鋼管混凝土柱和型鋼柱在工業(yè)廠房中應(yīng)用對比

劉 香 胡長威 王亞杰

0 引言

隨著加工制造業(yè)飛速發(fā)展，重型及超重型設(shè)備的需求逐年增加，為了滿足超大型設(shè)備的布置以及各種先進生產(chǎn)工藝發(fā)展的需要，促使工業(yè)廠房不斷朝著大跨度、大柱距、大噸位吊車方向發(fā)展。而鋼管混凝土作為一種新興的主要結(jié)構(gòu)，以軸心受壓和偏心受壓構(gòu)件為主的組合結(jié)構(gòu)，在大型工業(yè)廠房的設(shè)計中有其突出的優(yōu)點。而全鋼結(jié)構(gòu)也具有其他結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢，如施工簡便、靈活、綜合性能好、質(zhì)量輕、綠色、環(huán)保、節(jié)能、工業(yè)化程度高。二者在工業(yè)廠房中的應(yīng)用都非常普遍，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計時往往難以確定應(yīng)該選擇何種方案。

為此，本文以實際工程為背景，專門針對鋼管混凝土方案和H型鋼方案進行了全面的比較。

1 工程概況

本工程廠房全長111 m，跨度36 m，共2跨，采用單層剛架結(jié)構(gòu)，取最大相連間距為15 m和21 m作為計算單元，共8榀剛架，剛架柱頂標(biāo)高17.1 m，屋面坡度為1∶15。牛腿標(biāo)高7.8 m，根據(jù)屋面構(gòu)造及廠房所在地的氣象條件，計算荷載取值:恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值:0.5 kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值:0.5 kN/m2，基本風(fēng)壓:0.55 kN/m2，地面粗糙度為C類，基本雪壓:0.3 kN/m2，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g，吊車工作制為A6，每跨3臺，起重量40 t/10 t，吊車跨度34.0 m，本工程設(shè)計使用年限為50年。荷載分項系數(shù):恒載 1.2，活載 1.4。

2 結(jié)構(gòu)計算分析

2.1 最不利柱列剛架的計算簡圖

剛架計算簡圖見圖1。

2.2 設(shè)計方案說明

本設(shè)計主剛架、吊車梁以規(guī)范[2]來控制剛架柱側(cè)移及吊車梁變形，剛架梁及圍護結(jié)構(gòu)變形符合規(guī)程[1]要求。為了計算結(jié)果的可比性，兩者除下柱截面不同外，其他構(gòu)件截面均相同，同時將柱子強度應(yīng)力比調(diào)至相差不大。分別選取下柱截面為格構(gòu)式焊接H型鋼截面和格構(gòu)式鋼管混凝土截面，并對計算結(jié)果分析比較?？紤]到本工程為不等柱距，本設(shè)計以大柱距作為計算單元，梁分別采用了6段變截面實腹式焊接工字型鋼截面，截面的變化和梁的彎矩包絡(luò)圖一致，目的是節(jié)約鋼材和有效減輕橫梁的自重，也方便橫梁的制作和運輸。

文中將下柱截面的格構(gòu)式焊接H型鋼截面的方案稱為a方案，邊柱和中柱的柱截面分別為2H700×400×10×12和2H650×350×10×12，材料為Q345鋼，肢間距1800 mm。將下柱截面的格構(gòu)式鋼管混凝土截面的方案稱為b方案，雙肢均為2Φ360×8，內(nèi)灌C40混凝土，肢間距1800 mm。

圖1 剛架計算簡圖

2.3 兩種方案的計算

依據(jù)中國建筑科學(xué)研究院的《鋼結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)STS》軟件進行分析，計算結(jié)果見表1。

2.4 數(shù)據(jù)分析

由表1可知，將兩方案下柱強度應(yīng)力比調(diào)至相差3.1%時，對于屋面梁，a方案比b方案應(yīng)力大，強度與穩(wěn)定中兩者起控制作用的一組應(yīng)力相比，最大相差約9.4%。柱頂最大位移均滿足規(guī)范[2]要求，未超過H/500。a方案屋面梁的撓度為81 mm，b方案屋面梁的撓度為85.3 mm，滿足規(guī)范[1]要求，未超過 1/400，二者相差不大。

對a方案，格構(gòu)式H型鋼柱[4]容易將平面外和平面內(nèi)的穩(wěn)定應(yīng)力調(diào)整到一致，能充分發(fā)揮柱子的強度。對b方案，由于鋼管混凝土柱是各向同性，不存在強軸和弱軸之分，平面內(nèi)和平面外的穩(wěn)定應(yīng)力相差很大，沒有充分發(fā)揮材料的強度。

就本例來說，雖然鋼管混凝土柱的強度沒有達到規(guī)范的限值，但是其平面外計算長度略超出文獻[6]的推薦限值。如果將管壁厚度從8 mm減小到6 mm，部分柱子的強度已超出規(guī)范[2]允許的范圍。本文所選斷面已是經(jīng)濟合理的斷面。

表1 鋼結(jié)構(gòu)與鋼管混凝土計算結(jié)果

3 應(yīng)用對比分析

3.1 施工方面

b方案中，由于鋼管混凝土柱鋼管焊接、制作要求較高，同時構(gòu)件制作過程中，鋼管的對接是一個難點。結(jié)構(gòu)要求焊后的管肢要平直，這就需要在焊接時采取相應(yīng)的措施和特別注意焊接的順序以及考慮到焊接變形的影響。

為了確保連接處的焊縫質(zhì)量，在現(xiàn)場拼接時，在管內(nèi)接縫處必須設(shè)置附加襯管。對于格構(gòu)式柱要求柱的肢管和各種腹桿的組裝連接尺寸和角度必須準(zhǔn)確。

總的說來，b方案較a方案的施工難度大，施工工期長，施工質(zhì)量保證困難。

3.2 經(jīng)濟指標(biāo)

由表1可知，a方案耗鋼量較大，其中邊柱耗鋼量為2517 kg，中柱耗鋼量2255.6 kg;b方案的耗鋼量為1361 kg，兩者最大相差46%。從耗鋼量來看，b方案有優(yōu)勢。結(jié)合施工知[4]，雖然制作鋼管時卷管的費用一般高于普通鋼結(jié)構(gòu)的制作費用;螺旋焊管要拍片或者射線檢查，而且灌頂部分需要采用高流動、微膨脹的材料進行二次灌漿;鋼管內(nèi)的混凝土也需要一定的費用，a方案有優(yōu)勢?？紤]防火，鋼管混凝土和普通鋼結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)省防火涂料1/3，隨著鋼管直徑增大，節(jié)約涂料也越多，b方案有優(yōu)勢。綜合上述因素b方案綜合造價小于a方案H型鋼柱的綜合造價。

3.3 剛度和抗震性能

抗震性能是指在動荷載或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。它在壓彎反復(fù)荷載作用下，彎矩曲率滯回曲線表明[3]，結(jié)構(gòu)的吸能性能特別好，無剛度退化，且無下降段，和不喪失局部穩(wěn)定性的鋼柱相同，但在一些建筑中，鋼柱常常要采用很厚的鋼板以確保局部穩(wěn)定性，但還常發(fā)生塑性彎曲后喪失局部穩(wěn)定。由于鋼管和混凝土的泊桑系數(shù)不同，隨著荷載的增加[5]，鋼管由彈性工作狀態(tài)進入塑性工作狀態(tài)，其泊桑系數(shù)由0.283增大到0.5后就保持不變;而混凝土的泊桑系數(shù)大約由0.2增大到0.5以后仍繼續(xù)增大。這時鋼管始終對填入的混凝土產(chǎn)生緊箍力，這樣鋼管和混凝土都處在三向應(yīng)力狀態(tài)下工作，因而抗壓強度和變形能力都得到極大的提高。

由表1可知，左震作用時下邊柱側(cè)移分別為3.6 mm和2.5 mm，相差30.1%，左風(fēng)作用時下邊柱側(cè)移分別為4.7 mm和3.8 mm，相差19%。因此，b方案鋼管混凝土柱相比鋼柱具有很好的剛度和抗震性能。

3.4 耐火性能

b方案中，鋼管混凝土由于核心混凝土的熱容量較高，火災(zāi)發(fā)生時，可以吸收部分熱量，降低鋼材的溫度。實際火災(zāi)事故證明，鋼管混凝土柱在溫度達到1000℃以上時，仍能承受約70%的設(shè)計荷載，說明鋼管混凝土柱在高溫下具有良好的工作性能，因而鋼管混凝土表現(xiàn)出較好的耐火性能。而未加防護的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)溫度的作用下，只需約15 min，自身溫度就可達到540℃以上，此時屈服點抗壓強度、彈性模量以及承載能力等都迅速下降;建筑用鋼Q235，Q345一般在300℃ ～400℃時，其強度下降到40%～50%，達到600℃時強度幾乎等于0。因此，b方案鋼管混凝土柱相比鋼柱具有很好的耐火性能。

4 結(jié)語

與H型鋼柱方案相比，它們各有優(yōu)缺點。雖然鋼管混凝土柱在施工上存在諸多技術(shù)難點仍未得到很好解決。但是，采用鋼管混凝土柱方案時，結(jié)構(gòu)的綜合造價小于采用H型鋼柱的綜合造價，并且從方案比較得出鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)的性能都比鋼結(jié)構(gòu)要好。因此，在進行工業(yè)廠房的設(shè)計時，尤其在大跨度、大柱距、大噸位吊車和承受惡劣環(huán)境下的工業(yè)廠房應(yīng)優(yōu)先選用鋼管混凝土柱方案。

[1]CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]鐘善桐.鋼管混凝土構(gòu)件的動力特性[J].建筑結(jié)構(gòu)，1999(3):86-87.

[4]胡昌亮，李媛萍.鋼管混凝土柱和型鋼柱在廠房中的應(yīng)用比較[J].山西建筑，2009，35(2):86-87.

[5]張浦陽，丁紅巖.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟評價[J].福建建筑，2000(4):29-31.

[6]CECS 28∶90，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程[S].