四肢和兩肢鋼管混凝土柱框架的用鋼量對比

楊志娟，劉 慧，王 濤

(中冶東方工程技術(shù)有限公司,山東 青島 266555)

0 引言

隨著經(jīng)濟技術(shù)的日益發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的不斷進步,各種大跨度的、重荷載的結(jié)構(gòu)工程越來越多,如何選擇更合適的結(jié)構(gòu)形式日益重要。鋼管混凝土柱兼有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,是最有效最經(jīng)濟的一種結(jié)構(gòu)形式。鋼管混凝土柱利用鋼管對受壓混凝土施加側(cè)向約束,使后者處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài),延緩了混凝土縱向微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,從而提高核心混凝土的抗壓強度和壓縮變形能力;利用鋼管內(nèi)填充的混凝土的支撐作用,增強鋼管管壁的穩(wěn)定性,改變鋼管的失穩(wěn)模態(tài),從而提高鋼管混凝土承載能力[1]。因此石橫特鋼1780熱連軋綠色智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整項目主車間采用鋼管混凝土柱進行設(shè)計。

在此前提下,以石橫特鋼1780熱連軋綠色智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整項目主車間為例,對采用四肢鋼管混凝土柱和采用兩肢鋼管混凝土的框架的鋼材量和混凝土用量進行分析對比,從而確定一種截面特性好且用鋼量更省的截面形式。

1 圓鋼管混凝土柱的特點及截面種類

1.1 圓鋼管混凝土柱的特點

圓鋼管混凝土是將混凝土填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu),一般簡稱為鋼管混凝土。

圓鋼管混凝土是一種具有承載力高、塑性韌性好、節(jié)省材料、方便施工等特點的組合結(jié)構(gòu)材料,已在工業(yè)和民用建筑等工程中應(yīng)用多年,取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

1.2 圓鋼管混凝土柱截面種類

鋼管混凝土柱按其外形可分為圓形鋼管混凝土柱及矩形鋼管混凝土柱兩種。實際工程中采用圓形鋼管混凝土柱進行設(shè)計(出于習(xí)慣,以下仍簡稱鋼管混凝土柱)。

鋼管混凝土柱按照截面類型可分為單管柱及多管組合柱兩類,前者為單管時,多用于軸壓構(gòu)件。當(dāng)鋼管混凝土柱為大偏心受壓或柱的長細(xì)比較大時,采用單肢柱有時不能滿足要求,并且材料強度也不能得以充分發(fā)揮。此時可以采用鋼管混凝土格構(gòu)柱,當(dāng)荷載較大、柱身較寬時會較節(jié)省鋼材用量。鋼管混凝土格構(gòu)柱一般由兩個或多個鋼管混凝土柱用綴板或綴條組成,如圖1所示。格構(gòu)柱中綴板和綴條的作用是把格構(gòu)柱的各柱肢連接成整體,保證在荷載作用下各個柱肢能夠共同受力。對于由綴板和單肢鋼管混凝土組成的格構(gòu)柱,可以近似采用多層平面剛架模型進行計算,在剪力作用下綴板和柱肢均能夠承受彎矩和剪力。對于由綴條和單肢鋼管混凝土組成的格構(gòu)柱,可以近似采用平面剛架模型進行計算,在剪力作用下綴條和各柱肢將主要承受軸力。綴板體系的抗剪剛度較綴條體系偏小,且綴板與鋼管間的連接構(gòu)造比較復(fù)雜,因此對于圓鋼管混凝土組成的格構(gòu)柱,為充分發(fā)揮鋼管混凝土軸壓性能好的特點并方便制造安裝,通常使用綴條體系。

2 工程概況

2.1 工程簡介

石橫特鋼1780熱連軋綠色智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整項目主車間,車間主要包括熱軋主車間和成品庫車間。由于篇幅限制,綜合考慮兩者的復(fù)雜性,最終選取熱軋主車間剛架作為研究對象,通過對比分析,確定熱軋主車間的剛架形式。

熱軋主車間由板坯跨、軋輥間、主軋跨、主電機室跨組成。因工藝平面布置的不規(guī)則性,不同區(qū)域的剛架跨度也不盡相同。熱軋主車間框架多數(shù)為三跨,三跨分別為板坯跨、軋輥間、主軋跨;局部框架為四跨,板坯跨、軋輥間、主軋跨、主電機室跨均有;還有兩個柱距僅軋輥間和主軋跨兩跨組成。文中對三種跨度的剛架模型均進行了對比計算。

2.2 設(shè)計參數(shù)

石橫特鋼1780熱連軋綠色智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整項目位于山東省肥城市石橫鎮(zhèn)境內(nèi)的工業(yè)區(qū),基本雪壓:0.35 kN/m2(重現(xiàn)期為50 a),0.4 kN/m2(重現(xiàn)期為100 a);基本風(fēng)壓:0.40 kN/m2(重現(xiàn)期為50 a),0.45 kN/m2(重現(xiàn)期為100 a),地面粗糙度類別為B類;建筑抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度值0.1g,設(shè)計地震分組為第二組,場地類別Ⅱ類,特征周期0.4 s;建筑抗震設(shè)防分類丙類。各跨的吊車參數(shù)見表1。

表1 主車間主要參數(shù)特征表

3 結(jié)構(gòu)體系

3.1 計算體系

熱軋主車間為單層鋼結(jié)構(gòu)廠房,橫向抗側(cè)力體系采用剛接框架結(jié)構(gòu),框架柱的柱腳一般剛性固定于基礎(chǔ),框架橫梁與柱頂?shù)倪B接節(jié)點為具有抗彎能力抵抗荷載剛接節(jié)點。

廠房縱向結(jié)構(gòu)由廠房柱、縱向構(gòu)件(吊車梁或輔助桁架、托系杅等)和柱間支撐等組成。

3.2 計算假定

單層廠房的骨架是由柱、梁(或銜架)和支撐等相互連接而形成的空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu),實際受力是空間的,為了簡化計算,將廠房骨架分解為平面體系,即廠房橫向框架和縱向結(jié)構(gòu)兩個相互獨立的體系。這種按兩個獨立的體系進行設(shè)計與實際結(jié)構(gòu)空間受力引起的誤差,在多年的工程實踐中被認(rèn)為是可以接受的,也沒有因此發(fā)生涉及安全的問題。橫向框架及縱向支撐的設(shè)計應(yīng)滿足強度、穩(wěn)定性(整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性)及剛度的要求[2]。廠房橫向和縱向剛度的容許值如表2所示。

表2 廠房剛度容許值

3.3 框架結(jié)構(gòu)布置

1)廠房框架柱網(wǎng)布置,就是確定廠房的跨度和柱距,與生產(chǎn)工藝有密切的關(guān)系,對廠房的造價影響較大,應(yīng)予以重視。

2)柱網(wǎng)布置應(yīng)從生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟三個方面綜合考慮確定:

a.滿足生產(chǎn)工藝要求。柱的位置應(yīng)與生產(chǎn)流程及設(shè)備布置相協(xié)調(diào),還應(yīng)適應(yīng)擴建和工藝設(shè)備更新的要求。同時,柱網(wǎng)布置應(yīng)考慮柱基礎(chǔ)與地下構(gòu)筑物相協(xié)調(diào),避免相互干擾。

b.滿足結(jié)構(gòu)要求。為保證車間正常使用,應(yīng)使廠房具有必要的橫向剛度,盡可能將柱布置在共同的橫向軸線上,以便與屋面橫梁(屋架)組成橫向框架。為了減少構(gòu)件類型,便于制作、安裝,廠房柱距應(yīng)盡量統(tǒng)一。

c.滿足經(jīng)濟要求。縱向基本柱距的大小對結(jié)構(gòu)的工程影響較大。增大柱距會使屋蓋、吊車梁的材料量增加,而柱及基礎(chǔ)的材料量將減少。合理的柱距應(yīng)使總的建造費用為最小。

綜上考慮,結(jié)合以往工程經(jīng)驗,最終結(jié)構(gòu)的柱距以15 m和18 m為基本柱距,局部有一定的差異性。

3)廠房溫度區(qū)伸縮縫的設(shè)置:廠房橫向長度最大為114 m,未超長,不需要設(shè)置溫度縫;縱向長度為420 m,在中間位置設(shè)置一道溫度縫即可。

3.4 框架構(gòu)件選型

1)框架的橫梁:屋面梁跨度多數(shù)為30 m,跨度較大。考慮到施工的方便,選用實腹式焊接H型梁截面,同時結(jié)合屋面梁的受力簡圖,采用更為經(jīng)濟的變截面形式,最終屋面梁選用實腹式變截面鋼梁。結(jié)合屋面支撐系統(tǒng)的布置,屋面梁平面外計算長度為6 m。

2)框架柱截面初步分析:車間最大吊車噸位為100/20 t,同時考慮到吊車的軌頂標(biāo)高為20.5 m,軌頂標(biāo)高較高,柱截面選用階形柱。階形柱上柱選用實腹式焊接H型、下柱初步選用格構(gòu)式柱。格構(gòu)式柱可采用型鋼組合格構(gòu)式柱、鋼管混凝土格構(gòu)式柱,鋼管混凝土格構(gòu)式柱又可分為四肢和兩肢格構(gòu)式柱。中型尤其重型工業(yè)廠房框架,采用鋼管混凝土柱比鋼柱廠房能夠節(jié)約10%～25%的鋼材[3]。另一方面考慮到吊車軌頂比較高,鋼管混凝土柱的抗側(cè)剛度要顯著大于普通格構(gòu)式鋼柱,故在設(shè)計之初排除掉型鋼組合格構(gòu)式柱的方案。針對廠房柱的下柱最終采用兩肢還是四肢鋼管混凝土柱進行重點對比分析,從而確定一種截面特性好且用鋼量更省的截面形式。計算分析時,柱截面平面外計算長度相同,無論兩肢還是四肢鋼管混凝土柱,下柱均未設(shè)置系桿。

4 建模分析

4.1 荷載

屋面恒載:屋面彩鋼板、屋面檁條和支撐等,取值0.5 kN/m2;是否有屋面通風(fēng)器根據(jù)實際情況確定。

屋面活載:屬于大跨、輕質(zhì)屋蓋結(jié)構(gòu),雪荷載應(yīng)采用100 a重現(xiàn)期的雪壓,即雪荷載0.4 kN/m2;活載0.5 kN/m2,雪荷載和活載為互斥荷載。建模時按照《荷載規(guī)范》7.2.2考慮最不利情況輸入相應(yīng)荷載情況。

風(fēng)荷載:0.4 kN/m2;吊車荷載:吊車噸位見表1,具體參數(shù)此處不再詳細(xì)列出。

邊柱柱頂荷載:天溝、外墻圍護結(jié)構(gòu)等。

其他:各個柱列的外網(wǎng)及參觀走道荷載。

4.2 三跨框架模型計算

首先對數(shù)量最多的三跨框架進行計算,即由板坯跨、軋輥間、主軋跨三跨組成的計算單元。三跨每跨跨度均為30 m,屋面坡度為1∶15,三跨雙坡,屋脊在正中間;柱距15 m;各跨吊車噸位見表1;基礎(chǔ)頂面的標(biāo)高-0.5 m,軌頂標(biāo)高為20.5 m,檐口標(biāo)高為28.2 m;梁柱節(jié)點采用剛接節(jié)點形式,柱腳為插入式柱腳。剛架自重,程序自動根據(jù)截面計算。

對四肢和兩肢的鋼管混凝土格構(gòu)柱分別進行建模計算,建模時只是兩廠房的下部格構(gòu)式柱不同,其余部分均相同。對兩個模型進行反復(fù)試算,盡量保持各柱計算結(jié)果的強度、穩(wěn)定應(yīng)力比等一致,以減小因結(jié)果控制不同而造成的鋼材材料量的差異性。在此前提下,對比兩種模型的用鋼量。柱距15 m框架材料量計算結(jié)果如表3所示。

表3 柱距15 m三跨框架材料量計算結(jié)果

由表3中數(shù)據(jù)可以明顯看出,在各個荷載參數(shù)均相同的情況下,無論是鋼材的材料量還是鋼管內(nèi)填充的混凝土量,兩肢柱均大于四肢柱。單榀四肢剛架重56.2 t,明顯小于單榀兩肢剛架重(64.6 t),兩肢剛架的單位面積用鋼量明顯高于四肢剛架的單位面積用鋼量,且高了15%。

4.3 四跨框架模型計算

四跨框架分別為板坯跨、軋輥間、主軋跨、主電機室跨。板坯跨、軋輥間、主軋跨跨度均為30 m,主電機室跨為24 m;屋面坡度為1∶15,四跨雙坡,屋脊位于軋輥間跨中間;柱距18 m;各跨吊車噸位見表1;基礎(chǔ)頂面的標(biāo)高-0.5 m,軌頂標(biāo)高為20.5 m,屋脊高度與三跨框架保持一致;梁柱節(jié)點采用剛接節(jié)點形式,柱腳為插入式柱腳。剛架自重,程序自動根據(jù)截面計算。

對四肢和兩肢的鋼管混凝土格構(gòu)柱分別進行建模計算,建模時只是兩廠房的下部格構(gòu)式柱不同,其余部分均相同。對兩個模型進行反復(fù)試算,盡量保持各柱計算結(jié)果的強度、穩(wěn)定應(yīng)力比等一致,以減小因結(jié)果控制不同而造成的鋼材材料量的差異性。在此前提下,對比兩種模型的用鋼量。柱距18 m的四跨框架材料量計算結(jié)果如表4所示。

表4 柱距18 m四跨框架材料量計算結(jié)果

由表4中數(shù)據(jù)可以明顯看出,在各個荷載參數(shù)均相同的情況下,無論是鋼材的材料量還是鋼管內(nèi)填充的混凝土量,兩肢柱均大于四肢柱。單榀四肢剛架重76 t,明顯小于單榀兩肢剛架重(85.9 t)。兩肢剛架的單位面積用鋼量明顯高于四肢剛架的單位面積用鋼量,且高了13%。

4.4 兩跨框架模型計算

兩跨框架分別為軋輥間、主軋跨。軋輥間、主軋跨跨度均為30 m,雙跨雙坡,屋脊位于軋輥間中;屋面有通風(fēng)器,且有單軌吊;柱距18 m;兩跨吊車最大噸位均為100 t,具體見表1;基礎(chǔ)頂面的標(biāo)高-0.5 m,軌頂標(biāo)高為20.5 m,屋脊高度與三跨框架保持一致;梁柱節(jié)點采用剛接節(jié)點形式,柱腳為插入式柱腳。剛架自重,程序自動根據(jù)截面計算[4]。

對四肢和兩肢的鋼管混凝土格構(gòu)柱分別進行建模計算,建模時只是兩廠房的下部格構(gòu)式柱不同,其余部分均相同。對兩個模型進行反復(fù)試算,盡量保持各柱計算結(jié)果的強度、穩(wěn)定應(yīng)力比等一致,以減小因結(jié)果控制不同而造成的鋼材材料量的差異性。在此前提下,對比兩種模型的用鋼量。柱距18 m的四跨框架材料量計算結(jié)果如表5所示。

表5 柱距18 m兩跨框架材料量計算結(jié)果

由表5數(shù)據(jù)可以明顯看出,在各個荷載參數(shù)均相同的情況下,無論是鋼材的材料量還是鋼管內(nèi)填充的混凝土量,兩肢柱均大于四肢柱[5-6]。單榀四肢框架重49.8 t,明顯小于單榀兩肢剛架重(59.8 t)。兩肢框架的單位面積用鋼量明顯高于四肢框架的單位面積用鋼量,且高了20%。

5 結(jié)論

1)對于中型尤其重型工業(yè)廠房框架,吊車噸位大,吊車軌頂標(biāo)高較高時,鋼管混凝土格構(gòu)柱采用四肢比兩肢用鋼量少,框架構(gòu)件可以節(jié)約13%～20%左右,經(jīng)濟效益非常明顯。

2)隨著框架橫向跨度越少,四肢鋼管混凝土柱耗鋼量越低,相較于兩肢混凝土柱的優(yōu)勢越大。

3)相同條件下,四肢鋼管混凝土柱相較于兩肢鋼管混凝土,不僅耗鋼量低,鋼管內(nèi)填充的混凝土量也大幅減少。