钢管混凝土结构在大型工业厂房中的应用与探讨-建筑论文发表

摘要: 钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构，由于它使混凝土和钢材两种材料的优点得到了更为充分和合理的发挥，因而有着良好的受力性能和施工性能。本文结合工程实例，阐述了钢管混凝土结构的特点，对了钢管混凝土柱设计中的几个要点进行探讨。

关键词: 钢管混凝土柱 工业厂房 设计

1．引言

钢管混凝土结构（concrete-filled steel tubu1ar structures）是由混凝土填入钢管内而形成的一种组合结构。而钢管混凝土作为一种新兴的主要以轴心受压和偏心较小的受压构件为主的组合结构，在大型工业厂房的设计应用中也越来越显示出其突出的优点。

2．工程概况

东北某项目压延车间主厂房总长408m，共三跨，1-F~1-G跨度24m，全区运行一台200t天车, 一台32/8t天车， 1-G~1-H跨跨度30m，全区运行一台100/20天车，两台32/8t天车；1-H~1-J跨跨度27m，在1-1~1-27线区间运行一台80/20t天车，1-27~1-36线区间运行一台32/8t天车；三跨轨顶标高均为12.5m；基本柱距12、15m。

3．钢管混凝土结构的特点

钢管混凝土结构有着良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面：

3.1承载力高

在钢管内填充混凝土后，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，可延缓其受压时的纵向开裂，从而提高了混凝土的抗压强度；而内部的混凝土又可以有效地防止薄壁钢管过早的发生局部屈曲。（如右图）两种材料相互弥补了彼此的缺点，发挥各自的长处，从而使钢管混凝土具有很高的承载能力，研究表明，其承载力一般都高于相应的钢管和混凝土单独承载力之和。

3.2塑性和韧性好，抗震性能优越

钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏。钢管混凝土短柱轴心受压试脸表明，试件压缩到原长的2/3，纵向应变达30%以上时，试件仍有承载力。钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。特别是圆形钢管混凝土柱的强度在任意方向都是相等的，用于抵抗方向不确定的地震作用更加有效。

4．钢管混凝土结构设计的几个要点

钢管混凝土结构厂房排架的计算和通常情况下铰接排架厂房的设计并无根本性的差别。本文下面将结合具体的设计过程尝试说明钢管混凝土柱设计的几个要点。

4.1相关设计规范

我国到目前为止颁布的有关设计规程主要有：① 国家建筑材料工业局标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》（JCJ01-89）；② 中国工程建设标准化协会标准《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS 28：90）；③ 国家电力行业标准《钢-混凝土组合结构设计规程》（DL/T5080-1999）；④ 中国工程建设标准化协会标准《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS 159：2004）。

5.2截面形式及计算

考虑到圆形钢管混凝土柱的强度等指标的各向同性以及工业厂房的特点，本厂房采用了圆钢管混凝土。厂房排架计算采用的是中国建筑科学研究院的钢结构CAD软件STS，从其技术条件可知，该程序对于钢管混凝土及钢管混凝土组合截面系按照CECS 28：90计算的，而此规程也专指圆形钢管混凝土结构。

对于构件刚度，CECS 28：90采用的是简单的叠加法计算其轴向刚度及抗弯刚度。考虑到构件受弯时混凝土开裂的可能，应该对混凝土部分的抗弯刚度适当折减。设计时参考了福建省工程标准《钢管混凝土结构技术规程》（DBJ13-51-2003），对柱的抗弯刚度进行了人工调整和核算。其弹性抗弯刚度计算公式为：

式中： 、  —— 钢材和混凝土的弹性模量；

      、  ——  分别为钢管和混凝土在所计算方向的截面惯性矩

系数 按：对圆形钢管混凝土，取0.8。（对于矩形钢管混凝土，取0.6。理由是圆形钢管对其核心混凝土的约束效果要优于矩形钢管。）

本厂房均采用双肢格构柱、斜腹杆体系（腹杆为空钢管）。《规程》规定对此类柱应分单肢承载力和整体承载力两种情况进行计算。对于格构柱的单肢承载力计算，首先按桁架确定其单肢的轴向力，再分别对压肢和拉肢进行承载力计算。拉肢承载力按钢结构拉杆计算，不考虑混凝土的抗拉强度；压肢的承载力和单肢柱计算相同，其长度在桁架平面内取柱节间长度，在垂直于桁架平面方向取其侧向支撑点的间距单肢和整体承载力以及腹杆（缀件）的计算公式均按《规程》（CECS 28：90）第四章进行。（如下图）

 两柱肢Φ660×10，腹杆Φ244×8，Q235钢，C40混凝土。上图可以看出，柱截面相对较小，但计算表明，虽然其轴向力达6038 KN，但整个柱仍处于较低的应力状态，充分说明了钢管混凝土承载力高的特点。另外其刚度也非常好，在吊车梁顶的位移完全符合相关规范的要求。

5.3柱间支撑形式

因厂房上柱采用的是实腹式焊接钢柱，上柱支撑相应也采用型钢支撑；对于下柱支撑，采用的是双片人字形钢管支撑。因为使用的也是圆钢管，和双肢柱腹杆是一致的，观感上有比较好的效果，施工工艺上也比较统一，而且钢管结构有更好的力学截面性质，更加符合要加大厂房纵向刚度的要求。为了减少支撑各构件连接节点的数量，全部采用了人字形支撑。

柱间支撑是在厂房柱安装好之后才在现场安装的，它和柱的连接做成如右图所示的形式，其一使其安装有调整的余地；其二避免在现场进行圆钢管间的相贯焊接；另一方面也减小了现场施焊对钢管柱的影响。

5.4肩梁的设计

肩梁用以支撑吊车梁和上柱，本工程厂房为轻型屋盖，上柱传来的荷载相对较小，所以均采用单壁式。对于这种双肢格构柱，单壁式肩梁的计算相对简单。计算时，计入上下加强板（平台板和隔板）按工字形截面简支梁计算。为保证上柱传力和肩梁刚度，其高度（参照钢格构柱肩梁的设计）一般取下段柱截面高度的0.4～0.6倍。肩梁腹板一般有穿过柱肢钢管和不穿过柱肢钢管两种形式，本厂房采用的是前者，这种形式能增大柱端的刚度，但应考虑对浇灌管内混凝土的不利影响。计算时为安全计忽略了其与混凝土的粘结力以及肩梁下面对于混凝土的挤压传力，仍只计算焊缝的传力。

5.5局部受压计算

本工程天车吨位较大，其在柱肩梁支座处局部压力也较大。以1-G轴1-19线柱为例（吊车菏载最大处）：箱形吊车梁自重约为2500KN（4个支座承受），吊车最大轮压传至柱肩梁的反力为2951＋1785KN（2个支座承受）。每个支座处承受的局部压力约为：F= 4065.2KN。

钢管混凝土的局部受压公式：

式中：  —— 轴向压力设计值

      —— 钢管混凝土在局部受压下的承载力设计值

       —— 局部受压面积

       —— 钢管混凝土的局部受压强度提高系数，大于3时取等于3

       —— 钢管混凝土的套箍系数

      —— 钢管的横截面面积

      —— 钢管的抗拉、抗压强度设计值

      —— 钢管内混凝土的横截面面积

      —— 混凝土的抗压强度

对于该柱，柱肢钢管Φ813×12，Q235钢，C40混凝土，局部受压范围约600×600㎜。计算如下：

     = 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

从计算结果可以看出，由于套箍效应局部受压强度提高系数的作用，钢管混凝土的局部抗压能力非常高，可以轻松满足大型厂房大重载天车的要求。

6．结语

钢管混凝土结构不仅在材料（钢或混凝土）用量、施工速度等来看，其经济性、综合效益等有着较明显的优势，而且在厂房内部的观感上也有更好的效果。在大型工业厂房的结构设计中，钢管混凝土结构确实是一种非常好的方案。与钢筋混凝土结构和钢结构相比，钢管混凝土结构是一种相对年轻的结构形式，但由于其本身固有的优越性能，在近年来的实际工程中愈发显示出其显著的优势，发挥越来越大的作用，值得推广应用。

[参考文献]：

[1]  钟善桐《钢管混凝土结构》(第3版) 北京:清华大学出版社.2003.

[2]  韩林海,杨有福《现代钢管混凝土结构技术》北京:中国建筑工业出版社.2004.

[3]  刘坚,周东华,王文达等《钢与混凝土组合结构设计原理》北京:科学出版社.2005.