鋼管混凝土柱在工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

郭雅莉 王曉明

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(concrete-filled steel tubu1ar structures)是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種組合結(jié)構(gòu)。早在19世紀(jì)80年代,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就已經(jīng)出現(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長和社會需求的不斷擴(kuò)大,近年來我國加工制造業(yè)也飛速發(fā)展,重型及超重型設(shè)備的需求逐年增加,與之相應(yīng)的超大設(shè)備加工機(jī)械也應(yīng)運(yùn)而生,為了滿足超大型設(shè)備的布置以及各種先進(jìn)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、大噸位吊車的方向發(fā)展。而鋼管混凝土作為一種新興的主要結(jié)構(gòu),以軸心受壓和作偏心較小的受壓構(gòu)件為主的組合結(jié)構(gòu),在大型工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)應(yīng)用中也越來越顯示出其突出的優(yōu)點(diǎn)。

1 鋼管混凝土柱的特點(diǎn)

1)抗震性能優(yōu)越、承載力高、延性好。2)耐火性能較好。3)施工方便,工期大大縮短。4)成本低、經(jīng)濟(jì)性好。

2 鋼管混凝土的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范

目前國際上主要采用的設(shè)計(jì)規(guī)范有美國的AISC-LRFD(1999年)、英國 BS5400(1979年)、歐洲規(guī)范 EC4(1994年)、日本 AJJ(1997年)等。我國到目前為止頒布的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程主要有:1)國家建筑材料工業(yè)局標(biāo)準(zhǔn)JCJ 01-89鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程;2)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 28∶90鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程;3)國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5080-1999鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程;4)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 159∶2004矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程。其中CECS 28∶90,CECS 159∶2004是推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另外,福建、上海、天津等地也相繼頒布了針對或包含鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的地方標(biāo)準(zhǔn)。

3 工程實(shí)例

由于鋼管混凝土柱具有上述的優(yōu)點(diǎn),因此,我們在東北某超大規(guī)格特種鋁合金板帶材項(xiàng)目壓延車間熱軋、中厚板車間廠房的設(shè)計(jì)中,首次采用了鋼管混凝土柱的結(jié)構(gòu)形式,并取得了很好的效果。

3.1 工程概況

東北某超大規(guī)格特種鋁合金板帶材項(xiàng)目壓延車間熱軋、中厚板車間廠房,建設(shè)場地位于哈爾濱市,是該公司的新建項(xiàng)目。主廠房總長408 m,總寬281 m,共分為三個(gè)區(qū)。其中又以二區(qū)最具代表性,該區(qū)廠房共三跨,1-F～1-G為熱軋板堆放和軋輥磨床跨,跨度24 m,全區(qū)運(yùn)行一臺200 t天車,一臺32/8 t天車,1-G～1-H跨為熱軋機(jī)組主跨,跨度30 m,全區(qū)運(yùn)行一臺100/20天車,兩臺32/8 t天車;1-H～1-J跨為加熱爐和熱軋附跨,跨度27 m,在1-1～1-27線區(qū)間運(yùn)行一臺80/20天車,1-27～1-36線區(qū)間運(yùn)行一臺32/8 t天車;三跨軌頂標(biāo)高均為12.5 m;基本柱距12 m,15 m(推進(jìn)式加熱爐區(qū)域),其中在1-H軸由于熱精軋機(jī)設(shè)備的需要,局部形成一個(gè)24 m抽柱,最為特別的是由于要滿足長度30余米的熱軋中厚板橫向過跨(需將板材輸送到位于三區(qū)廠房的淬火、拉伸、鋸切等各跨進(jìn)行下一步深加工)的工藝需要,在與三區(qū)廠房相接的1-F,1-G軸1-15～1-19線間更是抽出了42 m的柱距;屋面、墻面均為輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.2 選取結(jié)構(gòu)形式

對于大跨度、大柱距、重噸位吊車的高大廠房,為保證吊車的安全運(yùn)行和正常使用,長期以來,大多采用鋼筋混凝土或鋼格構(gòu)式柱+有較大剛度的屋蓋(比如平面桁架加水平支撐結(jié)構(gòu)或空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上鋪剛性屋面板的屋蓋)的結(jié)構(gòu)形式。但本工程廠房天車噸位較大(最大達(dá)200 t),柱距較大(局部柱抽柱達(dá) 42 m),廠房高度相對較高(軌頂標(biāo)高12.5 m),像這樣的廠房,目前在有色金屬加工行業(yè)中還是首次碰到,其中的重點(diǎn)在于采用什么樣的柱系統(tǒng)來滿足在這樣大的吊車噸位和柱距情況下的承載要求,同時(shí)又是相對經(jīng)濟(jì)合理的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),吊車噸位在100 t以上的廠房,已經(jīng)不適宜采用鋼筋混凝土柱,而傳統(tǒng)的普通鋼格構(gòu)式柱,在目前的情況下,其鋼量也將會相當(dāng)?shù)目捎^,基于此工程的實(shí)際情況以及結(jié)合工藝、建筑的要求和需要,經(jīng)過初步的分析和比較,我們決定將廠房采用鉸接排架結(jié)構(gòu):屋面為上承式平行弦鋼屋架加水平支撐結(jié)構(gòu);上柱采用實(shí)腹式焊接鋼柱,下柱采用(雙肢)格構(gòu)式鋼管混凝土柱;鋼吊車梁系統(tǒng)。

3.3 截面形式及計(jì)算

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)按照截面形式的不同可以分為圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和多邊形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等,其中矩形和圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣?？紤]到圓形鋼管混凝土柱的強(qiáng)度等指標(biāo)的各向同性以及工業(yè)廠房的特點(diǎn),本廠房采用了圓鋼管混凝土。對于廠房排架的計(jì)算,我們采用的是由中國建筑科學(xué)研究院編制的鋼結(jié)構(gòu)CAD設(shè)計(jì)軟件STS,從其技術(shù)條件可知,該軟件對于鋼管混凝土及鋼管混凝土組合截面系按照中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 28∶90鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程(以下簡稱《規(guī)程》)計(jì)算的,而此規(guī)程也專指圓形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。因此本廠房鋼管混凝土柱的計(jì)算主要是依照《規(guī)程》,采用STS進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的。

我們知道,單層工業(yè)廠房的柱屬于偏心受壓構(gòu)件,為了充分發(fā)揮鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),一般情況下柱子都設(shè)計(jì)成格構(gòu)式組合柱,把偏心彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向力。本廠房均采用雙肢格構(gòu)柱、斜腹桿體系(腹桿為空鋼管)?！兑?guī)程》規(guī)定對此類柱應(yīng)分單肢承載力和整體承載力兩種情況進(jìn)行計(jì)算。

程序?qū)τ诟駱?gòu)柱的單肢承載力計(jì)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(jìn)行承載力計(jì)算。拉肢承載力按鋼結(jié)構(gòu)拉桿計(jì)算,不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度;壓肢的承載力和單肢柱計(jì)算相同,其長度在桁架平面內(nèi)取柱節(jié)間長度,在垂直于桁架平面方向取其側(cè)向支撐點(diǎn)的間距。

程序?qū)沃驼w承載力以及腹桿(綴件)的計(jì)算均按CECS 28∶90規(guī)程第四章中的相應(yīng)公式進(jìn)行。

以1-G軸1-32線柱(15 m柱距)為例:兩柱肢φ 660×10,腹桿φ 244×8,Q235鋼,C40混凝土。經(jīng)過計(jì)算,其軸向力達(dá)6 038 kN,但柱整體承載力僅0.4(應(yīng)力比),左、右兩肢單肢最大應(yīng)力分別為111.4 N/mm2,95.0 N/mm2,斜向綴條最大應(yīng)力為94.96 N/mm2;吊車梁頂(下柱柱頂)最大水平位移僅1.2 mm?？梢悦黠@看出,雖然柱截面相對較小而荷載效應(yīng)較大,但整個(gè)柱仍處于較低的應(yīng)力狀態(tài),充分說明了鋼管混凝土承載力高的特點(diǎn)。

關(guān)于鋼管柱的剛度,CECS 28∶90規(guī)程采用的是簡單的疊加法計(jì)算其軸向剛度及抗彎剛度。但考慮到構(gòu)件受彎時(shí)混凝土開裂的可能,應(yīng)對混凝土部分的抗彎剛度適當(dāng)折減。可參考福建省工程標(biāo)準(zhǔn)DBJ 13-51-2003鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程,其彈性抗彎剛度計(jì)算公式為:EI=ESIS+&ECIC。其中,ES,EC分別為鋼材和混凝土的彈性模量;IS,IC分別為鋼管和混凝土在所計(jì)算方向的截面慣性矩;系數(shù)&取值采用方法為: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。

經(jīng)過我們的計(jì)算表明,采用鋼管混凝土柱,在其截面取到φ 377～φ 500左右的情況下,就已經(jīng)完全能夠滿足其承載力的要求,且處于較低應(yīng)力的狀態(tài)下。在用鋼量方面,經(jīng)過測算,和普通格構(gòu)式鋼柱相比較,在柱的用鋼量上能夠節(jié)省30%～40%甚至更多的用量,在鋼材價(jià)格居高不下的今天,這一點(diǎn)是非常有利的。

4 需要完善的問題

1)我國尚未制定有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方面的規(guī)定,在某種程度上制約了該類結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。對于已經(jīng)建成的鋼管混凝土結(jié)構(gòu),有的采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要求外包混凝土,有的按照鋼結(jié)構(gòu)的要求涂防火材料(可能偏于保守造成浪費(fèi)),缺乏科學(xué)性和統(tǒng)一性。因此,在理論研究和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡快編制適合我國國情的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)防火規(guī)范。

2)具有優(yōu)越的抗震性能是鋼管混凝土的重要特點(diǎn),為合理而安全地在地震區(qū)推廣這類結(jié)構(gòu),必須深入進(jìn)行動(dòng)力性能研究。但目前國內(nèi)外對鋼管混凝土的動(dòng)力性能研究基本上只限于試驗(yàn)研究,尚沒有提供可供規(guī)范使用的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)公式;而且對鋼管混凝土徐變和疲勞性能的研究大多還處在以試驗(yàn)研究為主,尚缺乏合理的設(shè)計(jì)方法上。

3)實(shí)際使用的鋼管往往由鋼板焊接而成,焊接殘余應(yīng)力對鋼管混凝土構(gòu)件性能的影響較大,當(dāng)管壁較薄時(shí)更為突出,且在施工中,內(nèi)填混凝土澆筑前鋼管也有相當(dāng)?shù)某鯌?yīng)力。因此關(guān)于殘余應(yīng)力和初應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響,仍需要深入和系統(tǒng)的研究。

4)鋼管混凝土在澆灌混凝土?xí)r,尤其對于大管徑鋼管水化熱較難擴(kuò)散,導(dǎo)致中心局部溫度較高引起溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力對大管徑鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承載力的影響也有待研究。

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