鋼管混凝土柱和型鋼柱在工業廠房中應用對比

劉 香 胡長威 王亞杰

0 引言

隨著加工制造業飛速發展，重型及超重型設備的需求逐年增加，為了滿足超大型設備的布置以及各種先進生產工藝發展的需要，促使工業廠房不斷朝著大跨度、大柱距、大噸位吊車方向發展。而鋼管混凝土作為一種新興的主要結構，以軸心受壓和偏心受壓構件為主的組合結構，在大型工業廠房的設計中有其突出的優點。而全鋼結構也具有其他結構無法比擬的優勢，如施工簡便、靈活、綜合性能好、質量輕、綠色、環保、節能、工業化程度高。二者在工業廠房中的應用都非常普遍，結構工程師在設計時往往難以確定應該選擇何種方案。

為此，本文以實際工程為背景，專門針對鋼管混凝土方案和H型鋼方案進行了全面的比較。

1 工程概況

本工程廠房全長111 m，跨度36 m，共2跨，采用單層剛架結構，取最大相連間距為15 m和21 m作為計算單元，共8榀剛架，剛架柱頂標高17.1 m，屋面坡度為1∶15。牛腿標高7.8 m，根據屋面構造及廠房所在地的氣象條件，計算荷載取值:恒荷載標準值:0.5 kN/m2，活荷載標準值:0.5 kN/m2，基本風壓:0.55 kN/m2，地面粗糙度為C類，基本雪壓:0.3 kN/m2，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g，吊車工作制為A6，每跨3臺，起重量40 t/10 t，吊車跨度34.0 m，本工程設計使用年限為50年。荷載分項系數:恒載 1.2，活載 1.4。

2 結構計算分析

2.1 最不利柱列剛架的計算簡圖

剛架計算簡圖見圖1。

2.2 設計方案說明

本設計主剛架、吊車梁以規范[2]來控制剛架柱側移及吊車梁變形，剛架梁及圍護結構變形符合規程[1]要求。為了計算結果的可比性，兩者除下柱截面不同外，其他構件截面均相同，同時將柱子強度應力比調至相差不大。分別選取下柱截面為格構式焊接H型鋼截面和格構式鋼管混凝土截面，并對計算結果分析比較。考慮到本工程為不等柱距，本設計以大柱距作為計算單元，梁分別采用了6段變截面實腹式焊接工字型鋼截面，截面的變化和梁的彎矩包絡圖一致，目的是節約鋼材和有效減輕橫梁的自重，也方便橫梁的制作和運輸。

文中將下柱截面的格構式焊接H型鋼截面的方案稱為a方案，邊柱和中柱的柱截面分別為2H700×400×10×12和2H650×350×10×12，材料為Q345鋼，肢間距1800 mm。將下柱截面的格構式鋼管混凝土截面的方案稱為b方案，雙肢均為2Φ360×8，內灌C40混凝土，肢間距1800 mm。

圖1 剛架計算簡圖

2.3 兩種方案的計算

依據中國建筑科學研究院的《鋼結構CAD系統STS》軟件進行分析，計算結果見表1。

2.4 數據分析

由表1可知，將兩方案下柱強度應力比調至相差3.1%時，對于屋面梁，a方案比b方案應力大，強度與穩定中兩者起控制作用的一組應力相比，最大相差約9.4%。柱頂最大位移均滿足規范[2]要求，未超過H/500。a方案屋面梁的撓度為81 mm，b方案屋面梁的撓度為85.3 mm，滿足規范[1]要求，未超過 1/400，二者相差不大。

對a方案，格構式H型鋼柱[4]容易將平面外和平面內的穩定應力調整到一致，能充分發揮柱子的強度。對b方案，由于鋼管混凝土柱是各向同性，不存在強軸和弱軸之分，平面內和平面外的穩定應力相差很大，沒有充分發揮材料的強度。

就本例來說，雖然鋼管混凝土柱的強度沒有達到規范的限值，但是其平面外計算長度略超出文獻[6]的推薦限值。如果將管壁厚度從8 mm減小到6 mm，部分柱子的強度已超出規范[2]允許的范圍。本文所選斷面已是經濟合理的斷面。

表1 鋼結構與鋼管混凝土計算結果

3 應用對比分析

3.1 施工方面

b方案中，由于鋼管混凝土柱鋼管焊接、制作要求較高，同時構件制作過程中，鋼管的對接是一個難點。結構要求焊后的管肢要平直，這就需要在焊接時采取相應的措施和特別注意焊接的順序以及考慮到焊接變形的影響。

為了確保連接處的焊縫質量，在現場拼接時，在管內接縫處必須設置附加襯管。對于格構式柱要求柱的肢管和各種腹桿的組裝連接尺寸和角度必須準確。

總的說來，b方案較a方案的施工難度大，施工工期長，施工質量保證困難。

3.2 經濟指標

由表1可知，a方案耗鋼量較大，其中邊柱耗鋼量為2517 kg，中柱耗鋼量2255.6 kg;b方案的耗鋼量為1361 kg，兩者最大相差46%。從耗鋼量來看，b方案有優勢。結合施工知[4]，雖然制作鋼管時卷管的費用一般高于普通鋼結構的制作費用;螺旋焊管要拍片或者射線檢查，而且灌頂部分需要采用高流動、微膨脹的材料進行二次灌漿;鋼管內的混凝土也需要一定的費用，a方案有優勢。考慮防火，鋼管混凝土和普通鋼結構相比，可節省防火涂料1/3，隨著鋼管直徑增大，節約涂料也越多，b方案有優勢。綜合上述因素b方案綜合造價小于a方案H型鋼柱的綜合造價。

3.3 剛度和抗震性能

抗震性能是指在動荷載或地震作用下，具有良好的延性和吸能性。它在壓彎反復荷載作用下，彎矩曲率滯回曲線表明[3]，結構的吸能性能特別好，無剛度退化，且無下降段，和不喪失局部穩定性的鋼柱相同，但在一些建筑中，鋼柱常常要采用很厚的鋼板以確保局部穩定性，但還常發生塑性彎曲后喪失局部穩定。由于鋼管和混凝土的泊桑系數不同，隨著荷載的增加[5]，鋼管由彈性工作狀態進入塑性工作狀態，其泊桑系數由0.283增大到0.5后就保持不變;而混凝土的泊桑系數大約由0.2增大到0.5以后仍繼續增大。這時鋼管始終對填入的混凝土產生緊箍力，這樣鋼管和混凝土都處在三向應力狀態下工作，因而抗壓強度和變形能力都得到極大的提高。

由表1可知，左震作用時下邊柱側移分別為3.6 mm和2.5 mm，相差30.1%，左風作用時下邊柱側移分別為4.7 mm和3.8 mm，相差19%。因此，b方案鋼管混凝土柱相比鋼柱具有很好的剛度和抗震性能。

3.4 耐火性能

b方案中，鋼管混凝土由于核心混凝土的熱容量較高，火災發生時，可以吸收部分熱量，降低鋼材的溫度。實際火災事故證明，鋼管混凝土柱在溫度達到1000℃以上時，仍能承受約70%的設計荷載，說明鋼管混凝土柱在高溫下具有良好的工作性能，因而鋼管混凝土表現出較好的耐火性能。而未加防護的鋼結構在火災溫度的作用下，只需約15 min，自身溫度就可達到540℃以上，此時屈服點抗壓強度、彈性模量以及承載能力等都迅速下降;建筑用鋼Q235，Q345一般在300℃ ～400℃時，其強度下降到40%～50%，達到600℃時強度幾乎等于0。因此，b方案鋼管混凝土柱相比鋼柱具有很好的耐火性能。

4 結語

與H型鋼柱方案相比，它們各有優缺點。雖然鋼管混凝土柱在施工上存在諸多技術難點仍未得到很好解決。但是，采用鋼管混凝土柱方案時，結構的綜合造價小于采用H型鋼柱的綜合造價，并且從方案比較得出鋼管混凝土柱結構的性能都比鋼結構要好。因此，在進行工業廠房的設計時，尤其在大跨度、大柱距、大噸位吊車和承受惡劣環境下的工業廠房應優先選用鋼管混凝土柱方案。

[1]CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].

[2]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[3]鐘善桐.鋼管混凝土構件的動力特性[J].建筑結構，1999(3):86-87.

[4]胡昌亮，李媛萍.鋼管混凝土柱和型鋼柱在廠房中的應用比較[J].山西建筑，2009，35(2):86-87.

[5]張浦陽，丁紅巖.鋼管混凝土結構的技術經濟評價[J].福建建筑，2000(4):29-31.

[6]CECS 28∶90，鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].