钢管混凝土技术在特重型钢结构厂房中的应用介绍

　　[摘要]本文以天津赛瑞特重型厂房的设计为例，论述了在大吊车荷栽作用下，钢管混凝土组合柱的经济性及合理性；对柱脚、肩梁以及钢管混凝土组合柱的节点构造与受力性能作了简单的论述；并且简单介绍了钢管混凝土组合柱的计算要点。
　　[关键词]钢管混凝土组合柱，节点设计；
　　前言
　　钢管混凝土构件是指在钢管中填充素混凝土而形成的组合构件。它是从密排螺旋箍等套箍混凝土演变而成的，其基本受理机理是：
　　1.借助内箍混凝土来增强钢管壁的稳定性；
　　2.借助钢管对核心混凝土的约束作用，使其处于三向受压状态，从而提高其抗压强度和变形能力。
　　钢管混凝土构件具有承载力高、塑性韧性好、抗震性能好、施工制作方便、耐火性能好、经济效果好以及外形美观等突出优点。
　　在结构受压杆件中，采用钢管混凝土构件替代传统的钢筋混凝土和结纯钢构件，可大幅度地节省钢、木、水泥用量和减轻结构自重，使杆系结构的受力性能大为改善。随着近年我国对基础项目投资力度的加大，重型车间项目不断增多，天车吨位越上越大，钢管混凝土的优越性也得到了更好的体现。笔者完成的天津赛瑞机器设备有限公司超重机加工车间就是一个很好的实例，下面我们就以此工程为实例对钢管混凝土组合柱的受力性能及节点构造进行简单的阐述。
　　工程概况:
　　天津赛瑞机器设备有限公司超重型机加工车间平面尺寸360x86.3m，中间主跨跨度36.3m，两侧附跨跨度各25m，车间柱距除局部为16m外其他均为12m。两侧附跨檐口标高21.25m，各设有125t天车两台，天车轨顶标高15m；中间主跨檐口标高42.5m，设有双层天车，下层设有125吨天车两台，天车轨顶标高24.5m，上层设有600吨天车一台，天车轨顶标高33m。上述天车除600吨天车外工作级别均为A5级，600吨天车工作级别为A3级。
　　该车间的特点是厂房非常高大，达到了40m以上；车间跨度大，达到了36m；天车吨位大，达到了600吨，如此大吨位的厂房在全国范围内也是非常少见的。厂房的以上特点对于车间立柱的强度、塑性、耐疲劳以及耐冲击的要求更高。经多方计算比较本车间最终确定采用钢管混凝土组合柱作为主要构件进行设计，其受力性能以及经济指标均较传统的混凝土柱和格构式型钢柱更为优越。其建成后必将会为大跨度、大柱距、大吨位天车的工业建筑提供一个可借鉴的结构范例，并能进一步在实际中验证钢管混凝土格构柱的工程优越性。
　　该车间地处天津军粮城附近，临近塘沽开发区，因车间高度过大，风荷载影响会较为显著，故风荷载取值未按天津地区0.5KN/m2，而是按塘沽地区的风荷载0.55KN/m2取值，并且考虑了1.05的风荷载放大系数；地震设防烈度7度，基本地震加速度0.15g，第一组，III类场地土；车间屋面采用轻钢彩板屋面，维护系统采用高频焊接型钢，屋面支撑系统采用单角钢支撑，自重较轻，按0.45KN/m2考虑；活载按天津地区雪荷载0.4KN/m2与标准活荷载0.3KN/m2取二者中较大值，并与0.2KN/m2的公用吊挂荷载叠加计算；本工程天车吨位非常大导致肩梁天车反力非常大，两侧附跨肩梁处天车（125t）反力2356KN（最大轮压）、475KN（最小轮压），中间主跨下层肩梁处天车（125t）反力2387KN（最大轮压）、490KN（最小轮压），上层肩梁处天车（600t）反力5375KN（最大轮压）、1498KN（最小轮压）。
　　本工程采用中国建筑设计研究院编制的PKPM-STPJ进行的模型计算。
　　车间立柱选型：
　　本车间两侧附跨天车起重量较小，采用传统的型钢格构柱完全能满足设计要求，型钢格构柱非本文所讨论的范围，在此不再敷述。本文仅讨论中间主跨因车间高度过大，天车起重量过大而采用钢管混凝土组合柱的优越性。
　　1. 不同形式柱的比较
　　传统的大型工业厂房排架柱，一般都采用钢筋混凝土或钢为材料，组成格构式柱，以承受屋盖、吊车、风以及地震力传来的荷载。其中前者自重大，施工时需要大量的模板，其质量受气候及季节的影响较大，与其他结构构件(如吊车梁，屋盖支座、围护及柱间支撑)的连接较为复杂，需预先埋设预埋件，对整个工程来说费工费料，工程进度缓慢，并缺乏美观性；在大跨度、大柱网、大吊车作用下，其截面非常大，从而影响车间的利用率。后者由于采用结构钢一种材料组成，其承压能力相对较弱，而且焊接工作量过大，焊接应力也相应增大，因而也不是很理想。钢管混凝土柱即由钢管制作成钢柱或钢格构柱，并在管内填充混凝土形成的复合材料构件，它集钢筋混凝土和钢各自的优越性于一体，大大提高了排架柱的受力及耐疲劳性能，因而在大跨度、大柱网、大吊车作用下，比以往的钢筋混凝土柱或钢柱更有优越性。经计算分析，本工程采用钢管混凝土柱与钢柱相比，在保持自重相近和承载能力相同条件下，可节省钢材约50％，焊接工作量可大幅度减少；与普通混凝土柱相比，在保持钢材用钢量相近和承载能力相同条件下，构件截面面积可减小一半，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少50％。
　　2. 柱形式与截面的确定
　　常用的单层工业厂房钢管混凝土格构式组合柱截面形式有双肢柱、三肢柱、四肢柱。双肢柱及三肢柱一般用于轻型无吊车或吊车起重量较轻的单跨、多跨厂房。本工程由于车间高度过高，吊车及风荷载较大，因而下柱采用四肢柱，600吨吊车轨顶以上采用焊接工字钢柱。根据计算分析结果及吊车布置选用柱截面，钢管规格基本均为480x14mm。
　　钢管混凝土格构式组合柱，柱肢间通过腹杆连成整体，一方面可减小柱肢的计算长度，另一方面承受部分水平荷载。腹杆采用钢管，其壁厚不大于柱肢管壁，与柱肢钢管直接焊接。一般来说斜腹杆与水平面的夹角宜在四十五度左右。腹杆间在柱肢上的距离应大于50mm以减少焊接应力。因腹杆钢管直径较小，考虑到施工采购的问题，按Q235B进行设计。
　　组合柱的材质及节点构造
　　1.柱脚
　　为使柱脚的刚接性能得到充分保证，本工程柱脚采用传统的插入式柱脚。柱脚钢管的端头必须用封板封闭，这对解决柱与基础连接面的局部受压强度是非常有利的，但考虑到柱脚灌浆的方便，在封闭端板上还开设了直径240mm的泌浆孔，以保证灌浆混凝土能充分的灌满。根据本工程的受力情况，我们在封板与柱肢连接处增设加劲肋以提高其刚度，另外由于钢管柱肢与基础混凝土的粘剪强度较弱，柱脚钢管需设置抗剪栓钉。本工程钢管混凝土组合柱，柱脚直接插入两个杯口基础中，安装就位并校正固定后，再用细石混凝土分两次灌筑与基础连成整体。由于柱承受的水平荷载及弯距很大，按照规范规定，柱脚插入深度取5倍管径。
　　2.肩梁
　　格构式阶形变截面柱往往用肩梁来连接。本工程上柱内肢直接焊于肩梁上翼缘板，外肢穿过上翼缘板与肩梁下翼缘板焊接。这种连接方式避免了柱接头在同一平面的缺陷，有利于提高柱的整体强度。肩梁相当于转换梁，把上柱荷载通过转换传递给下柱。肩梁两端由上下翼缘、腹板与下柱柱肢以剖口焊缝连接。为了加强刚度和传力的可靠性，肩梁腹板尽可能穿过下柱柱肢，并加设必要的肋板。由于吊车吨位特别大，肩梁又是上下柱连接的关键部位，我们在选定柱平面尺度时，将吊车梁位置设计在下柱内肢管轴线处，使受力更直接，传力途径更简短。同时，把肩梁的上翼缘板设计成一整块钢板，在上翼缘板合适位置开有直径100mm的孔，可以散发因箱形肩梁焊接时产生的焊接烟尘；在肩梁的下翼缘板上开设最小边长400mm的孔洞，其目的是可以使焊接工人及工具可以进入肩梁内部进行焊接。
　　3.材质
　　单层厂房中钢管混凝土组合柱由于承受吊车及风荷载，所以柱的钢管材质也应有一定的韧性。本工程中，钢管采用Q345B钢制作的轧制无缝钢管或螺旋焊接管。柱内混凝土应尽可能减少游离水份。我们选用C40无收缩混凝土，水灰比控制在0.45以内，骨料粒径0．5-3cm，坍落度取15～18cm以利于泵送顶升浇灌法施工。
　　钢管混凝土组合柱的计算要点简述
　　钢管混凝土组合柱由多个钢管混凝土柱肢组成，应根据排架分析结果，分别对整体承载力和单肢承载力进行验算。验算公式见《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28:90)第4.2.5条。
　　当柱肢承受拉力时，只考虑钢管作用，忽略混凝土的抗拉强度；由于柱肢钢管对管内混凝土有紧箍作用，当柱受压时，管内混凝土处于三向应力状态，因此受压计算除考虑钢管与混凝土抗压能力外，尚应计入核心混凝土抗压强度提高系数。
　　钢管混凝土组合柱整体承载力计算时，必须根据柱的长细比及偏心率情况进行折减，具体见有关规范。三肢、四肢柱受压弯时，由于排架柱柱距比跨度要小，弯矩作用平面外柱密而多，同时又有多道柱间支撑及吊车梁连接，一般不必验算弯矩作用平面外的整体稳定性，但应验算平面内稳定性及单肢节间局部稳定性。
　　组合柱腹杆计算，其内力取实际作用于格构柱上的横向剪力设计值与格构柱轴心受压短柱的承载力设计值算得的剪力中较大者进行验算。除需验算腹杆的强度及稳定外，腹杆与柱肢的焊缝也必须计算。承受轴心荷载格构柱的剪力设计值可认为沿构件全长不变。
　　肩梁的计算，一方面要考虑其作为简支梁承受肩梁上部柱的荷载，同时，它作为特殊缀板的作用也不容忽视。
　　组合柱的柱脚出现拉力时，需验算混凝土的抗粘剪强度。当不满足要求时，可在钢管上加焊栓钉连接件或短钢筋。
　　结束语：
　　钢管混凝土组合柱替代传统的钢筋混凝土柱或钢格构柱，对工业建筑工程中的大跨度、大柱距、大吊车的厂房来说，具有不可低估的优越性。天津赛瑞机器设备有限公司超重型机加工车间的设计方案对比表明，本工程采用钢管混凝土柱与钢柱相比，可节省钢材约50％，焊接工作量可大幅度减少；与普通混凝土柱相比，在保持钢材用钢量相近和承载能力相同条件下，构件截面面积可减小一半，混凝土和水泥用量、构件自重相应减少50％。充分显示了钢管混凝土柱作为组合材料受力构件的力学优势。
　　参考文献：
　　1.刘大海杨翠如型钢钢管混凝土高楼计算和构造中国建筑工业出版社
　　2.钢管混凝土结构设计与施工规程CECS28:90中国计划出版社
　　3.韩林如杨有福现代钢管混凝土结构技术中国建筑工业出版社