钢管混凝土柱在工业厂房结构中的应用

郭雅莉 王晓明

钢管混凝土结构(concrete-filled steel tubu1ar structures)是由混凝土填入钢管内而形成的一种组合结构。早在19世纪80年代,钢管混凝土结构就已经出现。随着经济的快速增长和社会需求的不断扩大,近年来我国加工制造业也飞速发展,重型及超重型设备的需求逐年增加,与之相应的超大设备加工机械也应运而生,为了满足超大型设备的布置以及各种先进生产工艺发展的需要,促使工业厂房不断朝着大跨度、大柱距、大吨位吊车的方向发展。而钢管混凝土作为一种新兴的主要结构,以轴心受压和作偏心较小的受压构件为主的组合结构,在大型工业厂房的设计应用中也越来越显示出其突出的优点。

1 钢管混凝土柱的特点

1)抗震性能优越、承载力高、延性好。2)耐火性能较好。3)施工方便,工期大大缩短。4)成本低、经济性好。

2 钢管混凝土的相关设计规范

目前国际上主要采用的设计规范有美国的AISC-LRFD(1999年)、英国 BS5400(1979年)、欧洲规范 EC4(1994年)、日本 AJJ(1997年)等。我国到目前为止颁布的有关设计规程主要有:1)国家建筑材料工业局标准JCJ 01-89钢管混凝土结构设计与施工规程;2)中国工程建设标准化协会标准CECS 28∶90钢管混凝土结构设计与施工规程;3)国家电力行业标准DL/T 5080-1999钢—混凝土组合结构设计规程;4)中国工程建设标准化协会标准CECS 159∶2004矩形钢管混凝土结构技术规程。其中CECS 28∶90,CECS 159∶2004是推荐性行业标准。另外,福建、上海、天津等地也相继颁布了针对或包含钢管混凝土结构设计的地方标准。

3 工程实例

由于钢管混凝土柱具有上述的优点,因此,我们在东北某超大规格特种铝合金板带材项目压延车间热轧、中厚板车间厂房的设计中,首次采用了钢管混凝土柱的结构形式,并取得了很好的效果。

3.1 工程概况

东北某超大规格特种铝合金板带材项目压延车间热轧、中厚板车间厂房,建设场地位于哈尔滨市,是该公司的新建项目。主厂房总长408 m,总宽281 m,共分为三个区。其中又以二区最具代表性,该区厂房共三跨,1-F～1-G为热轧板堆放和轧辊磨床跨,跨度24 m,全区运行一台200 t天车,一台32/8 t天车,1-G～1-H跨为热轧机组主跨,跨度30 m,全区运行一台100/20天车,两台32/8 t天车;1-H～1-J跨为加热炉和热轧附跨,跨度27 m,在1-1～1-27线区间运行一台80/20天车,1-27～1-36线区间运行一台32/8 t天车;三跨轨顶标高均为12.5 m;基本柱距12 m,15 m(推进式加热炉区域),其中在1-H轴由于热精轧机设备的需要,局部形成一个24 m抽柱,最为特别的是由于要满足长度30余米的热轧中厚板横向过跨(需将板材输送到位于三区厂房的淬火、拉伸、锯切等各跨进行下一步深加工)的工艺需要,在与三区厂房相接的1-F,1-G轴1-15～1-19线间更是抽出了42 m的柱距;屋面、墙面均为轻质围护结构。

3.2 选取结构形式

对于大跨度、大柱距、重吨位吊车的高大厂房,为保证吊车的安全运行和正常使用,长期以来,大多采用钢筋混凝土或钢格构式柱+有较大刚度的屋盖(比如平面桁架加水平支撑结构或空间网架结构上铺刚性屋面板的屋盖)的结构形式。但本工程厂房天车吨位较大(最大达200 t),柱距较大(局部柱抽柱达 42 m),厂房高度相对较高(轨顶标高12.5 m),像这样的厂房,目前在有色金属加工行业中还是首次碰到,其中的重点在于采用什么样的柱系统来满足在这样大的吊车吨位和柱距情况下的承载要求,同时又是相对经济合理的。根据经验,吊车吨位在100 t以上的厂房,已经不适宜采用钢筋混凝土柱,而传统的普通钢格构式柱,在目前的情况下,其钢量也将会相当的可观,基于此工程的实际情况以及结合工艺、建筑的要求和需要,经过初步的分析和比较,我们决定将厂房采用铰接排架结构:屋面为上承式平行弦钢屋架加水平支撑结构;上柱采用实腹式焊接钢柱,下柱采用(双肢)格构式钢管混凝土柱;钢吊车梁系统。

3.3 截面形式及计算

钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为圆钢管混凝土结构、矩形钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等,其中矩形和圆钢管混凝土结构应用最广。考虑到圆形钢管混凝土柱的强度等指标的各向同性以及工业厂房的特点,本厂房采用了圆钢管混凝土。对于厂房排架的计算,我们采用的是由中国建筑科学研究院编制的钢结构CAD设计软件STS,从其技术条件可知,该软件对于钢管混凝土及钢管混凝土组合截面系按照中国工程建设标准化协会标准CECS 28∶90钢管混凝土结构设计与施工规程(以下简称《规程》)计算的,而此规程也专指圆形钢管混凝土结构。因此本厂房钢管混凝土柱的计算主要是依照《规程》,采用STS进行设计计算的。

我们知道,单层工业厂房的柱属于偏心受压构件,为了充分发挥钢管混凝土结构的特点,一般情况下柱子都设计成格构式组合柱,把偏心弯矩转变为轴向力。本厂房均采用双肢格构柱、斜腹杆体系(腹杆为空钢管)。《规程》规定对此类柱应分单肢承载力和整体承载力两种情况进行计算。

程序对于格构柱的单肢承载力计算,首先按桁架确定其单肢的轴向力,再分别对压肢和拉肢进行承载力计算。拉肢承载力按钢结构拉杆计算,不考虑混凝土的抗拉强度;压肢的承载力和单肢柱计算相同,其长度在桁架平面内取柱节间长度,在垂直于桁架平面方向取其侧向支撑点的间距。

程序对单肢和整体承载力以及腹杆(缀件)的计算均按CECS 28∶90规程第四章中的相应公式进行。

以1-G轴1-32线柱(15 m柱距)为例:两柱肢φ 660×10,腹杆φ 244×8,Q235钢,C40混凝土。经过计算,其轴向力达6 038 kN,但柱整体承载力仅0.4(应力比),左、右两肢单肢最大应力分别为111.4 N/mm2,95.0 N/mm2,斜向缀条最大应力为94.96 N/mm2;吊车梁顶(下柱柱顶)最大水平位移仅1.2 mm。可以明显看出,虽然柱截面相对较小而荷载效应较大,但整个柱仍处于较低的应力状态,充分说明了钢管混凝土承载力高的特点。

关于钢管柱的刚度,CECS 28∶90规程采用的是简单的叠加法计算其轴向刚度及抗弯刚度。但考虑到构件受弯时混凝土开裂的可能,应对混凝土部分的抗弯刚度适当折减。可参考福建省工程标准DBJ 13-51-2003钢管混凝土结构技术规程,其弹性抗弯刚度计算公式为:EI=ESIS+&ECIC。其中,ES,EC分别为钢材和混凝土的弹性模量;IS,IC分别为钢管和混凝土在所计算方向的截面惯性矩;系数&取值采用方法为:对圆形钢管混凝土,取0.8,对于矩形钢管混凝土,取0.6。理由是圆形钢管对其核心混凝土的约束效果要优于矩形钢管。

经过我们的计算表明,采用钢管混凝土柱,在其截面取到φ 377～φ 500左右的情况下,就已经完全能够满足其承载力的要求,且处于较低应力的状态下。在用钢量方面,经过测算,和普通格构式钢柱相比较,在柱的用钢量上能够节省30%～40%甚至更多的用量,在钢材价格居高不下的今天,这一点是非常有利的。

4 需要完善的问题

1)我国尚未制定有关钢管混凝土结构防火设计方面的规定,在某种程度上制约了该类结构的推广应用。对于已经建成的钢管混凝土结构,有的采用钢筋混凝土结构的要求外包混凝土,有的按照钢结构的要求涂防火材料(可能偏于保守造成浪费),缺乏科学性和统一性。因此,在理论研究和工程实践的基础上,应尽快编制适合我国国情的钢管混凝土结构防火规范。

2)具有优越的抗震性能是钢管混凝土的重要特点,为合理而安全地在地震区推广这类结构,必须深入进行动力性能研究。但目前国内外对钢管混凝土的动力性能研究基本上只限于试验研究,尚没有提供可供规范使用的计算理论和设计公式;而且对钢管混凝土徐变和疲劳性能的研究大多还处在以试验研究为主,尚缺乏合理的设计方法上。

3)实际使用的钢管往往由钢板焊接而成,焊接残余应力对钢管混凝土构件性能的影响较大,当管壁较薄时更为突出,且在施工中,内填混凝土浇筑前钢管也有相当的初应力。因此关于残余应力和初应力对结构性能的影响,仍需要深入和系统的研究。

4)钢管混凝土在浇灌混凝土时,尤其对于大管径钢管水化热较难扩散,导致中心局部温度较高引起温度应力。温度应力对大管径钢管混凝土结构承载力的影响也有待研究。

[1] CECS 28∶90,钢管混凝土结构设计与施工规程[S].