空心鋼管混凝土在工業廠房中的應用研究★

鄧愛匯 曹旺明 孔德睿

(1.廣州華商職業學院,廣東 廣州 511300； 2.佛山市百安居減震科技有限公司,廣東 佛山 528000)

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空心鋼管混凝土在工業廠房中的應用研究★

鄧愛匯1曹旺明1孔德睿2

(1.廣州華商職業學院,廣東 廣州 511300； 2.佛山市百安居減震科技有限公司,廣東 佛山 528000)

介紹了空心鋼管混凝土構件的承載力計算方法，通過對某工業廠房分別建立型鋼和空心鋼管混凝土的有限元分析模型，對比分析了不同結構的抗震性能及經濟性，結果表明，空心鋼管混凝土具有良好的抗震性能，且能夠節約建造成本。

空心鋼管混凝土，有限元模型，抗震性能，承載力

0 引言

空心鋼管混凝土是在鋼管中放入適量的混凝土，經高速離心攪拌養護之后形成具有一定厚度且中空的鋼管混凝土構件[1]，其常見截面形式如圖1所示。這種新型鋼—混凝土組合結構既可以充分發揮鋼材和混凝土的優點大大提升穩定性和力學性能，又避免了這兩種材料單獨應用時的弱點[2]。空心鋼管混凝土結構最早用在電力工業中，而在工業廠房中則應用較少。隨著經濟能力的提升，我國工業廠房從最初的磚砌結構逐步發展為混凝土結構、型鋼結構等，結構體系和組合形式也越來越多[3]。空心鋼管混凝土不受規格的限制、擁有比混凝土大的承載力，且質量更小等優點正符合工業廠房建造的需求。

徐國林等進行了一系列空心鋼管混凝土結構的試驗研究，結果表明鋼管與混凝土的結合具有良好的共同工作性能和力學性能；鐘善桐等研究了空心鋼管混凝土在軸心受壓下的工作性能和承載力，推導出在軸心受壓時鋼管混凝土柱的統一強度和穩定承載力設計公式，為設計提供方便[1]；查曉雄等基于統一計算公式的基礎得到可以同時適用于實心和空心的軸壓承載力統一計算公式，并提出再生空心鋼管混凝土內部二氧化碳高壓碳化深度的理論計算公式和構件骨架曲線理論模型及位移延性系數簡化計算公式[5]；盧德輝基于OpenSees計算平臺將已有的有限元模型計算結果進行對比驗證得到軸壓比、長細比各參數對空心鋼管混凝土壓彎構件滯回性能的影響規律[7]。

本文結合某工業廠房分別建立采用型鋼、空心鋼管混凝土的有限元分析模型對其抗震性能和經濟性能展開分析。

1 空心鋼管混凝土構件承載力計算

我國現行規范中由于套箍系數物理意義不明確、沒有體現空心率影響下的連續性要求及混凝土抗壓強度調整系數不夠準確等因素的影響，結合文獻[7]將采用修正后的簡化公式進行承載力計算：

其中，fsc,ξm，fc分別為空心鋼管混凝土抗壓強度設計值、套箍系數設計值和混凝土的抗震強度設計值；B，C分別為考慮鋼材、混凝土對套箍效應的影響系數。為了驗證修正后的承載力計算公式有效性，文獻[6]進行空心鋼管混凝土短柱軸壓試驗，并將修正后的空心鋼管混凝土軸壓承載力計算結果與試驗結果進行對比，結果表明：修正值與試驗值比值的均值為0.910，均方差為0.014 8，原公式計算值與試驗值比值的均值為0.974，均方差為0.013 1，可見修正后的鋼管混凝土軸壓承載力統一設計公式計算結果與試驗結果吻合良好。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

某工業廠房項目位于珠海市，廠房受力體系選用門式剛架，平面尺寸長、寬分別為450 m，60 m，檐口高度14 m。單跨部分跨度30 m，兩跨部分分別為30 m和24 m，最大柱距7.5 m。該工業廠房耐火等級為二級，主體結構鋼材采用Q345-B型鋼材進行焊接，圍護結構采用Q235冷彎薄壁型鋼，結構重要性為二類，設計使用年限50年。抗震設防為7度設防，場地類別Ⅲ類，本工程有限元分析模型及柱節點編號如圖2所示。

分別對該工程進行鋼結構柱和空心鋼管混凝土柱的設計，采用剛度等效的替代原則進行構件尺寸換算。在進行空心鋼管混凝土柱的設計中盡量使用較低的空心率和較大的直徑以確保此次設計合理有效，表1，表2分別為結構型鋼柱截面和空心鋼管柱截面參數。

表1 型鋼柱截面設計

表2 空心鋼管混凝土柱截面設計

2.2 反應譜分析

通過ETABS中設置反應譜分析工況，能夠得到模型中的每個節點的位移和柱底反力，進行分析可得：鋼柱廠房的最大柱頂位移為10.60 mm，空心鋼管混凝土柱廠房的最大柱頂位移為6.95 mm，空心鋼管混凝土柱設計的廠房在地震作用下柱頂的位移小于鋼柱設計的廠房柱頂位移；鋼柱廠房的最大柱底剪力為58.68 kN，空心鋼管混凝土柱廠房的最大柱底剪力為70.20 kN，空心鋼管混凝土柱設計的廠房在地震作用下柱底反力大于鋼柱設計的廠房柱底反力，表明在地震作用下空心鋼管混凝土柱與型鋼柱相比剛度增大、位移響應變小，具有較好的抗震性能。表3，表4分別為關鍵節點位移與柱底反力對比。

表3 部分節點位移對比

2.3 經濟性對比

經統計得鋼柱廠房柱子部分鋼材用量為134 783.8 kg；空心鋼管混凝土柱廠房柱子部分鋼材用量為103 495.1 kg，比鋼柱鋼材用量少了31 288.7 kg，但增加了混凝土用量250.29 kg,經統計計算，采用型鋼總費用56.04萬元，采用空心鋼管混凝土總費用52.54萬元，空心鋼管混凝土較型鋼總費用降低了約6%，表明經濟投入有一定節約。

表4 部分柱底反力 kN

3 結語

1)空心鋼管混凝土在電力建設行業中已具有廣泛應用，因其具有剛度大、節省鋼材及施工方便等因素，可以引用到工業廠房的建造中；

2)通過對珠海市某工業廠房建造工程，分別建立型鋼截面和空心鋼管混凝土截面的有限元分析模型，結果表明地震作用下鋼柱廠房的最大柱頂位移為10.60 mm，空心鋼管混凝土柱廠房的最大柱頂位移為6.95 mm；鋼柱廠房的最大柱底剪力為58.68 kN，空心鋼管混凝土柱廠房的最大柱底剪力為70.20 kN，表明空心鋼管混凝土具有良好的抗震性能，且能夠對建造成本有一定的節約。

[1] 鐘善桐.鋼管混凝土統一理論與應用[M].北京：清華大學出版社,2006.

[2] 賈磊鵬，郭子雄，劉 陽，等.核心鋼管混凝土短柱軸壓受力機理及設計方法研究[J].地震工程與工程振動,2015,35(3):79-85.

[3] 歐妍君，陳 星，李 欣.新型鋼管空心混凝土板技術[J].建筑結構，2007,37(9):123-125.

[4] 吳中軍，張燎軍，張曉莉.空心鋼管混凝土組合柱抗震性能研究[J].水電能源科學,2013,31(2):116-119.

[5] 李衛秋,查曉雄.空心普通和再生鋼管混凝土柱抗震性能研究Ⅰ：試驗與有限元研究[J].建筑鋼結構進展，2012,14(3):27-35.

[6] 王宏偉，盧德輝,周 云.圓、方形空心鋼管混凝土柱抗震性能試驗研究[J].地震工程與工程振動,2014,34(2):129-136.

[7] 王宏偉,盧德輝.基于統一理論的空心鋼管混凝土軸壓承載力計算[J].廣州大學學報(自然科學版),2011,10(1):48-53.

The application and research on concrete-filled steel tubular hollow in industrial workshop★

Deng Aihui1Cao Wangming1Kong Derui2

(1.GuangzhouCareerAcademy,Guangzhou511300,China; 2.FoshanB&QTechnologyLimitedCompany,Foshan528000,China)

This paper introduced the bearing capacity calculation method of concrete-filled steel tubular hollow component, through respectively establishment of finite element analysis model of shape steel and concrete-filled steel tubular hollow to an industrial plant, compared and analyzed the seismic performance and economy of different structure, the results showed that the concrete-filled steel tubular hollow had good seismic performance, and could save the construction cost.

concrete-filled steel tubular hollow, finite element model, seismic performance, bearing capacity

1009-6825(2016)28-0043-02

2016-07-26 ★ ：校級青年教師重點教研類資助項目(項目編號：GHS20150208)

鄧愛匯(1990- )，男，碩士，助教

TU973

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