鋼管混凝土在冶金工業廠房中的應用*

王遠坤， 王林林

(大峘集團有限公司， 江蘇 南京 211112)

鋼管混凝土在冶金工業廠房中的應用*

王遠坤， 王林林

(大峘集團有限公司， 江蘇 南京 211112)

以唐山某工程為實例，討論了鋼管混凝土在冶金工程中的應用，并采用 MIDAS軟件進行了設計校核。通過分析工程案例及大量的統計數據，闡述了鋼管混凝土運用在冶金工程中所體現出的優點。

鋼管混凝土； 組合構件； 冶金工程； MIDAS

引 言

隨著工業生產的不斷發展，現代冶金工程對建筑材料以及建筑結構的要求越來越高，不僅要求結構的承載力、耐久性等達到一定的要求，而且塑性和韌性也要滿足要求。如果用傳統的鋼筋混凝土結構，必將導致結構的“肥梁胖柱”現象，同時會影響設備的布置和使用空間。鋼管混凝土是鋼-混凝土組合結構中的一種，它能夠適應現代工程結構向大跨度、重荷載以及承受惡劣使用條件的需要，符合現代施工技術的工業化要求。鋼管混凝土以其自身獨特的優點出現在冶金建筑結構中，并逐漸形成了繼磚石結構，混凝土結構，鋼結構之后的第4種結構，尤其在最近幾十年以迅猛的速度在實際工程中得到了廣泛的應用，因而正被越來越廣泛地應用于重型工業廠房、高層框架廠房和地下結構，并取得了良好的經濟效益和建筑效果，鋼管混凝土在冶金行業中是一個重要的發展方向。

1 鋼管混凝土結構優點

鋼管混凝土結構在冶金工業廠房中應用的優點如下：

(1)鋼管混凝土柱的抗壓和抗剪承載力高。經實驗證明，抗壓承載力為混凝土柱的一倍以上，同時抗剪承載力也比鋼筋混凝土柱高許多。和鋼柱相比，抗壓承載力雖略低，但卻無局部失穩問題。而且鋼管混凝土的塑性好，防止了管內混凝土的脆性破壞。

(2)擴大了使用空間。由于鋼管混凝土柱的承載力高，不但柱子截面小，而且還可以采用大柱網、大空間的框架結構體系。經有關專家測算，在高層建筑中采用鋼管混凝土柱比采用鋼筋混凝土結構增加使用面積 3%～6%。

(3)柱子截面減小，降低了地基基礎的造價。采用鋼筋混凝土的高層建筑，其自重一般為1.5～2 t/m3(不包括基礎)，而采用鋼管混凝土柱鋼梁結構時，一般自重都小于1 t/ m3，可以減小地基上單位面積荷載25%以上，因此，基礎尺寸也相應減小，降低了基礎工程造價。

(4)鋼管混凝土柱的鋼管較薄，簡化了施工。在高層建筑中采用鋼管混凝土柱時，鋼管厚度一般不超過 40 mm，而采用鋼結構時，需要的鋼板厚度可達80～100 mm甚至更大。這樣的厚板，目前國內的產品質量保證率很低，大部分需要從國外進口。同時對厚板制作和對接的焊接質量要求也很高，特別是現場進行柱段對接焊接相當困難，有時可能成為阻礙現場施工進度的一個復雜工序。

(5)鋼管混凝土柱的耐火性能好。由于鋼管內灌有混凝土，能吸收大量的熱能，因此，在遭受火災時，管柱截面溫度場的分布很不均勻，增加了柱子的耐火時間。經實驗統計數據表明：若需達到一級耐火3 h的要求，鋼管混凝土柱與鋼柱相比，可節約防火涂料1/2～2/3甚至更多，隨著鋼管直徑增大，節約涂料也越多[1]。

2 設計實例

2.1 工程概況

唐山某鋼鐵集團擬建設2×1 080 m3高爐噴煤工程，其中包括新建一座高爐噴煤主廠房。主廠房長29 m，寬11 m，高27 m。采用鋼管混凝土結構。主廠房內設有2臺EM80中速磨煤機、9個噴吹罐、2個120 m3原煤倉、1個320 m3煤粉倉、2臺布袋除塵器。

主廠房樓面采用壓型鋼板組合樓面，墻面采用帶保溫雙層壓型鋼板。

工藝布置簡圖如圖1所示。

圖1 工藝布置簡圖

2.2 設計條件

2.2.1 總體指標

根據國家現行規范及設計任務書要求，本項目結構設計使用年限50年，結構安全等級為一級，抗震設防類別為標準設防類。

2.2.2 結構作用參數

(1) 永久荷載：3.0 kN/m2；

(2) 可變荷載：3. 0 kN/ m2；

(3) 基本風壓：0.55 kN/ m2；

(4) 基本雪壓：0.55 kN/ m2；

(5) 地震作用：根據文獻[2]，本項目所在地區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比為0.04。

2.3 結構分析與設計

本工程首先采用PKPM STS軟件建模，采用PKPM SATWE軟件進行結構整體分析。并用MIDAS Gen進行校核。在表1～4中，列舉了結構自振周期和最大層間位移角的分析結果。驗證結構滿足規范要求。

表1 MIDAS Gen結果

表2 PKPM SATWE結果

表3 Midas Gen層間位移角計算結果

表4 PKPM SATWE層間位移角計算結果

鋼管混凝土中柱采用Φ660 mm×12 mm鋼管，內部澆筑C40混凝土。角柱采用Φ529 mm×10 mm鋼管，內部澆筑C40混凝土。各截面材質均為Q235B。

2.4 設計分析

2.4.1 建設施工的改進效果

本工程鋼管混凝土柱采用單管柱，和普通鋼柱相比，零件少，焊縫短，而且柱腳構造簡單，可以直接插入混凝土基礎的預留杯口中，免去了復雜的柱腳構造；和鋼筋混凝土柱相比，免去了支模、綁扎鋼筋和拆模等工序，同時，由于減輕了自重，大大降低了施工強度。尤其近年來國內采用高位拋落無振搗及泵送頂升混凝土施工工藝以后，不但大大簡化了現場施工，進一步縮短了工期，而且確保了混凝土施工質量。特別是對于高強度混凝土，可以避免其干硬，不易在鋼筋籠中澆灌的缺點，效果更為明顯。

本次鋼管混凝土結構的實際應用，解決了公司在噴煤主廠房工程中長期存在而未能解決的“胖柱”問題，提高了建設水平，具有廣闊的應用前景。

2.4.2 鋼管混凝土框架具有較好的抗震性能

主要表現在：

(1)在框架中使用鋼管混凝土柱，可以有效的改善框架結構抗側剛度和側向變形不易滿足建筑結構抗震規范要求的缺點。

(2)在鋼管混凝土框架結構中采用加強環板進行節點區的加強，可以有效的加強框架梁柱節點的抗震能力，使結構在受力過程中，節點不發生破壞。

(3)鋼管混凝土框架的抗側剛度和承載力較高，且有很好的延性和耗能能力。如果合理地設計其結構形式，并對梁和柱的抗彎能力加以提高，則鋼管混凝土框架結構的變形和耗能能力將會得到更好的改善。

(4)由于鋼管混凝土構件的抗彎和抗剪性能好、剛度大、延性好、耗能能力強，因而用作重載建筑中的柱子時，可以做到不限制軸壓比，僅控制長細比。高層冶金工業建筑中用鋼管混凝土柱時，可以比鋼筋混凝土柱減少柱截面的50%甚至更多，從而獲得良好的經濟效益。

(5)當鋼管混凝土框架結構柱的直徑與鋼筋混凝土框架結構柱的相等、長細比相同時，鋼管混凝土框架結構的各控制位移大于鋼筋混凝土框架結構的相應位移；鋼管混凝土結構的位移延性系數和彈性抗側剛度均比鋼筋混凝土結構的大；鋼管混凝土結構的屈服荷載大于鋼筋混凝土結構的屈服荷載。說明鋼管混凝土框架結構較鋼筋混凝土框架結構的抗震性能好、抗震能力強。

2.4.3 研究方向

鋼管混凝土結構雖然有諸多優點，但是實際施工時仍出現一些問題，建議下一步將從以下幾個方面進行研究：

(1)施工力學問題的研究：在進行鋼管混凝土構件的施工時，一般都是先安裝空鋼管結構，這時空鋼管單獨承受施工荷載，當采用泵送頂升法工藝進行核心混凝土施工時，將在空鋼管內產生動壓力，從而可能導致在鋼管局部產生應力集中現象，嚴重時可導致鋼管脹裂，由于上述原因導致了一些工程事故，造成不同程度的損失，因此，應對類似的鋼管混凝土施工力學問題進行系統的研究，并提供合理的施工方法。

(2)核心混凝土質量問題的控制：在進行鋼管混凝土構件的施工時，鋼管結構的制造及其核心混凝土的澆灌應分別符合現行《鋼結構設計規范》和《混凝土設計規范》的有關規定及驗收標準，但鋼管混凝土的施工有其特殊性，即混凝土被外圍鋼管所包覆，造成澆筑質量難以控制，由于對該問題處理不當，已有一些事故發生。

混凝土澆灌質量的好壞將直接影響到鋼管混凝土構件設計目標的實現，正是由于混凝土被外圍鋼管所包覆，也造成了測定其澆筑質量的復雜性。研究結果表明，混凝土密實度對鋼管混凝土構件的力學性能影響很顯著，在對鋼管中混凝土澆灌質量問題研究時，要充分考慮控制混凝土強度和密實度，前者可以保證混凝土達到設計強度，后者可以保證鋼管和核心混凝土相互協同作用的充分發揮[3]。

3 結束語

鋼管混凝土在框架結構中的應用是提高抗壓承載力，擴大建筑物使用空間的有效途徑之一，在很多方面要優于以往采用的混凝土框架，值得進一步研究和在高爐構架、通廊支架以及煉鋼廠房中推廣應用，可供相關設計人員參考。

[1] 劉冬冬.淺談鋼管混凝土結構的應用與優缺點[J].黑龍江科技信息，2010，(7)：243.

[2] GB50010-2010.建筑抗震設計規范[S].北京：中國人民共和國住房和城鄉建設部，2010.

[3] 李斌.鋼管混凝土結構的研究[D].西安：西安建筑科技大學，2004.

2015-04-29

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