鋼管混凝土格構(gòu)柱性能指標(biāo)及應(yīng)用

王利敏，董先鋒，楊凱南

（中國(guó)聯(lián)合工程公司，杭州 310052）

鋼管混凝土格構(gòu)柱性能指標(biāo)及應(yīng)用

王利敏，董先鋒，楊凱南

（中國(guó)聯(lián)合工程公司，杭州 310052）

分析鋼材和混凝土的受力性能，介紹鋼管混凝土柱的受力特點(diǎn)、計(jì)算指標(biāo)、鋼管混凝土格構(gòu)柱的承載力和抗側(cè)剛度。通過(guò)大跨度廠(chǎng)房和超重型鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房鋼管混凝土格構(gòu)柱的應(yīng)用，總結(jié)鋼管混凝土格構(gòu)柱在這兩類(lèi)廠(chǎng)房中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。

鋼管混凝土格構(gòu)柱；承載力；抗側(cè)剛度；經(jīng)濟(jì)性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.002

1　引言

鋼管混凝土是在鋼管內(nèi)填充普通混凝土而形成的組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)圓形鋼管對(duì)核心混凝土形成的套箍作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而大大提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性[1]。鋼管混凝土格構(gòu)柱柱肢以軸心受力為主，能充分發(fā)揮鋼管混凝土軸心受力承載力大的特點(diǎn)。隨著鋼管混凝土技術(shù)的發(fā)展，理論體系的完善以及計(jì)算軟件的應(yīng)用，鋼管混凝土格構(gòu)柱越來(lái)越多地應(yīng)用于大跨度和超重型廠(chǎng)房中。

2　鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)指標(biāo)

以圓管為例，按福建省《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T13-51—2010)，鋼管混凝土截面的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算公式如下[2]。

1）混凝土組合軸壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fsc為：

3）管混凝土組合軸壓剛度為：

4）管混凝土組合彈性抗彎剛度為：

5）管混凝土組合彈性剪切剛度為：

式（1）～式（7）中，fc為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；f為鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；為構(gòu)件截面的約束效應(yīng)系數(shù)設(shè)計(jì)值為構(gòu)件截面含鋼率；As，Ac分別為鋼管和混凝土的橫截面面積；Esc為鋼管混凝土組合軸壓彈性模量；Asc為鋼管混凝土構(gòu)件的組合截面面積；Es，Ec為鋼材和混凝土的彈性模量；Is，Ic為鋼材和混凝土的截面慣性矩；為混凝土剛度折減系數(shù)，圓鋼管混凝土=0.8；Gsc為鋼管混凝土的組合彈性剪切模量。

表1　D500mm12mm（C40）鋼管混凝土柱截面指標(biāo)計(jì)算

表1　D500mm12mm（C40）鋼管混凝土柱截面指標(biāo)計(jì)算

鋼管直徑D/mm鋼管壁厚t/mm鋼材fy/(N/mm2)混凝土fc/(N/mm2)鋼材彈性模量Es/(N/mm2)混凝土彈性模量Ec/(N/mm2)鋼管截面面積As/mm2500　12　310　19.1　206 000　32 500　18 397.17混凝土截面面積Ac/mm2截面面積Asc/mm2鋼管截面慣性矩Is/mm4混凝土截面慣性矩Ic/mm4截面含鋼率αs約束效應(yīng)系數(shù)ζ0混凝土剛度折減系數(shù)α 177 952.37　196 349.54　547 978 004　2 519 983 572　0.103　1.68　0.8組合軸壓彈性模量Esc/(N/mm2)組合彈性剪切模量Gsc/(N/mm2)組合軸壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)fsc/(kN/mm2)組合剪切強(qiáng)度設(shè)計(jì)值τsc/(N/mm2)組合軸壓剛度EA組合彈性抗彎剛度EI組合彈性剪切剛度GA 45 865　15 442　54.46　24.73　9 005 571 691　1.78×1014　3 032 029 610

3　鋼管混凝土格構(gòu)柱受力特點(diǎn)

鋼管混凝土格構(gòu)柱有斜腹桿格構(gòu)柱和平腹桿格構(gòu)柱。斜腹桿格構(gòu)柱按平面桁架進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，確定單肢柱的軸向力，按軸心受力構(gòu)件進(jìn)行承載力計(jì)算。平腹桿格構(gòu)柱可視為多層框架，參與結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。重型工業(yè)廠(chǎng)房主要利用鋼管混凝土柱軸心受力的優(yōu)勢(shì)，采用斜腹桿格構(gòu)柱，根據(jù)荷載的大小，建筑高度等情況采用雙肢柱、三肢柱和四肢柱，三肢柱、四肢柱的短向二肢柱采用平腹桿格構(gòu)柱、可按軸心受力平腹桿格構(gòu)柱計(jì)算。

4　鋼管混凝土格構(gòu)柱承載力計(jì)算及抗側(cè)剛度

鋼管混凝土格構(gòu)柱承載力計(jì)算可分為單肢承載力計(jì)算和整體承載力計(jì)算。

1）肢鋼管混凝土軸心受力構(gòu)件承載力

式中，N為軸向力設(shè)計(jì)值；Nu為鋼管混凝土構(gòu)件的抗壓承載力設(shè)計(jì)值；Nt為鋼管混凝土構(gòu)件的抗拉承載力設(shè)計(jì)值；為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。

假定上例格構(gòu)柱節(jié)間距為2.5m，單肢鋼管柱與鋼管混凝土柱軸心受力承載力計(jì)算如表2。

表2　D500mm12mm（C40）單肢鋼管混凝土柱與D500m?12mm單肢鋼管柱承載力計(jì)算

表2　D500mm12mm（C40）單肢鋼管混凝土柱與D500m?12mm單肢鋼管柱承載力計(jì)算

鋼管直徑D/mm鋼管壁厚t/mm截面回轉(zhuǎn)半徑i/mm長(zhǎng)細(xì)比λ節(jié)間距l(xiāng)/mm穩(wěn)定系數(shù)φx(查表)受壓承載力設(shè)計(jì)值Nu/kN受拉承載力設(shè)計(jì)值Nt/kN鋼管混凝土柱與鋼柱受壓承載力之比鋼管混凝土柱　500　12　2500　3 067 961 576　20.00　0.968　10 351.69　6273.43　1.29鋼管柱　500　12　2500　172.59　17.55　0.977　5571.95　4847.65　1.86鋼管直徑D/mm鋼管壁厚t/mm節(jié)間距l(xiāng)/mm鋼管截面慣性矩I/mm4長(zhǎng)細(xì)比λ穩(wěn)定系數(shù)φx(查表)受壓承載力設(shè)計(jì)值Nu/kN受拉承載力設(shè)計(jì)值Nt/kN鋼管混凝土柱與鋼柱受拉承載力之比

2）構(gòu)式鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件承載力

假設(shè)四管格構(gòu)柱長(zhǎng)向?yàn)樾备箺U，短向?yàn)槠礁箺U，則

按本文所述柱肢參數(shù)，雙肢柱間距1.2m，柱高26.1m，計(jì)算雙肢柱受壓承載力如表3。

從上述計(jì)算結(jié)果看出，無(wú)論單肢柱還是格構(gòu)柱，鋼管內(nèi)充填混凝土后，受壓承載力都有大幅度的提高。

3)格構(gòu)式鋼管混凝土柱抗側(cè)剛度

鋼管混凝土柱的抗側(cè)剛度計(jì)算公式為:

公式（13）表示，鋼管內(nèi)混凝土對(duì)抗側(cè)剛度有貢獻(xiàn)，且工程實(shí)踐證明，鋼管混凝土格構(gòu)柱比鋼管格構(gòu)柱抗側(cè)剛度有明顯提高。例如：?jiǎn)慰鐒偧芸缍?9m，高度35.2m，下柱高度26.1m，上柱高度9.1m，下柱D500mm12mm（C40）斜腹桿四肢柱，截面高度方向柱肢間距2.5m，短向柱肢間距1.2m，節(jié)間數(shù)9，上柱截面H1200mm550mm25mm28mm，上層300t吊車(chē)，下層吊車(chē)75t，基本風(fēng)壓0.6kN/m2，經(jīng)PKPM軟件STS模塊計(jì)算，得出剛架風(fēng)荷載作用下側(cè)移1/1189，吊車(chē)荷載下肩梁處側(cè)移1/1320，將鋼管混凝土格構(gòu)柱鋼管內(nèi)混凝土改為空腹鋼管，計(jì)算得出剛架風(fēng)荷載作用下側(cè)移1/561，吊車(chē)荷載下肩梁處側(cè)移1/583，可見(jiàn)鋼管混凝土格構(gòu)柱較鋼管柱抗側(cè)能力明顯提高。

表3　D500mm12mm（C40）雙肢鋼管混凝土格構(gòu)柱與 D500mm12mm雙肢鋼管格構(gòu)柱承載力計(jì)算

表3　D500mm12mm（C40）雙肢鋼管混凝土格構(gòu)柱與 D500mm12mm雙肢鋼管格構(gòu)柱承載力計(jì)算

φ500mm雙管格構(gòu)柱　500　12　26 100　624.33　1 6512.21　41.80　42.52　0.85　9 683.90鋼管直徑D/mm鋼管直徑D/mm鋼管壁厚t/mm計(jì)算長(zhǎng)度ly/mm鋼管截面回轉(zhuǎn)半徑iy/mm平腹桿450mm×12mm的截面面積A1/mm格構(gòu)柱長(zhǎng)細(xì)比λy雙肢柱換算長(zhǎng)細(xì)比λ0y穩(wěn)定系數(shù)φy(查表)受壓承載力設(shè)計(jì)值Nu/kN φ500mm鋼管混凝土雙管格構(gòu)柱　1200　20.00　7.75　2.53　1.11　1.82鋼管壁厚t/mm計(jì)算長(zhǎng)度ly/mm受壓承載力設(shè)計(jì)值Nu/kN 500　12　26 100　612.88　154.91　42.59　52.17　0.83　17 666.31柱肢短向間距h/mm組合截面回轉(zhuǎn)半徑iy/mm平腹桿450mm×12mm的回轉(zhuǎn)半徑i/mm格構(gòu)柱長(zhǎng)細(xì)比λy雙肢柱換算長(zhǎng)細(xì)比λ0y穩(wěn)定系數(shù)φy(查表)組合柱單肢長(zhǎng)細(xì)比λ1平腹桿長(zhǎng)細(xì)比λ0組合剛度與鋼管剛度之比αEA單肢鋼管面積As與腹桿面積A1之比α1鋼管混凝土柱與鋼柱受壓承載力之比

5　鋼管混凝土格構(gòu)柱在重型工業(yè)廠(chǎng)房中的應(yīng)用

重型工業(yè)廠(chǎng)房的特點(diǎn)是，吊車(chē)起重量大，廠(chǎng)房高度高，柱距大，雙層吊車(chē)。目前最大吊車(chē)850t，雙臺(tái)吊車(chē)抬吊，起重能力可達(dá)到1700t；廠(chǎng)房柱距15～18m，廠(chǎng)房高度可達(dá)30～40m，廠(chǎng)房剛架的豎向承載力要求較高，廠(chǎng)房的側(cè)移難以控制，因此要求剛架柱具有較大的承載力和較大的抗側(cè)剛度。鋼管混凝土格構(gòu)柱兼有上述特點(diǎn)，廠(chǎng)房剛架采用鋼管混凝土格構(gòu)柱，單肢鋼管混凝土柱較鋼管柱豎向承載力提高約80%，單肢鋼管混凝土柱較鋼管柱抗側(cè)剛度提高約90%，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且采用鋼管混凝土格構(gòu)柱較普通型鋼格構(gòu)柱節(jié)約鋼材約40%，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。隨著理論體系的完善，鋼管混凝土技術(shù)的發(fā)展，各種智能化、人性化計(jì)算軟件的應(yīng)用，鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)將會(huì)有更好的應(yīng)用前景。

6　結(jié)論

采用鋼管混凝土格構(gòu)柱代替鋼管格構(gòu)柱或普通型鋼格構(gòu)柱，對(duì)于大跨度、大噸位廠(chǎng)房有著明顯的優(yōu)勢(shì)，能充分發(fā)揮鋼和混凝土的各項(xiàng)性能，節(jié)約材料，大大降低建造成本，且鋼管混凝土格構(gòu)柱采用鋼管綴條，節(jié)點(diǎn)采用相貫節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，焊接工作量小，施工方便，既節(jié)省了工程造價(jià)，又加快了施工進(jìn)度，為重型廠(chǎng)房設(shè)計(jì)提供了新的思路。

鋼管混凝土柱在工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題：（1）鋼管混凝土柱主要為軸心受力構(gòu)件，在超重型廠(chǎng)房設(shè)計(jì)中可考慮采用鋼管混凝土格構(gòu)柱，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；（2）雖然豎向荷載不是很大，但如果單跨廠(chǎng)房在跨度較大，高度較高，風(fēng)荷載較大的情況下，宜選用抗側(cè)能力大的鋼管混凝土格構(gòu)柱；（3）鋼管混凝土格構(gòu)柱雖然具有較大的承載力和抗側(cè)剛度，但是綴條構(gòu)件（空腹鋼管）將其形成整體，設(shè)計(jì)時(shí)綴條應(yīng)具有相應(yīng)的截面面積和剛度，保證格構(gòu)柱整體共同工作；（4）三管及以上鋼管混凝土格構(gòu)柱柱頂肩梁受力相對(duì)復(fù)雜，肩梁設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮肩梁受力特點(diǎn)和構(gòu)造要求，做到受力明確，安裝方便，肩梁應(yīng)具有一定的剛度；（5）鋼管混凝土格構(gòu)柱柱腳宜采用插入式，插入深度需滿(mǎn)足抗剪、抗彎、抗沖切要求，且滿(mǎn)足構(gòu)造要求；（6）鋼管混凝土格構(gòu)柱一般較為高大，管內(nèi)混凝土可采用泵送頂升法或高位拋落免振搗法澆筑。無(wú)論采用哪種方式，都應(yīng)采取措施，避免混凝土發(fā)生離析或泌水現(xiàn)象。采用泵送頂升法施工時(shí)應(yīng)控制混凝土沖量，避免在較大沖力作用下肩梁處構(gòu)件破壞。

【1】CSCS28:2012鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【2】DBJ/T13-51-2010鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

The Performance Index and Application of Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns

WANG Li-min,DONG Xian-feng，YANG Kai-nan
(China United Engineering Corporation,Hangzhou 310052,China)

Through the mechanical properties analysis of steel and concrete,the paper not only introd-uces the stress characteristics and the calculation index of the concrete filled steel tubular column,but also discusses the bearing capacity and lateral stiffness of concrete filled steel tubular laced columns.Through the application of concrete filled steel tubular laced columns in plants with large sp-an and super heavy steel type,the economy of the concrete filled steel tubular laced columns in the application of the two kinds of plants is summarized.

concrete filled steel tubular laced columns；bearing capacity；lateral stiffness；economy

TU392.3;TU37

A

1007-9467（2016）05-0022-03

王利敏（1970～），女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，高級(jí)工程師，從事工程設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）wanglm@chinacuc.com。

2015-12-31