和帶肋方鋼管混凝土三種方案對①號橋墩墩柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的原則是保證三種方案的實(shí)際承載力接近，表1中分別列出了三種設(shè)計(jì)方案的實(shí)際承載力。

圖1 橋型布置(單位:cm，高程單位:m)

方案一:設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土獨(dú)柱式橋墩。墩柱直徑D=1.2 m;鋼筋采用HRB335，鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=300 MPa;混凝土采用 C30，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fc=14.3 MPa。

表1 三種方案的允許承載力比較

圖2 ①號橋墩墩柱(單位:cm)

方案二:設(shè)計(jì)為方鋼管混凝土獨(dú)柱式橋墩。墩柱的截面邊長B=0.65 m，方鋼管壁厚t=14 mm;鋼材采用Q345，鋼材屈服強(qiáng)度fy=345 MPa，鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=310 MPa;混凝土采用C40，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=19.1 MPa;采用噴涂防火涂料的防火措施，防火保護(hù)層厚度取10 mm(耐火極限2 h)。

方案三:設(shè)計(jì)為帶肋方鋼管混凝土獨(dú)柱式橋墩。墩柱的截面邊長B=0.75 m，方鋼管壁厚t=7.5 mm;鋼材采用Q345，鋼材屈服強(qiáng)度fy=345 MPa，鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 f=310 MPa;混凝土采用C40，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=19.1 MPa;采用噴涂防火涂料的防火措施，防火保護(hù)層厚度取10 mm(耐火極限2 h);方鋼管的寬厚比不滿足規(guī)范規(guī)定的寬厚比限值要求，因此在每個(gè)管壁內(nèi)側(cè)中部設(shè)置一條縱向加勁肋，加勁肋的高度hs=150 mm，加勁肋的厚度ts=7.5 mm。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

表2、表3分別列出了①號橋墩墩柱采用鋼筋混凝土、方鋼管混凝土和帶肋方鋼管混凝土柱的材料用量情況。

帶肋方鋼管混凝土柱與方鋼管混凝土柱相比，雖然增加了部分的混凝土和防火涂料的費(fèi)用，但卻節(jié)省了將近40%的鋼材費(fèi)用，因此降低了29%的工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

而帶肋方鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土柱相比，帶肋方鋼管混凝土柱的混凝土費(fèi)用減少了52%，但鋼材費(fèi)用卻提高了88%，且防火涂料費(fèi)用也略比模板費(fèi)用高，所以導(dǎo)致帶肋方鋼管混凝土柱的工程造價(jià)比鋼筋混凝土柱高出35%。

表2 鋼筋混凝土柱的材料用量

表3 方鋼管混凝土柱和帶肋方鋼管混凝土柱的材料數(shù)量

綜上所述，在實(shí)際工程應(yīng)用中，帶肋方鋼管混凝土柱比鋼筋混凝土柱略占優(yōu)勢，尤其是有大量墩柱的工程，帶肋方鋼管混凝土施工方便和縮短工期的優(yōu)勢更為明顯;同時(shí)帶肋方鋼管混凝土橋墩結(jié)構(gòu)輕巧美觀，墩柱截面較小，橋下通視情況好，特別是在橋?qū)捿^大的城市橋和立交橋中，能保證墩身具有較大的強(qiáng)度和剛度。

4 結(jié)論

1)帶肋方鋼管混凝土柱與方鋼管混凝土柱相比，節(jié)省了40%左右的鋼材費(fèi)用，降低了29%的工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2)帶肋方鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土柱相比，混凝土費(fèi)用減少了52%，鋼材費(fèi)用提高了88%，工程造價(jià)高出了35%。

3)帶肋方鋼管混凝土柱具有施工方便和縮短工期的明顯優(yōu)勢，施工工期縮短了一半以上，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，帶肋方鋼管混凝土柱比鋼筋混凝土柱略占優(yōu)勢，綜合效益良好。

［1］韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)—理論與實(shí)踐(第二版)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［2］陶忠，于清.新型組合結(jié)構(gòu)柱—試驗(yàn)、理論與方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［3］王冬曄.帶肋薄壁方鋼管混凝土柱力學(xué)性能研究［D］.福州:福州大學(xué)，2006.

［4］張耀春，陳勇.設(shè)直肋方形薄壁鋼管混凝土短柱的試驗(yàn)研究與有限元分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006，27(5):16-22.

［5］黃宏，李毅，張安哥.帶肋方鋼管混凝土軸壓短柱的試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2009(12):113-115.