基于型钢混凝土柱和钢管混凝土柱结构设计方法的比较

徐敏

【摘要】文章首先分析了钢管混凝土柱和型钢混凝土柱结构设计的工作原理和方法，然后通过比较两种结构，分析出各自的优点和缺点，以便达到设计的目的。

【关键词】钢管混凝土柱；型钢混凝土柱；结构设计

随着社会的发展，人们对建筑物的要求也越来越高。各种新技术被应用到建筑业中，对于建筑物来说基本的设计就是建筑物的结构设计，当前在建筑中应用最多的结构是：刚一混凝土组合结构。经过不断的改进和优化，这种结构的应用也更加的成熟，并逐渐的向结构体系方面发展。承重构件和抗侧力构件是组合结构体系中最主要的构成部分，一般采用的是型钢混凝土和钢管混凝土。将两种结构相结合应用，可以提高建筑结构的受力性能。在结合这两种结构的是要注意二者之间的差异，设计师在设计时要注意到这一点。

1.钢管混凝土柱结构与型钢混凝土柱结构工作原理比较

钢管混凝土是指将混凝土填入薄壁圆形钢管内形成的组合结构构件。由于混凝土不是一种均匀的材料，混凝土中砂石和骨料之间会有一些缝隙，当超过混凝土的承受力时，混凝土的缝隙会继续扩大，使得混凝土分成若干与轴向压力方向大致平行的微柱，进而破坏混凝土。将混凝土填入到圆形钢管内，钢管可以提供给内部混凝土侧向压力，进而限制混凝土之间的缝隙继续扩大，提高从而提高混凝土的抗压性能和变形能力。在一些比较薄的钢管内部填入混凝土，内部的混凝土对钢管也起到了一定的支撑作用，可以防止钢管承受压力过大后发生变形和失稳。通过以上分析总结出了钢管混凝土柱的工作原理：钢管混凝土柱利用的钢管对内部混凝土的侧向压力来达到约束混凝土的目的，钢管内部的混凝土受到的是三个方向上的应力，限制了混凝土的纵向裂变，同时提高了混凝土的抗压性能和压缩能力。而在钢管内部填筑混凝土以后，可以提高钢管本身的稳定性，增强了钢管混凝土的抗压性能。

型钢混凝土柱是指在配置混凝土时采用型钢作为主要的受力骨架，其他的构件采用钢筋来受力。在配置混凝土时加入型钢，使得混凝土和型钢能够相互制约。型钢可以制约混凝土，提高混凝土的强度；而型钢被混凝土包围在内侧，当建筑结构的承载力超过构件以后，型钢的局部不会发生变形。型钢混凝土柱的承载力要远远高于钢筋混凝土柱，由于型钢混凝土柱的型钢是集中配置的，钢筋混凝土中的钢筋是分散配置的，因此型钢混凝土柱的刚度要比钢筋混凝土刚度高。

2.钢管混凝土柱结构与型钢混凝土柱结构计算方法比较

在计算钢管混凝土承载力时参考的是套箍指标，反应钢管混凝土的组合作用和受力性能的一个重要参数就是套箍指标，数θ=As ×fs/ fc ×Ac ， θ范围在0.3～3 之间， 下限0.3 是为了防止钢管对混凝土的约束作用不足而引起脆性破坏， 上限3 是为了防止因混凝土强度等级过低而使结构在使用荷载下产生塑性变形[1]。通过实验验证：当0 .3 ≤θ≤3 时，在正常的使用环境下，钢管混凝土构件的工作性能具有一定的弹性，当达到一定的承载力以后钢管混凝土依然有很好的延展性。在这种情况下，钢管混凝土柱的抗压性和承载力都得到了最大化的发挥，可以有效的避免因钢管混凝土柱不稳定而降低混凝土柱的承载力和轴心力的偏移，此外还要注意钢管混凝土的长度和粗细的比例，其比值不能大于20（L＼D≤20），而轴压力的偏心率不能大于1（e0＼rc≤1）。当θ≥0.9时，在钢管混凝土柱的应力——应变曲线中没有下降的情况，当轴压比为1时，钢管混凝土的抗弯能力仍满足构件的需求，在这种情况下可以不用限制轴压比[2]。为了增强型钢混凝土的延性和耗能性能，需要控制型钢混凝土的轴压比，在计算型钢混凝土的轴压比时可以用：N/（fc ×Ac + fa ×Aa）这个公式来计算。

3.型钢混凝土柱与钢管混凝土结构优缺点比较

通过分析钢管混凝土柱和型钢混凝土柱的工作原理和计算方法，可以看出这两种结构的混凝土都有各自的优点和缺点。在设计和实际的应用中，就要注意二者的不同，选择合适的结构。钢管混凝土结构的优点是：第一，因为钢管能够制约内部的混凝土，使得混凝土受到三个方向上的应力，提高了混凝土柱的抗压强度。第二，填在钢管内部的混凝土又可以控制钢管，防止钢管发生局部的弯曲和变形，从而很好的提高了钢管的抗压强度。第三，与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土柱的抗扭承载力和抗剪强度也都得到了很大的提升。此外，也提高了内部的混凝土的抗压强度，使得混凝土能够发挥出高强度混凝土的作用。第四，与钢筋混凝土柱相比，钢管混凝土需要承载的压力更高，不用控制限压比，混凝土柱截面的面积可以缩小到一半以上。第五，与型钢混凝土柱相比，型钢混凝土需要承载的压力是钢管和混凝土单独承载力之和的2倍，因此可以减小截面的面积[3]。外部的钢管对内部的混凝土产生的套箍作用，当柱发生破坏时，由直接性的破坏转化为延性破坏。当θ≥0.9时，在往复水平荷载的作用下，柱的延性得到了提升，具有很大的延性系数值。第六，采用的是管壁比较薄的钢管，不用为了加厚钢管而进行额外的焊接加工工序。第七。在钢管内部填入混凝土以后，混凝土可以吸收外部的熱量，进而提高了柱的耐火性能，进而节省了一部分防火涂料。缺点是：钢管混凝土容易产生横向的压缩和变形，对于楼层比较高的建筑来说，会有一定的风险。与型钢混凝土相比，其连接点的的工序要复杂的多，在实际的施工过程中，浇筑楼板的混凝土要比浇筑钢管混凝土快的多。为此在施工阶段时，为了限制钢管的初始压应力，需要依据施工阶段的荷载来计算和验证钢管的强度和稳定性。

型钢混凝土结构的优点：第一，与单纯的钢结构相比，型钢的混凝土柱外包的混凝土可以有效的抑制内部型钢的弯曲和变形，同时还能改善型钢的平面外扭转屈曲性能，从而充分的发挥钢骨的钢材强度，能够节省大约一半以上的钢材。第二，由于型钢混凝土结构的刚度和阻尼比比较大，当发生地震或刮大风时，可以防止建筑物结构的变形。第三，外包的混凝土可以延长混凝土柱的使用寿命，增强柱的耐火性能。第四，与单纯的钢筋结构的混凝土柱相比，型钢混凝土的压弯承载力和受压剪力都得到了很大的提升；同时框架梁到柱节点的抗震性能也得到了改善；低周往复荷载下的构件滞回特性、耗能容量以及构件的延性均有较大幅度提高[4]。第五，构件中的钢骨可以作为施工阶段的荷载，将构件模板悬挂在钢骨上， 就可以同时对多个楼层进行灌浇混凝土等作业， 提高了施工的效率。型钢混凝土的缺点是：不仅要制作和安装钢结构，还要安装支护模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土，工序繁琐、工作量大，加大了施工的难度。在设计的过程中，工程师应该结合工程的实际情况，尽量的发挥出这两种柱的优点，有效的避免缺点，从而才能体现出这两种结构的特点，以达到设计的目的。

4.结束语

通过分析钢管混凝土柱和型钢混凝土柱结构的工作原理和计算的方法，对这两种结构的优势和缺点进行了比较。为了充分的发挥这两种结构的优点，在设计时要充分的注意到二者结构特点，并应用到对应的结构体系中，能与其他的构件协调的工作。

参考文献：

[1] 钱稼茹，江枣，纪晓东. 高轴压比钢管混凝土剪力墙抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报. 2010（07）

[2] 肖建庄，杨洁，黄一杰，王正平. 钢管约束再生混凝土轴压试验研究[J]. 建筑结构学报. 2011（06）

[3] 唐国昱. 型钢混凝土结构在工程设计中的应用[J]. 价值工程. 2012（21）

[4] Jasim Ali Abdullah. 钢管混凝土和套管混凝土短柱的抗剪强度和性能分析[J]. 钢结构. 2010（03）