钢管混凝土在冶金工业厂房中的应用*

2015-03-22王远坤王林林

现代冶金 2015年5期

关键词：框架结构厂房抗震

王远坤，王林林

(大峘集团有限公司，江苏南京 211112)

钢管混凝土在冶金工业厂房中的应用*

王远坤，王林林

(大峘集团有限公司，江苏南京 211112)

以唐山某工程为实例，讨论了钢管混凝土在冶金工程中的应用，并采用 MIDAS软件进行了设计校核。通过分析工程案例及大量的统计数据，阐述了钢管混凝土运用在冶金工程中所体现出的优点。

钢管混凝土；组合构件；冶金工程； MIDAS

引言

随着工业生产的不断发展，现代冶金工程对建筑材料以及建筑结构的要求越来越高，不仅要求结构的承载力、耐久性等达到一定的要求，而且塑性和韧性也要满足要求。如果用传统的钢筋混凝土结构，必将导致结构的“肥梁胖柱”现象，同时会影响设备的布置和使用空间。钢管混凝土是钢-混凝土组合结构中的一种，它能够适应现代工程结构向大跨度、重荷载以及承受恶劣使用条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求。钢管混凝土以其自身独特的优点出现在冶金建筑结构中，并逐渐形成了继砖石结构，混凝土结构，钢结构之后的第4种结构，尤其在最近几十年以迅猛的速度在实际工程中得到了广泛的应用，因而正被越来越广泛地应用于重型工业厂房、高层框架厂房和地下结构，并取得了良好的经济效益和建筑效果，钢管混凝土在冶金行业中是一个重要的发展方向。

1 钢管混凝土结构优点

钢管混凝土结构在冶金工业厂房中应用的优点如下：

(1)钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高。经实验证明，抗压承载力为混凝土柱的一倍以上，同时抗剪承载力也比钢筋混凝土柱高许多。和钢柱相比，抗压承载力虽略低，但却无局部失稳问题。而且钢管混凝土的塑性好，防止了管内混凝土的脆性破坏。

(2)扩大了使用空间。由于钢管混凝土柱的承载力高，不但柱子截面小，而且还可以采用大柱网、大空间的框架结构体系。经有关专家测算，在高层建筑中采用钢管混凝土柱比采用钢筋混凝土结构增加使用面积 3%～6%。

(3)柱子截面减小，降低了地基基础的造价。采用钢筋混凝土的高层建筑，其自重一般为1.5～2 t/m3(不包括基础)，而采用钢管混凝土柱钢梁结构时，一般自重都小于1 t/ m3，可以减小地基上单位面积荷载25%以上，因此，基础尺寸也相应减小，降低了基础工程造价。

(4)钢管混凝土柱的钢管较薄，简化了施工。在高层建筑中采用钢管混凝土柱时，钢管厚度一般不超过 40 mm，而采用钢结构时，需要的钢板厚度可达80～100 mm甚至更大。这样的厚板，目前国内的产品质量保证率很低，大部分需要从国外进口。同时对厚板制作和对接的焊接质量要求也很高，特别是现场进行柱段对接焊接相当困难，有时可能成为阻碍现场施工进度的一个复杂工序。

(5)钢管混凝土柱的耐火性能好。由于钢管内灌有混凝土，能吸收大量的热能，因此，在遭受火灾时，管柱截面温度场的分布很不均匀，增加了柱子的耐火时间。经实验统计数据表明：若需达到一级耐火3 h的要求，钢管混凝土柱与钢柱相比，可节约防火涂料1/2～2/3甚至更多，随着钢管直径增大，节约涂料也越多[1]。

2 设计实例

2.1 工程概况

唐山某钢铁集团拟建设2×1 080 m3高炉喷煤工程，其中包括新建一座高炉喷煤主厂房。主厂房长29 m，宽11 m，高27 m。采用钢管混凝土结构。主厂房内设有2台EM80中速磨煤机、9个喷吹罐、2个120 m3原煤仓、1个320 m3煤粉仓、2台布袋除尘器。

主厂房楼面采用压型钢板组合楼面，墙面采用带保温双层压型钢板。

工艺布置简图如图1所示。

图1 工艺布置简图

2.2 设计条件

2.2.1 总体指标

根据国家现行规范及设计任务书要求，本项目结构设计使用年限50年，结构安全等级为一级，抗震设防类别为标准设防类。

2.2.2 结构作用参数

(1) 永久荷载：3.0 kN/m2；

(2) 可变荷载：3. 0 kN/ m2；

(3) 基本风压：0.55 kN/ m2；

(4) 基本雪压：0.55 kN/ m2；

(5) 地震作用：根据文献[2]，本项目所在地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比为0.04。

2.3 结构分析与设计

本工程首先采用PKPM STS软件建模，采用PKPM SATWE软件进行结构整体分析。并用MIDAS Gen进行校核。在表1～4中，列举了结构自振周期和最大层间位移角的分析结果。验证结构满足规范要求。

表1 MIDAS Gen结果

表2 PKPM SATWE结果

表3 Midas Gen层间位移角计算结果

表4 PKPM SATWE层间位移角计算结果

钢管混凝土中柱采用Φ660 mm×12 mm钢管，内部浇筑C40混凝土。角柱采用Φ529 mm×10 mm钢管，内部浇筑C40混凝土。各截面材质均为Q235B。

2.4 设计分析

2.4.1 建设施工的改进效果

本工程钢管混凝土柱采用单管柱，和普通钢柱相比，零件少，焊缝短，而且柱脚构造简单，可以直接插入混凝土基础的预留杯口中，免去了复杂的柱脚构造；和钢筋混凝土柱相比，免去了支模、绑扎钢筋和拆模等工序，同时，由于减轻了自重，大大降低了施工强度。尤其近年来国内采用高位抛落无振捣及泵送顶升混凝土施工工艺以后，不但大大简化了现场施工，进一步缩短了工期，而且确保了混凝土施工质量。特别是对于高强度混凝土，可以避免其干硬，不易在钢筋笼中浇灌的缺点，效果更为明显。

本次钢管混凝土结构的实际应用，解决了公司在喷煤主厂房工程中长期存在而未能解决的“胖柱”问题，提高了建设水平，具有广阔的应用前景。

2.4.2 钢管混凝土框架具有较好的抗震性能

主要表现在：

(1)在框架中使用钢管混凝土柱，可以有效的改善框架结构抗侧刚度和侧向变形不易满足建筑结构抗震规范要求的缺点。

(2)在钢管混凝土框架结构中采用加强环板进行节点区的加强，可以有效的加强框架梁柱节点的抗震能力，使结构在受力过程中，节点不发生破坏。

(3)钢管混凝土框架的抗侧刚度和承载力较高，且有很好的延性和耗能能力。如果合理地设计其结构形式，并对梁和柱的抗弯能力加以提高，则钢管混凝土框架结构的变形和耗能能力将会得到更好的改善。

(4)由于钢管混凝土构件的抗弯和抗剪性能好、刚度大、延性好、耗能能力强，因而用作重载建筑中的柱子时，可以做到不限制轴压比，仅控制长细比。高层冶金工业建筑中用钢管混凝土柱时，可以比钢筋混凝土柱减少柱截面的50%甚至更多，从而获得良好的经济效益。

(5)当钢管混凝土框架结构柱的直径与钢筋混凝土框架结构柱的相等、长细比相同时，钢管混凝土框架结构的各控制位移大于钢筋混凝土框架结构的相应位移；钢管混凝土结构的位移延性系数和弹性抗侧刚度均比钢筋混凝土结构的大；钢管混凝土结构的屈服荷载大于钢筋混凝土结构的屈服荷载。说明钢管混凝土框架结构较钢筋混凝土框架结构的抗震性能好、抗震能力强。

2.4.3 研究方向

钢管混凝土结构虽然有诸多优点，但是实际施工时仍出现一些问题，建议下一步将从以下几个方面进行研究：

(1)施工力学问题的研究：在进行钢管混凝土构件的施工时，一般都是先安装空钢管结构，这时空钢管单独承受施工荷载，当采用泵送顶升法工艺进行核心混凝土施工时，将在空钢管内产生动压力，从而可能导致在钢管局部产生应力集中现象，严重时可导致钢管胀裂，由于上述原因导致了一些工程事故，造成不同程度的损失，因此，应对类似的钢管混凝土施工力学问题进行系统的研究，并提供合理的施工方法。

(2)核心混凝土质量问题的控制：在进行钢管混凝土构件的施工时，钢管结构的制造及其核心混凝土的浇灌应分别符合现行《钢结构设计规范》和《混凝土设计规范》的有关规定及验收标准，但钢管混凝土的施工有其特殊性，即混凝土被外围钢管所包覆，造成浇筑质量难以控制，由于对该问题处理不当，已有一些事故发生。

混凝土浇灌质量的好坏将直接影响到钢管混凝土构件设计目标的实现，正是由于混凝土被外围钢管所包覆，也造成了测定其浇筑质量的复杂性。研究结果表明，混凝土密实度对钢管混凝土构件的力学性能影响很显著，在对钢管中混凝土浇灌质量问题研究时，要充分考虑控制混凝土强度和密实度，前者可以保证混凝土达到设计强度，后者可以保证钢管和核心混凝土相互协同作用的充分发挥[3]。