鋼管混凝土門型構架柱設計

摘 要：鋼管混凝土柱新型???構件在220 kV及以下變電站構架實際應用較少，該文通過試算一組鋼管混凝土柱與三角形鋼管桁架梁組成的單桿門型構架，發現鋼管混凝土柱的應用能滿足工程的需要。相比以往采用人字桿門型構架能節約材料，節約用地。

關鍵詞：變電站構架 鋼管混凝土 截面設計

中圖分類號：U318 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0061-02

鋼管砼柱因其結構特征，同時具備了鋼管和混凝土兩種材料的性質。即管柱外部包裹鋼管材料，管柱內部充填混凝土材料，因鋼管壁對管內混凝土形成的剛性拘束作用，防止了管內混凝土的脆性破壞。實驗和理論分析證明，鋼管混凝土在軸向壓力作用下，鋼管的軸向和徑向受壓而環向受拉，混凝土則三向皆受壓，鋼管和混凝土皆處于三向應力狀態。三向受壓的混凝土抗壓強度大大提高，同時塑性增大，其物理性能上發生了質的變化，由原來的脆性材料轉變為塑性材料。正是這種結構力學性質的根本變化，決定了鋼管砼的基本性能和特點，并作為新型的第五種建筑組合結構顯示出巨大的生命力和發展前景。

鋼管砼的特征與優勢如下：鋼管砼柱的抗壓和抗剪承載力高，相當于鋼管和混凝土二者之和的2倍以上；鋼管砼柱截面比鋼筋混凝土柱可減少60%以上，輪廓尺寸也比鋼柱小，擴大了建筑物的使用空間和面積；柱子截面減小，自重減小，有利于結構抗震，相當于設防烈度下降一級；鋼管砼柱自重減少，減輕了地基承受的荷載，相應降低了地基基礎造價；鋼管壁薄便于選材、制造與現場焊接，是施工最為快捷的建筑結構；鋼管砼柱內的混凝土可大量吸收熱能，其耐火性優于鋼柱，從而比鋼柱可節省耐火涂料50%以上； 鋼管砼具有的核心混凝土三向受壓特性，利于剛剛問世的C60～80高強度混凝土安全可靠地推廣應用。

由于上述各項優點，采用鋼管砼柱時可節省大量的建筑材料，且素混凝土無須振搗，施工方便，工期短。根據計算，與鋼筋混凝土柱相比，可節約混凝土60～70%，同時降低造價。若與全鋼結構的鋼柱相比，則可節約鋼材50%，其工程造價也可降低45%。

在高層建筑設計中，鋼管砼柱可以僅控制長細比而不必限制軸壓比。此外因其整體性能好，還克服了普通鋼結構鋼柱存在的局部失穩的缺點。因此，與鋼筋混凝土柱相比，截面設計可以減少60%以上。

根據《變電構架設計手冊》鋼管混凝土單肢柱的受壓承載力滿足條件：N為軸向壓力設計值（N）；Nu為鋼管混凝土單肢柱的承載力設計值（N）；鋼管混凝土單肢柱的承載力設計值計算滿足條件：Nu=（該文數值為21138 kN），N0=fcAc（1+）（該文數值為1988 kN）faAa/fcAc（該文數值為0.891）N0為鋼管混凝土軸心受壓短柱的承載力設計值（N）；θ為鋼管混凝土的套箍指標；fc為混凝土的抗壓強度設計值（N/mm2）；Ac為鋼管內混凝土的橫截面面積（mm2）；fa為鋼管的抗拉、壓強度設計值（N/mm2）；Aa-鋼管的橫截面面積（mm2）；為考慮長細比影響的承載力折減系數，按下式計算：當時：（該文數值為0.343）當時：，式中d為鋼管外徑（mm）；為柱的等效長度（mm），按規定計算；為考慮偏心率影響的承載力折減系數，按下式計算：當/rc≤1.55時：，e0=M2/N當e0/rc>1.55時：0.4（e0/rc）（該文數值為31），式中e0為柱較大彎矩端的軸向壓力對構件截面重心的偏心距（mm）；rc為鋼管的內半徑（mm）；M2為柱兩端彎矩設計值之較大者（N·mm）；N為軸向壓力設計值（N）。

鋼管混凝土一般受雙向偏心壓力作用，即雙向偏心受壓構件。根據材料力學，雙向偏心受壓是軸向壓縮與雙向純彎曲的組合變形。此時截面上的最大拉（壓）應力為：，根據《鋼管混凝土技術規范》鋼管混凝土結構進行彈性內力和位移計算時，鋼管混凝土柱的截面剛度可按下列規定計算：EA=EsAs+EcAc EI=EsIs+EcIc GA=GsAs+GcAc，式中：EA為鋼管混凝土柱的組合軸壓剛度；EI為鋼管混凝土柱的組合抗彎度；GA為鋼管混凝土柱的組合剪切剛度；Es、Ec分別為鋼管、鋼管內混凝土的彈性模量；Gs、Gc分別為鋼管、鋼管內混凝土的剪變模量；As、Ac分別為鋼管、鋼管內混凝土的截面面積；Is、Ic分別為鋼管、鋼管內混凝土的截面慣性矩；根據《三角形立體管桁架的剛度分析》三角形桁架梁的等效剛度：

=235*106mm4

單桿門架柱與三角形桁架梁內力計算模型可簡化為水平和垂直兩個方向分別受力的平面剛架計算模型。由材料力學計算獲得鋼管混凝土柱的截面應力。

某110 kV變電站單跨門架高10 m，梁跨度8 m，地線柱高度3 m。構架梁為3相掛點，導線掛點高度為10 m，偏角17°。地線掛點高度13 m，偏角0°。鋼管混凝土柱采用273*8鋼管C25混凝土實心柱。三角形桁架梁弦桿22圓鋼，腹桿18圓鋼。

荷載工況按最嚴重覆冰控制：（單位：kN）水平拉力（導線/地線）30/5垂直荷載（導線/地線）12/2。

鋼管柱截面參數計算結果：EA=27158N/mm2，EI=26400N/mm2由結構力學力法對稱結構計算得：垂直向：M1=M2=MA=MB=4kN·mN=56.4kN；水平向：MA=MB=134.5kN·m，N=12.7kN=68.64 MPa<215 MPa=-70.6 MPa<215 MPa，鋼管混凝土截面滿足要求。

實心鋼管混凝土構件的鋼管外徑或邊長不宜小于100 mm，壁厚不宜小于4 mm。實心鋼管混凝土構件含鋼率宜為6%～10%，混凝土強度等級宜為C40～C60。管內混凝土可采用泵送頂升澆灌法、立式手工澆搗法或高位拋落無振搗法。泵送頂升澆灌法，由泵車將混凝土連續不斷地自下而上擠壓入鋼管內，無需振搗，鋼管直徑宜不小于泵直徑的兩倍。適用于管內無膈板等阻礙物的情況，如工業廠房柱。立式手工澆搗法，當鋼管直徑大于350 mm時，可采用內部振搗器（振搗棒或鍋底形振搗器等）。每次振搗時間不少于30 s，一次澆筑高度不宜大于2 m；當鋼管直徑小于350 mm時，可采用附著在鋼管上的外部振搗器進行振搗，外部振搗器的位置應隨著混凝土的澆筑的進展加以調整振搗。外部振搗器的工作范圍，以鋼管橫向振幅不小于0.3 mm為有效，振幅可用百分表實測。每次振搗時間不宜少于30 s，一次澆筑的高度不宜大于振搗器的有效工作范圍和2～3 m柱長。高位拋落無振搗法適用于鋼管直徑大于350 mm，高度不小于4 m的情況。對于拋落高度不足4 m的區段，應用內部振搗器振實。一次拋落的混凝土量宜在0.35～0.7 m3左右，用料斗裝填，料斗的下口尺寸應比鋼管內徑小100～200 mm，以便混凝土下落時，管內空氣得以順利排出。混凝土配合比應根據混凝土設計等級計算，并通過試驗后確定，除滿足強度指標外，尚應注意混凝土塌落度的選擇。

參考文獻

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