鋼管混凝土格構柱性能指標及應用

王利敏，董先鋒，楊凱南

（中國聯合工程公司，杭州 310052）

鋼管混凝土格構柱性能指標及應用

王利敏，董先鋒，楊凱南

（中國聯合工程公司，杭州 310052）

分析鋼材和混凝土的受力性能，介紹鋼管混凝土柱的受力特點、計算指標、鋼管混凝土格構柱的承載力和抗側剛度。通過大跨度廠房和超重型鋼結構廠房鋼管混凝土格構柱的應用，總結鋼管混凝土格構柱在這兩類廠房中應用的經濟性。

鋼管混凝土格構柱；承載力；抗側剛度；經濟性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.002

1　引言

鋼管混凝土是在鋼管內填充普通混凝土而形成的組合結構，通過圓形鋼管對核心混凝土形成的套箍作用，使混凝土處于三向受壓狀態，從而大大提高了混凝土的抗壓強度和延性[1]。鋼管混凝土格構柱柱肢以軸心受力為主，能充分發揮鋼管混凝土軸心受力承載力大的特點。隨著鋼管混凝土技術的發展，理論體系的完善以及計算軟件的應用，鋼管混凝土格構柱越來越多地應用于大跨度和超重型廠房中。

2　鋼管混凝土柱設計指標

以圓管為例，按福建省《鋼管混凝土結構技術規程》(DBJ/T13-51—2010)，鋼管混凝土截面的各項設計指標計算公式如下[2]。

1）混凝土組合軸壓強度設計值fsc為：

3）管混凝土組合軸壓剛度為：

4）管混凝土組合彈性抗彎剛度為：

5）管混凝土組合彈性剪切剛度為：

式（1）～式（7）中，fc為混凝土的軸心抗壓強度設計值；f為鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強度設計值；為構件截面的約束效應系數設計值為構件截面含鋼率；As，Ac分別為鋼管和混凝土的橫截面面積；Esc為鋼管混凝土組合軸壓彈性模量；Asc為鋼管混凝土構件的組合截面面積；Es，Ec為鋼材和混凝土的彈性模量；Is，Ic為鋼材和混凝土的截面慣性矩；為混凝土剛度折減系數，圓鋼管混凝土=0.8；Gsc為鋼管混凝土的組合彈性剪切模量。

表1　D500mm12mm（C40）鋼管混凝土柱截面指標計算

表1　D500mm12mm（C40）鋼管混凝土柱截面指標計算

鋼管直徑D/mm鋼管壁厚t/mm鋼材fy/(N/mm2)混凝土fc/(N/mm2)鋼材彈性模量Es/(N/mm2)混凝土彈性模量Ec/(N/mm2)鋼管截面面積As/mm2500　12　310　19.1　206 000　32 500　18 397.17混凝土截面面積Ac/mm2截面面積Asc/mm2鋼管截面慣性矩Is/mm4混凝土截面慣性矩Ic/mm4截面含鋼率αs約束效應系數ζ0混凝土剛度折減系數α 177 952.37　196 349.54　547 978 004　2 519 983 572　0.103　1.68　0.8組合軸壓彈性模量Esc/(N/mm2)組合彈性剪切模量Gsc/(N/mm2)組合軸壓強度設計fsc/(kN/mm2)組合剪切強度設計值τsc/(N/mm2)組合軸壓剛度EA組合彈性抗彎剛度EI組合彈性剪切剛度GA 45 865　15 442　54.46　24.73　9 005 571 691　1.78×1014　3 032 029 610

3　鋼管混凝土格構柱受力特點

鋼管混凝土格構柱有斜腹桿格構柱和平腹桿格構柱。斜腹桿格構柱按平面桁架進行內力計算，確定單肢柱的軸向力，按軸心受力構件進行承載力計算。平腹桿格構柱可視為多層框架，參與結構整體計算。重型工業廠房主要利用鋼管混凝土柱軸心受力的優勢，采用斜腹桿格構柱，根據荷載的大小，建筑高度等情況采用雙肢柱、三肢柱和四肢柱，三肢柱、四肢柱的短向二肢柱采用平腹桿格構柱、可按軸心受力平腹桿格構柱計算。

4　鋼管混凝土格構柱承載力計算及抗側剛度

鋼管混凝土格構柱承載力計算可分為單肢承載力計算和整體承載力計算。

1）肢鋼管混凝土軸心受力構件承載力

式中，N為軸向力設計值；Nu為鋼管混凝土構件的抗壓承載力設計值；Nt為鋼管混凝土構件的抗拉承載力設計值；為軸心受壓構件穩定系數。

假定上例格構柱節間距為2.5m，單肢鋼管柱與鋼管混凝土柱軸心受力承載力計算如表2。

表2　D500mm12mm（C40）單肢鋼管混凝土柱與D500m?12mm單肢鋼管柱承載力計算

表2　D500mm12mm（C40）單肢鋼管混凝土柱與D500m?12mm單肢鋼管柱承載力計算

鋼管直徑D/mm鋼管壁厚t/mm截面回轉半徑i/mm長細比λ節間距l/mm穩定系數φx(查表)受壓承載力設計值Nu/kN受拉承載力設計值Nt/kN鋼管混凝土柱與鋼柱受壓承載力之比鋼管混凝土柱　500　12　2500　3 067 961 576　20.00　0.968　10 351.69　6273.43　1.29鋼管柱　500　12　2500　172.59　17.55　0.977　5571.95　4847.65　1.86鋼管直徑D/mm鋼管壁厚t/mm節間距l/mm鋼管截面慣性矩I/mm4長細比λ穩定系數φx(查表)受壓承載力設計值Nu/kN受拉承載力設計值Nt/kN鋼管混凝土柱與鋼柱受拉承載力之比

2）構式鋼管混凝土軸心受壓構件承載力

假設四管格構柱長向為斜腹桿，短向為平腹桿，則

按本文所述柱肢參數，雙肢柱間距1.2m，柱高26.1m，計算雙肢柱受壓承載力如表3。

從上述計算結果看出，無論單肢柱還是格構柱，鋼管內充填混凝土后，受壓承載力都有大幅度的提高。

3)格構式鋼管混凝土柱抗側剛度

鋼管混凝土柱的抗側剛度計算公式為:

公式（13）表示，鋼管內混凝土對抗側剛度有貢獻，且工程實踐證明，鋼管混凝土格構柱比鋼管格構柱抗側剛度有明顯提高。例如：單跨剛架跨度39m，高度35.2m，下柱高度26.1m，上柱高度9.1m，下柱D500mm12mm（C40）斜腹桿四肢柱，截面高度方向柱肢間距2.5m，短向柱肢間距1.2m，節間數9，上柱截面H1200mm550mm25mm28mm，上層300t吊車，下層吊車75t，基本風壓0.6kN/m2，經PKPM軟件STS模塊計算，得出剛架風荷載作用下側移1/1189，吊車荷載下肩梁處側移1/1320，將鋼管混凝土格構柱鋼管內混凝土改為空腹鋼管，計算得出剛架風荷載作用下側移1/561，吊車荷載下肩梁處側移1/583，可見鋼管混凝土格構柱較鋼管柱抗側能力明顯提高。

表3　D500mm12mm（C40）雙肢鋼管混凝土格構柱與 D500mm12mm雙肢鋼管格構柱承載力計算

表3　D500mm12mm（C40）雙肢鋼管混凝土格構柱與 D500mm12mm雙肢鋼管格構柱承載力計算

φ500mm雙管格構柱　500　12　26 100　624.33　1 6512.21　41.80　42.52　0.85　9 683.90鋼管直徑D/mm鋼管直徑D/mm鋼管壁厚t/mm計算長度ly/mm鋼管截面回轉半徑iy/mm平腹桿450mm×12mm的截面面積A1/mm格構柱長細比λy雙肢柱換算長細比λ0y穩定系數φy(查表)受壓承載力設計值Nu/kN φ500mm鋼管混凝土雙管格構柱　1200　20.00　7.75　2.53　1.11　1.82鋼管壁厚t/mm計算長度ly/mm受壓承載力設計值Nu/kN 500　12　26 100　612.88　154.91　42.59　52.17　0.83　17 666.31柱肢短向間距h/mm組合截面回轉半徑iy/mm平腹桿450mm×12mm的回轉半徑i/mm格構柱長細比λy雙肢柱換算長細比λ0y穩定系數φy(查表)組合柱單肢長細比λ1平腹桿長細比λ0組合剛度與鋼管剛度之比αEA單肢鋼管面積As與腹桿面積A1之比α1鋼管混凝土柱與鋼柱受壓承載力之比

5　鋼管混凝土格構柱在重型工業廠房中的應用

重型工業廠房的特點是，吊車起重量大，廠房高度高，柱距大，雙層吊車。目前最大吊車850t，雙臺吊車抬吊，起重能力可達到1700t；廠房柱距15～18m，廠房高度可達30～40m，廠房剛架的豎向承載力要求較高，廠房的側移難以控制，因此要求剛架柱具有較大的承載力和較大的抗側剛度。鋼管混凝土格構柱兼有上述特點，廠房剛架采用鋼管混凝土格構柱，單肢鋼管混凝土柱較鋼管柱豎向承載力提高約80%，單肢鋼管混凝土柱較鋼管柱抗側剛度提高約90%，可以滿足設計要求，且采用鋼管混凝土格構柱較普通型鋼格構柱節約鋼材約40%，具有很好的經濟性。隨著理論體系的完善，鋼管混凝土技術的發展，各種智能化、人性化計算軟件的應用，鋼管混凝土柱結構將會有更好的應用前景。

6　結論

采用鋼管混凝土格構柱代替鋼管格構柱或普通型鋼格構柱，對于大跨度、大噸位廠房有著明顯的優勢，能充分發揮鋼和混凝土的各項性能，節約材料，大大降低建造成本，且鋼管混凝土格構柱采用鋼管綴條，節點采用相貫節點，構造簡單，焊接工作量小，施工方便，既節省了工程造價，又加快了施工進度，為重型廠房設計提供了新的思路。

鋼管混凝土柱在工程應用中應注意的問題：（1）鋼管混凝土柱主要為軸心受力構件，在超重型廠房設計中可考慮采用鋼管混凝土格構柱，具有良好的經濟效益；（2）雖然豎向荷載不是很大，但如果單跨廠房在跨度較大，高度較高，風荷載較大的情況下，宜選用抗側能力大的鋼管混凝土格構柱；（3）鋼管混凝土格構柱雖然具有較大的承載力和抗側剛度，但是綴條構件（空腹鋼管）將其形成整體，設計時綴條應具有相應的截面面積和剛度，保證格構柱整體共同工作；（4）三管及以上鋼管混凝土格構柱柱頂肩梁受力相對復雜，肩梁設計應綜合考慮肩梁受力特點和構造要求，做到受力明確，安裝方便，肩梁應具有一定的剛度；（5）鋼管混凝土格構柱柱腳宜采用插入式，插入深度需滿足抗剪、抗彎、抗沖切要求，且滿足構造要求；（6）鋼管混凝土格構柱一般較為高大，管內混凝土可采用泵送頂升法或高位拋落免振搗法澆筑。無論采用哪種方式，都應采取措施，避免混凝土發生離析或泌水現象。采用泵送頂升法施工時應控制混凝土沖量，避免在較大沖力作用下肩梁處構件破壞。

【1】CSCS28:2012鋼管混凝土結構技術規程[S].

【2】DBJ/T13-51-2010鋼管混凝土結構技術規程[S].

The Performance Index and Application of Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns

WANG Li-min,DONG Xian-feng，YANG Kai-nan
(China United Engineering Corporation,Hangzhou 310052,China)

Through the mechanical properties analysis of steel and concrete,the paper not only introd-uces the stress characteristics and the calculation index of the concrete filled steel tubular column,but also discusses the bearing capacity and lateral stiffness of concrete filled steel tubular laced columns.Through the application of concrete filled steel tubular laced columns in plants with large sp-an and super heavy steel type,the economy of the concrete filled steel tubular laced columns in the application of the two kinds of plants is summarized.

concrete filled steel tubular laced columns；bearing capacity；lateral stiffness；economy

TU392.3;TU37

A

1007-9467（2016）05-0022-03

王利敏（1970～），女，內蒙古巴彥淖爾人，高級工程師，從事工程設計與研究，（電子信箱）wanglm@chinacuc.com。

2015-12-31