钢管混凝土格构柱性能指标及应用

王利敏，董先锋，杨凯南

（中国联合工程公司，杭州 310052）

钢管混凝土格构柱性能指标及应用

王利敏，董先锋，杨凯南

（中国联合工程公司，杭州 310052）

分析钢材和混凝土的受力性能，介绍钢管混凝土柱的受力特点、计算指标、钢管混凝土格构柱的承载力和抗侧刚度。通过大跨度厂房和超重型钢结构厂房钢管混凝土格构柱的应用，总结钢管混凝土格构柱在这两类厂房中应用的经济性。

钢管混凝土格构柱；承载力；抗侧刚度；经济性

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.002

1　引言

钢管混凝土是在钢管内填充普通混凝土而形成的组合结构，通过圆形钢管对核心混凝土形成的套箍作用，使混凝土处于三向受压状态，从而大大提高了混凝土的抗压强度和延性[1]。钢管混凝土格构柱柱肢以轴心受力为主，能充分发挥钢管混凝土轴心受力承载力大的特点。随着钢管混凝土技术的发展，理论体系的完善以及计算软件的应用，钢管混凝土格构柱越来越多地应用于大跨度和超重型厂房中。

2　钢管混凝土柱设计指标

以圆管为例，按福建省《钢管混凝土结构技术规程》(DBJ/T13-51—2010)，钢管混凝土截面的各项设计指标计算公式如下[2]。

1）混凝土组合轴压强度设计值fsc为：

3）管混凝土组合轴压刚度为：

4）管混凝土组合弹性抗弯刚度为：

5）管混凝土组合弹性剪切刚度为：

式（1）～式（7）中，fc为混凝土的轴心抗压强度设计值；f为钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值；为构件截面的约束效应系数设计值为构件截面含钢率；As，Ac分别为钢管和混凝土的横截面面积；Esc为钢管混凝土组合轴压弹性模量；Asc为钢管混凝土构件的组合截面面积；Es，Ec为钢材和混凝土的弹性模量；Is，Ic为钢材和混凝土的截面惯性矩；为混凝土刚度折减系数，圆钢管混凝土=0.8；Gsc为钢管混凝土的组合弹性剪切模量。

表1　D500mm12mm（C40）钢管混凝土柱截面指标计算

表1　D500mm12mm（C40）钢管混凝土柱截面指标计算

钢管直径D/mm钢管壁厚t/mm钢材fy/(N/mm2)混凝土fc/(N/mm2)钢材弹性模量Es/(N/mm2)混凝土弹性模量Ec/(N/mm2)钢管截面面积As/mm2500　12　310　19.1　206 000　32 500　18 397.17混凝土截面面积Ac/mm2截面面积Asc/mm2钢管截面惯性矩Is/mm4混凝土截面惯性矩Ic/mm4截面含钢率αs约束效应系数ζ0混凝土刚度折减系数α 177 952.37　196 349.54　547 978 004　2 519 983 572　0.103　1.68　0.8组合轴压弹性模量Esc/(N/mm2)组合弹性剪切模量Gsc/(N/mm2)组合轴压强度设计fsc/(kN/mm2)组合剪切强度设计值τsc/(N/mm2)组合轴压刚度EA组合弹性抗弯刚度EI组合弹性剪切刚度GA 45 865　15 442　54.46　24.73　9 005 571 691　1.78×1014　3 032 029 610

3　钢管混凝土格构柱受力特点

钢管混凝土格构柱有斜腹杆格构柱和平腹杆格构柱。斜腹杆格构柱按平面桁架进行内力计算，确定单肢柱的轴向力，按轴心受力构件进行承载力计算。平腹杆格构柱可视为多层框架，参与结构整体计算。重型工业厂房主要利用钢管混凝土柱轴心受力的优势，采用斜腹杆格构柱，根据荷载的大小，建筑高度等情况采用双肢柱、三肢柱和四肢柱，三肢柱、四肢柱的短向二肢柱采用平腹杆格构柱、可按轴心受力平腹杆格构柱计算。

4　钢管混凝土格构柱承载力计算及抗侧刚度

钢管混凝土格构柱承载力计算可分为单肢承载力计算和整体承载力计算。

1）肢钢管混凝土轴心受力构件承载力

式中，N为轴向力设计值；Nu为钢管混凝土构件的抗压承载力设计值；Nt为钢管混凝土构件的抗拉承载力设计值；为轴心受压构件稳定系数。

假定上例格构柱节间距为2.5m，单肢钢管柱与钢管混凝土柱轴心受力承载力计算如表2。

表2　D500mm12mm（C40）单肢钢管混凝土柱与D500m?12mm单肢钢管柱承载力计算

表2　D500mm12mm（C40）单肢钢管混凝土柱与D500m?12mm单肢钢管柱承载力计算

钢管直径D/mm钢管壁厚t/mm截面回转半径i/mm长细比λ节间距l/mm稳定系数φx(查表)受压承载力设计值Nu/kN受拉承载力设计值Nt/kN钢管混凝土柱与钢柱受压承载力之比钢管混凝土柱　500　12　2500　3 067 961 576　20.00　0.968　10 351.69　6273.43　1.29钢管柱　500　12　2500　172.59　17.55　0.977　5571.95　4847.65　1.86钢管直径D/mm钢管壁厚t/mm节间距l/mm钢管截面惯性矩I/mm4长细比λ稳定系数φx(查表)受压承载力设计值Nu/kN受拉承载力设计值Nt/kN钢管混凝土柱与钢柱受拉承载力之比

2）构式钢管混凝土轴心受压构件承载力

假设四管格构柱长向为斜腹杆，短向为平腹杆，则

按本文所述柱肢参数，双肢柱间距1.2m，柱高26.1m，计算双肢柱受压承载力如表3。

从上述计算结果看出，无论单肢柱还是格构柱，钢管内充填混凝土后，受压承载力都有大幅度的提高。

3)格构式钢管混凝土柱抗侧刚度

钢管混凝土柱的抗侧刚度计算公式为:

公式（13）表示，钢管内混凝土对抗侧刚度有贡献，且工程实践证明，钢管混凝土格构柱比钢管格构柱抗侧刚度有明显提高。例如：单跨刚架跨度39m，高度35.2m，下柱高度26.1m，上柱高度9.1m，下柱D500mm12mm（C40）斜腹杆四肢柱，截面高度方向柱肢间距2.5m，短向柱肢间距1.2m，节间数9，上柱截面H1200mm550mm25mm28mm，上层300t吊车，下层吊车75t，基本风压0.6kN/m2，经PKPM软件STS模块计算，得出刚架风荷载作用下侧移1/1189，吊车荷载下肩梁处侧移1/1320，将钢管混凝土格构柱钢管内混凝土改为空腹钢管，计算得出刚架风荷载作用下侧移1/561，吊车荷载下肩梁处侧移1/583，可见钢管混凝土格构柱较钢管柱抗侧能力明显提高。

表3　D500mm12mm（C40）双肢钢管混凝土格构柱与 D500mm12mm双肢钢管格构柱承载力计算

表3　D500mm12mm（C40）双肢钢管混凝土格构柱与 D500mm12mm双肢钢管格构柱承载力计算

φ500mm双管格构柱　500　12　26 100　624.33　1 6512.21　41.80　42.52　0.85　9 683.90钢管直径D/mm钢管直径D/mm钢管壁厚t/mm计算长度ly/mm钢管截面回转半径iy/mm平腹杆450mm×12mm的截面面积A1/mm格构柱长细比λy双肢柱换算长细比λ0y稳定系数φy(查表)受压承载力设计值Nu/kN φ500mm钢管混凝土双管格构柱　1200　20.00　7.75　2.53　1.11　1.82钢管壁厚t/mm计算长度ly/mm受压承载力设计值Nu/kN 500　12　26 100　612.88　154.91　42.59　52.17　0.83　17 666.31柱肢短向间距h/mm组合截面回转半径iy/mm平腹杆450mm×12mm的回转半径i/mm格构柱长细比λy双肢柱换算长细比λ0y稳定系数φy(查表)组合柱单肢长细比λ1平腹杆长细比λ0组合刚度与钢管刚度之比αEA单肢钢管面积As与腹杆面积A1之比α1钢管混凝土柱与钢柱受压承载力之比

5　钢管混凝土格构柱在重型工业厂房中的应用

重型工业厂房的特点是，吊车起重量大，厂房高度高，柱距大，双层吊车。目前最大吊车850t，双台吊车抬吊，起重能力可达到1700t；厂房柱距15～18m，厂房高度可达30～40m，厂房刚架的竖向承载力要求较高，厂房的侧移难以控制，因此要求刚架柱具有较大的承载力和较大的抗侧刚度。钢管混凝土格构柱兼有上述特点，厂房刚架采用钢管混凝土格构柱，单肢钢管混凝土柱较钢管柱竖向承载力提高约80%，单肢钢管混凝土柱较钢管柱抗侧刚度提高约90%，可以满足设计要求，且采用钢管混凝土格构柱较普通型钢格构柱节约钢材约40%，具有很好的经济性。随着理论体系的完善，钢管混凝土技术的发展，各种智能化、人性化计算软件的应用，钢管混凝土柱结构将会有更好的应用前景。

6　结论

采用钢管混凝土格构柱代替钢管格构柱或普通型钢格构柱，对于大跨度、大吨位厂房有着明显的优势，能充分发挥钢和混凝土的各项性能，节约材料，大大降低建造成本，且钢管混凝土格构柱采用钢管缀条，节点采用相贯节点，构造简单，焊接工作量小，施工方便，既节省了工程造价，又加快了施工进度，为重型厂房设计提供了新的思路。

钢管混凝土柱在工程应用中应注意的问题：（1）钢管混凝土柱主要为轴心受力构件，在超重型厂房设计中可考虑采用钢管混凝土格构柱，具有良好的经济效益；（2）虽然竖向荷载不是很大，但如果单跨厂房在跨度较大，高度较高，风荷载较大的情况下，宜选用抗侧能力大的钢管混凝土格构柱；（3）钢管混凝土格构柱虽然具有较大的承载力和抗侧刚度，但是缀条构件（空腹钢管）将其形成整体，设计时缀条应具有相应的截面面积和刚度，保证格构柱整体共同工作；（4）三管及以上钢管混凝土格构柱柱顶肩梁受力相对复杂，肩梁设计应综合考虑肩梁受力特点和构造要求，做到受力明确，安装方便，肩梁应具有一定的刚度；（5）钢管混凝土格构柱柱脚宜采用插入式，插入深度需满足抗剪、抗弯、抗冲切要求，且满足构造要求；（6）钢管混凝土格构柱一般较为高大，管内混凝土可采用泵送顶升法或高位抛落免振捣法浇筑。无论采用哪种方式，都应采取措施，避免混凝土发生离析或泌水现象。采用泵送顶升法施工时应控制混凝土冲量，避免在较大冲力作用下肩梁处构件破坏。

【1】CSCS28:2012钢管混凝土结构技术规程[S].

【2】DBJ/T13-51-2010钢管混凝土结构技术规程[S].

The Performance Index and Application of Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns

WANG Li-min,DONG Xian-feng，YANG Kai-nan
(China United Engineering Corporation,Hangzhou 310052,China)

Through the mechanical properties analysis of steel and concrete,the paper not only introd-uces the stress characteristics and the calculation index of the concrete filled steel tubular column,but also discusses the bearing capacity and lateral stiffness of concrete filled steel tubular laced columns.Through the application of concrete filled steel tubular laced columns in plants with large sp-an and super heavy steel type,the economy of the concrete filled steel tubular laced columns in the application of the two kinds of plants is summarized.

concrete filled steel tubular laced columns；bearing capacity；lateral stiffness；economy

TU392.3;TU37

A

1007-9467（2016）05-0022-03

王利敏（1970～），女，内蒙古巴彦淖尔人，高级工程师，从事工程设计与研究，（电子信箱）wanglm@chinacuc.com。

2015-12-31