带肋方钢管混凝土柱的经济性分析

黄义勇，黄 宏

(1.中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070;2.华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013)

方钢管混凝土是在方形钢管中灌注混凝土而成的组合构件，具有承载力高、抗弯刚度大、节点形式简单、建筑布局灵活、耐火性能好、制作和施工方便等特点［1］。应用在高层建筑和桥墩中的方钢管混凝土，其截面尺寸一般都比较大，在荷载的作用下管壁较易产生向外的局部鼓曲，这样就降低了构件的承载力。以往的研究结果表明［2-5］:设置纵向加劲肋能有效改善钢管管壁的稳定性，增强钢管对核心混凝土的约束作用，从而提高此类构件的极限承载力。

本文拟以济南—广州国家高速公路江西瑞金至寻乌段的K1 493+980塘坊分离式立交桥桥墩为算例，根据当前江西省材料市场供应和加工价格，对钢筋混凝土、方钢管混凝土和带肋方钢管混凝土桥墩墩柱的工程造价进行了计算比较，从而对带肋方钢管混凝土的经济性进行分析，以期为有关工程设计提供参考。

1 设计方法

本文带肋方钢管混凝土柱的设计方法是在江西省工程建设标准DB 36/J001—2007《钢管混凝土结构技术规程》的基础上，考虑纵向加劲肋的贡献，对规程中方钢管混凝土柱的承载力计算公式进行必要修正，修正后的计算公式得到了大量试验和有限元分析结果的验证，计算结果稍偏于安全［2-3］。

1.1 钢管宽厚比限值

江西省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》中方钢管混凝土构件钢管宽厚比限值(B/t)0为

其中，fy为钢材的屈服强度。当方钢管宽厚比 B/t超过其限值(B/t)0时，则有必要采取设置纵向加劲肋的构造措施来提高管壁的稳定性。

1.2 加劲肋尺寸设计

纵向加劲肋尺寸的确定是带肋方钢管混凝土柱设计中必须考虑的问题:加劲肋尺寸过小，加劲作用不明显，不能有效改善管壁的稳定性，而加劲肋尺寸过大势必造成钢材的浪费，所以有必要把加劲肋的尺寸控制在适宜的范围内。同时本文建议加劲板件的取材宜与钢管相同，这样有利于加劲肋的取材和制作。

文献［2］在前人研究的基础上，根据试验数据回归分析，提出了纵向加劲肋的惯性矩要求计算公式

其中，ω为子板件的宽度，单肋取为B/2，双肋取 B/3;fy为钢材的屈服强度。当加劲肋惯性矩Is不小于设计要求值Is，re时，加劲肋的尺寸才是适宜的。

1.3 轴压承载力设计

江西省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》中方钢管混凝土轴压强度承载力Nu的计算公式为

其中，Asc为方钢管和混凝土二者的截面面积之和;fsc为方钢管混凝土的组合轴压强度设计值;ξ为约束效应系数;As为方钢管的截面面积;f为钢材的强度设计值，Ac为混凝土的截面面积;fc为混凝土轴心抗压强度设计值。

文献［2］建议纵向加劲肋对构件轴压承载力的贡献Astfst可直接加入式(3)中，从而得到带肋方钢管混凝土轴压强度承载力Nuc的计算公式为

其中，Ast为构件横截面内加劲肋的面积之和;fst为加劲肋的强度设计值。

1.4 抗弯承载力设计

江西省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》中方钢管混凝土抗弯承载力Mu的计算公式为

其中，γm为抗弯承载力计算系数;Wsc为方钢管混凝土的截面抗弯模量，Wsc=B3/6;ξ为约束效应系数。

文献［3］建议纵向加劲肋对构件抗弯承载力的贡献Wstfst可直接加入式(7)中，从而得到带肋方钢管混凝土抗弯承载力Muc的计算公式为

其中，Wst为加劲肋的截面抗弯模量;fst为加劲肋的强度设计值。

1.5 压弯承载力设计

江西省工程建设标准《钢管混凝土结构技术规程》给出了方钢管混凝土压弯构件的N/Nu－M/Mu相关方程

对于带肋方钢管混凝土压弯构件，可分别用Nuc和Muc替换相关方程(10)中Nu和Mu［3］;由此得到带肋方钢管混凝土压弯构件的N/Nuc－M/Muc相关方程为

其中，Nuc为构件的轴压承载力，由式(6)确定;Muc为构件的抗弯承载力，由式(9)确定;N为轴压承载力;M为抗弯承载力;其余参数 a、b、c、d、φ、ηo的确定方法见江西省工程建设标准DB 36/J001—2007《钢管混凝土结构技术规程》中的相关规定。

2 设计方案

瑞金市境内K0+187立交桥是一座采用独柱式桥墩的跨线立交桥(济南—广州国家高速公路江西瑞金至寻乌段)，桥型布置见图1。该桥上部结构形式为13 m+18 m+18 m+13 m的四跨钢筋混凝土连续梁，下部桥墩采用独柱式桥墩，桥台采用桩基接台帽，桩基均采用钻孔灌注桩基础。

现以①号桥墩墩柱为例，如图2所示。墩柱高度H=8.5 m，墩柱设计荷载为:弯矩 M′=1 530.0 kN·m，轴力N′=3 000.0 kN。以下分别采用钢筋混凝土、方钢管混凝土和带肋方钢管混凝土三种方案对①号桥墩墩柱进行设计，设计的原则是保证三种方案的实际承载力接近，表1中分别列出了三种设计方案的实际承载力。

图1 桥型布置(单位:cm，高程单位:m)

方案一:设计为钢筋混凝土独柱式桥墩。墩柱直径D=1.2 m;钢筋采用HRB335，钢筋强度设计值f=300 MPa;混凝土采用 C30，混凝土强度设计值 fc=14.3 MPa。

表1 三种方案的允许承载力比较

图2 ①号桥墩墩柱(单位:cm)

方案二:设计为方钢管混凝土独柱式桥墩。墩柱的截面边长B=0.65 m，方钢管壁厚t=14 mm;钢材采用Q345，钢材屈服强度fy=345 MPa，钢材强度设计值f=310 MPa;混凝土采用C40，混凝土强度设计值fc=19.1 MPa;采用喷涂防火涂料的防火措施，防火保护层厚度取10 mm(耐火极限2 h)。

方案三:设计为带肋方钢管混凝土独柱式桥墩。墩柱的截面边长B=0.75 m，方钢管壁厚t=7.5 mm;钢材采用Q345，钢材屈服强度fy=345 MPa，钢材强度设计值 f=310 MPa;混凝土采用C40，混凝土强度设计值fc=19.1 MPa;采用喷涂防火涂料的防火措施，防火保护层厚度取10 mm(耐火极限2 h);方钢管的宽厚比不满足规范规定的宽厚比限值要求，因此在每个管壁内侧中部设置一条纵向加劲肋，加劲肋的高度hs=150 mm，加劲肋的厚度ts=7.5 mm。

3 经济性分析

表2、表3分别列出了①号桥墩墩柱采用钢筋混凝土、方钢管混凝土和带肋方钢管混凝土柱的材料用量情况。

带肋方钢管混凝土柱与方钢管混凝土柱相比，虽然增加了部分的混凝土和防火涂料的费用，但却节省了将近40%的钢材费用，因此降低了29%的工程造价，经济效益显著。

而带肋方钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱相比，带肋方钢管混凝土柱的混凝土费用减少了52%，但钢材费用却提高了88%，且防火涂料费用也略比模板费用高，所以导致带肋方钢管混凝土柱的工程造价比钢筋混凝土柱高出35%。

表2 钢筋混凝土柱的材料用量

表3 方钢管混凝土柱和带肋方钢管混凝土柱的材料数量

综上所述，在实际工程应用中，带肋方钢管混凝土柱比钢筋混凝土柱略占优势，尤其是有大量墩柱的工程，带肋方钢管混凝土施工方便和缩短工期的优势更为明显;同时带肋方钢管混凝土桥墩结构轻巧美观，墩柱截面较小，桥下通视情况好，特别是在桥宽较大的城市桥和立交桥中，能保证墩身具有较大的强度和刚度。

4 结论

1)带肋方钢管混凝土柱与方钢管混凝土柱相比，节省了40%左右的钢材费用，降低了29%的工程造价，经济效益显著。

2)带肋方钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱相比，混凝土费用减少了52%，钢材费用提高了88%，工程造价高出了35%。

3)带肋方钢管混凝土柱具有施工方便和缩短工期的明显优势，施工工期缩短了一半以上，因此在实际工程应用中，带肋方钢管混凝土柱比钢筋混凝土柱略占优势，综合效益良好。

［1］韩林海.钢管混凝土结构—理论与实践(第二版)［M］.北京:科学出版社，2007.

［2］陶忠，于清.新型组合结构柱—试验、理论与方法［M］.北京:科学出版社，2006.

［3］王冬晔.带肋薄壁方钢管混凝土柱力学性能研究［D］.福州:福州大学，2006.

［4］张耀春，陈勇.设直肋方形薄壁钢管混凝土短柱的试验研究与有限元分析［J］.建筑结构学报，2006，27(5):16-22.

［5］黄宏，李毅，张安哥.带肋方钢管混凝土轴压短柱的试验研究［J］.铁道建筑，2009(12):113-115.