鋼管混凝土柱在工業廠房結構中的應用

郭雅莉 王曉明

鋼管混凝土結構(concrete-filled steel tubu1ar structures)是由混凝土填入鋼管內而形成的一種組合結構。早在19世紀80年代,鋼管混凝土結構就已經出現。隨著經濟的快速增長和社會需求的不斷擴大,近年來我國加工制造業也飛速發展,重型及超重型設備的需求逐年增加,與之相應的超大設備加工機械也應運而生,為了滿足超大型設備的布置以及各種先進生產工藝發展的需要,促使工業廠房不斷朝著大跨度、大柱距、大噸位吊車的方向發展。而鋼管混凝土作為一種新興的主要結構,以軸心受壓和作偏心較小的受壓構件為主的組合結構,在大型工業廠房的設計應用中也越來越顯示出其突出的優點。

1 鋼管混凝土柱的特點

1)抗震性能優越、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、經濟性好。

2 鋼管混凝土的相關設計規范

目前國際上主要采用的設計規范有美國的AISC-LRFD(1999年)、英國 BS5400(1979年)、歐洲規范 EC4(1994年)、日本 AJJ(1997年)等。我國到目前為止頒布的有關設計規程主要有:1)國家建筑材料工業局標準JCJ 01-89鋼管混凝土結構設計與施工規程;2)中國工程建設標準化協會標準CECS 28∶90鋼管混凝土結構設計與施工規程;3)國家電力行業標準DL/T 5080-1999鋼—混凝土組合結構設計規程;4)中國工程建設標準化協會標準CECS 159∶2004矩形鋼管混凝土結構技術規程。其中CECS 28∶90,CECS 159∶2004是推薦性行業標準。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構設計的地方標準。

3 工程實例

由于鋼管混凝土柱具有上述的優點,因此,我們在東北某超大規格特種鋁合金板帶材項目壓延車間熱軋、中厚板車間廠房的設計中,首次采用了鋼管混凝土柱的結構形式,并取得了很好的效果。

3.1 工程概況

東北某超大規格特種鋁合金板帶材項目壓延車間熱軋、中厚板車間廠房,建設場地位于哈爾濱市,是該公司的新建項目。主廠房總長408 m,總寬281 m,共分為三個區。其中又以二區最具代表性,該區廠房共三跨,1-F～1-G為熱軋板堆放和軋輥磨床跨,跨度24 m,全區運行一臺200 t天車,一臺32/8 t天車,1-G～1-H跨為熱軋機組主跨,跨度30 m,全區運行一臺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線區間運行一臺80/20天車,1-27～1-36線區間運行一臺32/8 t天車;三跨軌頂標高均為12.5 m;基本柱距12 m,15 m(推進式加熱爐區域),其中在1-H軸由于熱精軋機設備的需要,局部形成一個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廠房的淬火、拉伸、鋸切等各跨進行下一步深加工)的工藝需要,在與三區廠房相接的1-F,1-G軸1-15～1-19線間更是抽出了42 m的柱距;屋面、墻面均為輕質圍護結構。

3.2 選取結構形式

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行和正常使用,長期以來,大多采用鋼筋混凝土或鋼格構式柱+有較大剛度的屋蓋(比如平面桁架加水平支撐結構或空間網架結構上鋪剛性屋面板的屋蓋)的結構形式。但本工程廠房天車噸位較大(最大達200 t),柱距較大(局部柱抽柱達 42 m),廠房高度相對較高(軌頂標高12.5 m),像這樣的廠房,目前在有色金屬加工行業中還是首次碰到,其中的重點在于采用什么樣的柱系統來滿足在這樣大的吊車噸位和柱距情況下的承載要求,同時又是相對經濟合理的。根據經驗,吊車噸位在100 t以上的廠房,已經不適宜采用鋼筋混凝土柱,而傳統的普通鋼格構式柱,在目前的情況下,其鋼量也將會相當的可觀,基于此工程的實際情況以及結合工藝、建筑的要求和需要,經過初步的分析和比較,我們決定將廠房采用鉸接排架結構:屋面為上承式平行弦鋼屋架加水平支撐結構;上柱采用實腹式焊接鋼柱,下柱采用(雙肢)格構式鋼管混凝土柱;鋼吊車梁系統。

3.3 截面形式及計算

鋼管混凝土結構按照截面形式的不同可以分為圓鋼管混凝土結構、矩形鋼管混凝土結構和多邊形鋼管混凝土結構等,其中矩形和圓鋼管混凝土結構應用最廣。考慮到圓形鋼管混凝土柱的強度等指標的各向同性以及工業廠房的特點,本廠房采用了圓鋼管混凝土。對于廠房排架的計算,我們采用的是由中國建筑科學研究院編制的鋼結構CAD設計軟件STS,從其技術條件可知,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標準化協會標準CECS 28∶90鋼管混凝土結構設計與施工規程(以下簡稱《規程》)計算的,而此規程也專指圓形鋼管混凝土結構。因此本廠房鋼管混凝土柱的計算主要是依照《規程》,采用STS進行設計計算的。

我們知道,單層工業廠房的柱屬于偏心受壓構件,為了充分發揮鋼管混凝土結構的特點,一般情況下柱子都設計成格構式組合柱,把偏心彎矩轉變為軸向力。本廠房均采用雙肢格構柱、斜腹桿體系(腹桿為空鋼管)。《規程》規定對此類柱應分單肢承載力和整體承載力兩種情況進行計算。

程序對于格構柱的單肢承載力計算,首先按桁架確定其單肢的軸向力,再分別對壓肢和拉肢進行承載力計算。拉肢承載力按鋼結構拉桿計算,不考慮混凝土的抗拉強度;壓肢的承載力和單肢柱計算相同,其長度在桁架平面內取柱節間長度,在垂直于桁架平面方向取其側向支撐點的間距。

程序對單肢和整體承載力以及腹桿(綴件)的計算均按CECS 28∶90規程第四章中的相應公式進行。

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。經過計算,其軸向力達6 038 kN,但柱整體承載力僅0.4(應力比),左、右兩肢單肢最大應力分別為111.4 N/mm2,95.0 N/mm2,斜向綴條最大應力為94.96 N/mm2;吊車梁頂(下柱柱頂)最大水平位移僅1.2 mm。可以明顯看出,雖然柱截面相對較小而荷載效應較大,但整個柱仍處于較低的應力狀態,充分說明了鋼管混凝土承載力高的特點。

關于鋼管柱的剛度,CECS 28∶90規程采用的是簡單的疊加法計算其軸向剛度及抗彎剛度。但考慮到構件受彎時混凝土開裂的可能,應對混凝土部分的抗彎剛度適當折減。可參考福建省工程標準DBJ 13-51-2003鋼管混凝土結構技術規程,其彈性抗彎剛度計算公式為: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算方向的截面慣性矩;系數&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于矩形鋼管。

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

4 需要完善的問題

1)我國尚未制定有關鋼管混凝土結構防火設計方面的規定,在某種程度上制約了該類結構的推廣應用。對于已經建成的鋼管混凝土結構,有的采用鋼筋混凝土結構的要求外包混凝土,有的按照鋼結構的要求涂防火材料(可能偏于保守造成浪費),缺乏科學性和統一性。因此,在理論研究和工程實踐的基礎上,應盡快編制適合我國國情的鋼管混凝土結構防火規范。

2)具有優越的抗震性能是鋼管混凝土的重要特點,為合理而安全地在地震區推廣這類結構,必須深入進行動力性能研究。但目前國內外對鋼管混凝土的動力性能研究基本上只限于試驗研究,尚沒有提供可供規范使用的計算理論和設計公式;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研究為主,尚缺乏合理的設計方法上。

3)實際使用的鋼管往往由鋼板焊接而成,焊接殘余應力對鋼管混凝土構件性能的影響較大,當管壁較薄時更為突出,且在施工中,內填混凝土澆筑前鋼管也有相當的初應力。因此關于殘余應力和初應力對結構性能的影響,仍需要深入和系統的研究。

4)鋼管混凝土在澆灌混凝土時,尤其對于大管徑鋼管水化熱較難擴散,導致中心局部溫度較高引起溫度應力。溫度應力對大管徑鋼管混凝土結構承載力的影響也有待研究。

[1] CECS 28∶90,鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].