火力發電廠主廠房中鋼管混凝土雙肢柱的肩梁設計方法

東北電力設計院 魏 穎 陳 野 李盛龍

東北電力大學建筑工程學院 曾 聰

鋼管混凝土雙肢柱具有承載能力高，滯回性能好等突出優點，但在我國大型火力發電廠房的設計中應用并不多，究其原因是在重型工業廠房的應用實踐中發現，肩梁是該構件體系的一個薄弱點，雙肢柱的肩梁與汽機房吊車梁的連接處經常會發生較大變形，甚至破壞，肩梁在性能上的缺陷和不確定性成為了制約鋼管混凝土雙肢柱在火力發電廠主廠房中應用的關鍵因素。

圖1 改進型鋼管混凝土單腹板肩梁的構造

對于肩梁設計方法和構造的研究一直是工程技術人員關注的重點，同濟大學沈祖炎等[1]1997年首先把鋼管混凝土肩梁作為一個專門的研究課題，針對其極限承載力和剛度問題進行了研究。1998年西安建筑科技大學于安林等[2]通過試驗研究和理論分析，提出了鋼管混凝土雙肢柱單腹板肩梁的構造和設計方法。近年來，為了克服肩梁與吊車梁在連接構造上的缺陷，并滿足重型工業廠房的需求，蘇明周等[3]在2010提出了一種改進型的鋼管混凝土單腹板肩梁雙肢柱體系，從試驗角度對該體系的承載力和破壞模式進行了研究，之后董振平[4]又在其博士論文中對該構件體系中肩梁的受力性能和承載力計算方法進行更深入了研究。證明這種改進型單腹板肩梁是有效可行的，本文介紹了這種構件體系的構造、破壞模式和設計公式，并提出了將改進型單腹板肩梁鋼管混凝土雙肢柱構件體系用于火力發電廠主廠房排架柱的設計中的具體方法和設計建議，對于該構件體系在火力發電廠主廠房結構設計中的推廣和應用具有重要的理論意義和實用價值。

圖2 肩梁計算簡圖

1.改進型鋼管混凝土單腹板肩梁的構造

火力發電廠汽機房的排架柱構件的制造與一般民用建筑不同，一般都是采用工廠預制，現場安裝。雙肢鋼管混凝土排架柱的施工工序一般是先將基礎鋼筋綁扎完成后，對兩個柱肢鋼管進行吊裝定位，之后澆制基礎混凝土，再在鋼管內灌注混凝土，然后安裝肩梁和上柱。因此肩梁在整個柱構件體系中起到了承上起下的關鍵作用，除了要將上柱及屋蓋的荷載向下傳遞之外，還要承擔吊車梁的荷載，此外，它還有一個重要作用就是要約束上柱頂部的角位移和水平變形，因此肩梁的剛度和強度將直接決定整個柱的性能好壞，至關重要。

本文述及的改進型鋼管混凝土單腹板雙肢柱對肩梁進行了局部改進，下柱鋼管頂部與肩梁底部焊接，并在焊接位置設置加勁肋。上柱采用翼緣開槽插入腹板的方式保證腹板的連續。肩梁端部與吊車梁連接處除了橫向加勁肋之外還要增設兩道短腹板，并在短腹板與原腹板之間設2道加勁肋，這樣可以提高吊車梁與肩梁連接處上翼緣的局部承壓能力和局部穩定性，并保證了吊車梁支座連接螺栓的外露，在下柱鋼管上預留二次灌注孔，焊接完成后進行二次混凝土灌注。具體構造形式見下圖1。

2.改進型鋼管混凝土單腹板肩梁的破壞模式和設計建議

西安建筑科技大學的董振平[4]和蘇明周[3]等對改進型鋼管混凝土單腹板肩梁進行了1:3縮尺模型的水平加載試驗，在水平和豎向荷載作用下，肩梁的破壞一般是由于腹板屈曲引起的，在試驗中肩梁腹板與上柱受壓翼緣和肩梁上翼緣的交界位置處最先達到屈服應力，因此該位置也是肩梁設計時的最不利位置。而在試驗中下柱鋼管與斜腹桿的應力增長基本穩定，在肩梁破壞時都未達到屈服應變。可見對于鋼管混凝土雙肢柱的設計，肩梁是起控制作用的關鍵部位之一。

此外，在試驗中還發現，上柱附近的肩梁上翼緣的屈服應變也出現的比較早，且該位置的應變水平明顯大于遠離中柱位置的上翼緣，因此在設計時應注意對于中柱附近上翼緣板的局部加強措施。

試驗還發現，上柱翼緣與肩梁下翼緣的連接位置的應變水平也較高，上柱根部的受壓側翼緣的應力普遍達到了屈服，因此在設計中應在上柱根部位置設置加勁肋以進行局部構造加強。

3.改進型鋼管混凝土單腹板肩梁的實用設計公式

從目前的研究成果可以看出，肩梁的破壞模式是剪切型破壞。趙峰[5]在簡支梁平均剪應力計算公式的基礎上提出，在肩梁的高跨比處于0.3-0.7之間時，計算簡圖如下圖2所示。

肩梁腹板受到上柱兩個翼緣的集中力作用，由屋架傳來的豎向荷載和上柱自重等軸力作用由兩個翼緣均分，用P表示，而彎矩會造成兩個翼緣一側受拉一側受壓，體現為大小相等方向相反的豎向力P’，由上文所述，C點和D點是設計中應取的危險點，設計計算公式如下：

式中，Vmax——由P和P’引起的簡支梁最大剪力；

tw、hw——肩梁腹板的厚度和高度；

fy——鋼材屈服強度；

董振平[4]認為該公式未考慮肩梁的高跨比影響，因此通過引入一個回歸系數K，提出了一個改進公式：

式中：K——肩梁高跨比影響系數，中柱時：K=2.24λ+0.34，邊柱時：

K=2.05λ+0.6，其中λ為肩梁高跨比。

筆者比較了兩個計算公式，在正常設計的情況下，兩個公式計算結果接近。

4.結語

綜上所述，肩梁的設計是鋼管混凝土雙肢柱設計的關鍵，可以通過本文介紹的公式，并結合計算簡圖進行改進型鋼管混凝土單腹板肩梁的設計計算，此外，在設計過程中還應重視對于上柱附近肩梁的上翼緣和上柱根部位置的構造加強。通過對肩梁設計方法和構造上的改進，鋼管混凝土雙肢柱是可以廣泛應用于火力發電廠汽機房排架柱的設計中的。

[1]沈祖炎,鄭沂.多肢柱肩梁剛度的分析[J].建筑結構,1999(7):49-52.

[2]董超,張繼宏,張星,關曉松.寶鋼寬厚板軋機工程主廠房鋼結構設計[J].工業建筑,2007(51):679-711.

[3]蘇明周,等.鋼管混凝土雙肢柱改進型單腹板肩梁承載能力試驗研究[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2010(04):473-786.

[4]董振平.鋼管混凝土雙肢柱肩梁受力性能與設計方法研究[D].西安建筑科技大學,2011.

[5]趙峰.新型鋼管混凝土柱單腹板肩梁受力性能及設計方法研究[D].西安建筑科技大學,2009.