火力发电厂主厂房中钢管混凝土双肢柱的肩梁设计方法

东北电力设计院 魏 颖 陈 野 李盛龙

东北电力大学建筑工程学院 曾 聪

钢管混凝土双肢柱具有承载能力高，滞回性能好等突出优点，但在我国大型火力发电厂房的设计中应用并不多，究其原因是在重型工业厂房的应用实践中发现，肩梁是该构件体系的一个薄弱点，双肢柱的肩梁与汽机房吊车梁的连接处经常会发生较大变形，甚至破坏，肩梁在性能上的缺陷和不确定性成为了制约钢管混凝土双肢柱在火力发电厂主厂房中应用的关键因素。

图1 改进型钢管混凝土单腹板肩梁的构造

对于肩梁设计方法和构造的研究一直是工程技术人员关注的重点，同济大学沈祖炎等[1]1997年首先把钢管混凝土肩梁作为一个专门的研究课题，针对其极限承载力和刚度问题进行了研究。1998年西安建筑科技大学于安林等[2]通过试验研究和理论分析，提出了钢管混凝土双肢柱单腹板肩梁的构造和设计方法。近年来，为了克服肩梁与吊车梁在连接构造上的缺陷，并满足重型工业厂房的需求，苏明周等[3]在2010提出了一种改进型的钢管混凝土单腹板肩梁双肢柱体系，从试验角度对该体系的承载力和破坏模式进行了研究，之后董振平[4]又在其博士论文中对该构件体系中肩梁的受力性能和承载力计算方法进行更深入了研究。证明这种改进型单腹板肩梁是有效可行的，本文介绍了这种构件体系的构造、破坏模式和设计公式，并提出了将改进型单腹板肩梁钢管混凝土双肢柱构件体系用于火力发电厂主厂房排架柱的设计中的具体方法和设计建议，对于该构件体系在火力发电厂主厂房结构设计中的推广和应用具有重要的理论意义和实用价值。

图2 肩梁计算简图

1.改进型钢管混凝土单腹板肩梁的构造

火力发电厂汽机房的排架柱构件的制造与一般民用建筑不同，一般都是采用工厂预制，现场安装。双肢钢管混凝土排架柱的施工工序一般是先将基础钢筋绑扎完成后，对两个柱肢钢管进行吊装定位，之后浇制基础混凝土，再在钢管内灌注混凝土，然后安装肩梁和上柱。因此肩梁在整个柱构件体系中起到了承上起下的关键作用，除了要将上柱及屋盖的荷载向下传递之外，还要承担吊车梁的荷载，此外，它还有一个重要作用就是要约束上柱顶部的角位移和水平变形，因此肩梁的刚度和强度将直接决定整个柱的性能好坏，至关重要。

本文述及的改进型钢管混凝土单腹板双肢柱对肩梁进行了局部改进，下柱钢管顶部与肩梁底部焊接，并在焊接位置设置加劲肋。上柱采用翼缘开槽插入腹板的方式保证腹板的连续。肩梁端部与吊车梁连接处除了横向加劲肋之外还要增设两道短腹板，并在短腹板与原腹板之间设2道加劲肋，这样可以提高吊车梁与肩梁连接处上翼缘的局部承压能力和局部稳定性，并保证了吊车梁支座连接螺栓的外露，在下柱钢管上预留二次灌注孔，焊接完成后进行二次混凝土灌注。具体构造形式见下图1。

2.改进型钢管混凝土单腹板肩梁的破坏模式和设计建议

西安建筑科技大学的董振平[4]和苏明周[3]等对改进型钢管混凝土单腹板肩梁进行了1:3缩尺模型的水平加载试验，在水平和竖向荷载作用下，肩梁的破坏一般是由于腹板屈曲引起的，在试验中肩梁腹板与上柱受压翼缘和肩梁上翼缘的交界位置处最先达到屈服应力，因此该位置也是肩梁设计时的最不利位置。而在试验中下柱钢管与斜腹杆的应力增长基本稳定，在肩梁破坏时都未达到屈服应变。可见对于钢管混凝土双肢柱的设计，肩梁是起控制作用的关键部位之一。

此外，在试验中还发现，上柱附近的肩梁上翼缘的屈服应变也出现的比较早，且该位置的应变水平明显大于远离中柱位置的上翼缘，因此在设计时应注意对于中柱附近上翼缘板的局部加强措施。

试验还发现，上柱翼缘与肩梁下翼缘的连接位置的应变水平也较高，上柱根部的受压侧翼缘的应力普遍达到了屈服，因此在设计中应在上柱根部位置设置加劲肋以进行局部构造加强。

3.改进型钢管混凝土单腹板肩梁的实用设计公式

从目前的研究成果可以看出，肩梁的破坏模式是剪切型破坏。赵峰[5]在简支梁平均剪应力计算公式的基础上提出，在肩梁的高跨比处于0.3-0.7之间时，计算简图如下图2所示。

肩梁腹板受到上柱两个翼缘的集中力作用，由屋架传来的竖向荷载和上柱自重等轴力作用由两个翼缘均分，用P表示，而弯矩会造成两个翼缘一侧受拉一侧受压，体现为大小相等方向相反的竖向力P’，由上文所述，C点和D点是设计中应取的危险点，设计计算公式如下：

式中，Vmax——由P和P’引起的简支梁最大剪力；

tw、hw——肩梁腹板的厚度和高度；

fy——钢材屈服强度；

董振平[4]认为该公式未考虑肩梁的高跨比影响，因此通过引入一个回归系数K，提出了一个改进公式：

式中：K——肩梁高跨比影响系数，中柱时：K=2.24λ+0.34，边柱时：

K=2.05λ+0.6，其中λ为肩梁高跨比。

笔者比较了两个计算公式，在正常设计的情况下，两个公式计算结果接近。

4.结语

综上所述，肩梁的设计是钢管混凝土双肢柱设计的关键，可以通过本文介绍的公式，并结合计算简图进行改进型钢管混凝土单腹板肩梁的设计计算，此外，在设计过程中还应重视对于上柱附近肩梁的上翼缘和上柱根部位置的构造加强。通过对肩梁设计方法和构造上的改进，钢管混凝土双肢柱是可以广泛应用于火力发电厂汽机房排架柱的设计中的。

[1]沈祖炎,郑沂.多肢柱肩梁刚度的分析[J].建筑结构,1999(7):49-52.

[2]董超,张继宏,张星,关晓松.宝钢宽厚板轧机工程主厂房钢结构设计[J].工业建筑,2007(51):679-711.

[3]苏明周,等.钢管混凝土双肢柱改进型单腹板肩梁承载能力试验研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2010(04):473-786.

[4]董振平.钢管混凝土双肢柱肩梁受力性能与设计方法研究[D].西安建筑科技大学,2011.

[5]赵峰.新型钢管混凝土柱单腹板肩梁受力性能及设计方法研究[D].西安建筑科技大学,2009.