鋼管混凝土門(mén)型構(gòu)架柱設(shè)計(jì)

摘 要：鋼管混凝土柱新型???構(gòu)件在220 kV及以下變電站構(gòu)架實(shí)際應(yīng)用較少，該文通過(guò)試算一組鋼管混凝土柱與三角形鋼管桁架梁組成的單桿門(mén)型構(gòu)架，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土柱的應(yīng)用能滿足工程的需要。相比以往采用人字桿門(mén)型構(gòu)架能節(jié)約材料，節(jié)約用地。

關(guān)鍵詞：變電站構(gòu)架 鋼管混凝土 截面設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（c）-0061-02

鋼管砼柱因其結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)具備了鋼管和混凝土兩種材料的性質(zhì)。即管柱外部包裹鋼管材料，管柱內(nèi)部充填混凝土材料，因鋼管壁對(duì)管內(nèi)混凝土形成的剛性拘束作用，防止了管內(nèi)混凝土的脆性破壞。實(shí)驗(yàn)和理論分析證明，鋼管混凝土在軸向壓力作用下，鋼管的軸向和徑向受壓而環(huán)向受拉，混凝土則三向皆受壓，鋼管和混凝土皆處于三向應(yīng)力狀態(tài)。三向受壓的混凝土抗壓強(qiáng)度大大提高，同時(shí)塑性增大，其物理性能上發(fā)生了質(zhì)的變化，由原來(lái)的脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧稀Ｕ沁@種結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的根本變化，決定了鋼管砼的基本性能和特點(diǎn)，并作為新型的第五種建筑組合結(jié)構(gòu)顯示出巨大的生命力和發(fā)展前景。

鋼管砼的特征與優(yōu)勢(shì)如下：鋼管砼柱的抗壓和抗剪承載力高，相當(dāng)于鋼管和混凝土二者之和的2倍以上；鋼管砼柱截面比鋼筋混凝土柱可減少60%以上，輪廓尺寸也比鋼柱小，擴(kuò)大了建筑物的使用空間和面積；柱子截面減小，自重減小，有利于結(jié)構(gòu)抗震，相當(dāng)于設(shè)防烈度下降一級(jí)；鋼管砼柱自重減少，減輕了地基承受的荷載，相應(yīng)降低了地基基礎(chǔ)造價(jià)；鋼管壁薄便于選材、制造與現(xiàn)場(chǎng)焊接，是施工最為快捷的建筑結(jié)構(gòu)；鋼管砼柱內(nèi)的混凝土可大量吸收熱能，其耐火性優(yōu)于鋼柱，從而比鋼柱可節(jié)省耐火涂料50%以上； 鋼管砼具有的核心混凝土三向受壓特性，利于剛剛問(wèn)世的C60～80高強(qiáng)度混凝土安全可靠地推廣應(yīng)用。

由于上述各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，采用鋼管砼柱時(shí)可節(jié)省大量的建筑材料，且素混凝土無(wú)須振搗，施工方便，工期短。根據(jù)計(jì)算，與鋼筋混凝土柱相比，可節(jié)約混凝土60～70%，同時(shí)降低造價(jià)。若與全鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱相比，則可節(jié)約鋼材50%，其工程造價(jià)也可降低45%。

在高層建筑設(shè)計(jì)中，鋼管砼柱可以僅控制長(zhǎng)細(xì)比而不必限制軸壓比。此外因其整體性能好，還克服了普通鋼結(jié)構(gòu)鋼柱存在的局部失穩(wěn)的缺點(diǎn)。因此，與鋼筋混凝土柱相比，截面設(shè)計(jì)可以減少60%以上。

根據(jù)《變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)》鋼管混凝土單肢柱的受壓承載力滿足條件：N為軸向壓力設(shè)計(jì)值（N）；Nu為鋼管混凝土單肢柱的承載力設(shè)計(jì)值（N）；鋼管混凝土單肢柱的承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算滿足條件：Nu=（該文數(shù)值為21138 kN），N0=fcAc（1+）（該文數(shù)值為1988 kN）faAa/fcAc（該文數(shù)值為0.891）N0為鋼管混凝土軸心受壓短柱的承載力設(shè)計(jì)值（N）；θ為鋼管混凝土的套箍指標(biāo)；fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）；Ac為鋼管內(nèi)混凝土的橫截面面積（mm2）；fa為鋼管的抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）；Aa-鋼管的橫截面面積（mm2）；為考慮長(zhǎng)細(xì)比影響的承載力折減系數(shù)，按下式計(jì)算：當(dāng)時(shí)：（該文數(shù)值為0.343）當(dāng)時(shí)：，式中d為鋼管外徑（mm）；為柱的等效長(zhǎng)度（mm），按規(guī)定計(jì)算；為考慮偏心率影響的承載力折減系數(shù)，按下式計(jì)算：當(dāng)/rc≤1.55時(shí)：，e0=M2/N當(dāng)e0/rc>1.55時(shí)：0.4（e0/rc）（該文數(shù)值為31），式中e0為柱較大彎矩端的軸向壓力對(duì)構(gòu)件截面重心的偏心距（mm）；rc為鋼管的內(nèi)半徑（mm）；M2為柱兩端彎矩設(shè)計(jì)值之較大者（N·mm）；N為軸向壓力設(shè)計(jì)值（N）。

鋼管混凝土一般受雙向偏心壓力作用，即雙向偏心受壓構(gòu)件。根據(jù)材料力學(xué)，雙向偏心受壓是軸向壓縮與雙向純彎曲的組合變形。此時(shí)截面上的最大拉（壓）應(yīng)力為：，根據(jù)《鋼管混凝土技術(shù)規(guī)范》鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性內(nèi)力和位移計(jì)算時(shí)，鋼管混凝土柱的截面剛度可按下列規(guī)定計(jì)算：EA=EsAs+EcAc EI=EsIs+EcIc GA=GsAs+GcAc，式中：EA為鋼管混凝土柱的組合軸壓剛度；EI為鋼管混凝土柱的組合抗彎度；GA為鋼管混凝土柱的組合剪切剛度；Es、Ec分別為鋼管、鋼管內(nèi)混凝土的彈性模量；Gs、Gc分別為鋼管、鋼管內(nèi)混凝土的剪變模量；As、Ac分別為鋼管、鋼管內(nèi)混凝土的截面面積；Is、Ic分別為鋼管、鋼管內(nèi)混凝土的截面慣性矩；根據(jù)《三角形立體管桁架的剛度分析》三角形桁架梁的等效剛度：

=235*106mm4

單桿門(mén)架柱與三角形桁架梁內(nèi)力計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為水平和垂直兩個(gè)方向分別受力的平面剛架計(jì)算模型。由材料力學(xué)計(jì)算獲得鋼管混凝土柱的截面應(yīng)力。

某110 kV變電站單跨門(mén)架高10 m，梁跨度8 m，地線柱高度3 m。構(gòu)架梁為3相掛點(diǎn)，導(dǎo)線掛點(diǎn)高度為10 m，偏角17°。地線掛點(diǎn)高度13 m，偏角0°。鋼管混凝土柱采用273*8鋼管C25混凝土實(shí)心柱。三角形桁架梁弦桿22圓鋼，腹桿18圓鋼。

荷載工況按最嚴(yán)重覆冰控制：（單位：kN）水平拉力（導(dǎo)線/地線）30/5垂直荷載（導(dǎo)線/地線）12/2。

鋼管柱截面參數(shù)計(jì)算結(jié)果：EA=27158N/mm2，EI=26400N/mm2由結(jié)構(gòu)力學(xué)力法對(duì)稱結(jié)構(gòu)計(jì)算得：垂直向：M1=M2=MA=MB=4kN·mN=56.4kN；水平向：MA=MB=134.5kN·m，N=12.7kN=68.64 MPa<215 MPa=-70.6 MPa<215 MPa，鋼管混凝土截面滿足要求。

實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件的鋼管外徑或邊長(zhǎng)不宜小于100 mm，壁厚不宜小于4 mm。實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件含鋼率宜為6%～10%，混凝土強(qiáng)度等級(jí)宜為C40～C60。管內(nèi)混凝土可采用泵送頂升澆灌法、立式手工澆搗法或高位拋落無(wú)振搗法。泵送頂升澆灌法，由泵車將混凝土連續(xù)不斷地自下而上擠壓入鋼管內(nèi)，無(wú)需振搗，鋼管直徑宜不小于泵直徑的兩倍。適用于管內(nèi)無(wú)膈板等阻礙物的情況，如工業(yè)廠房柱。立式手工澆搗法，當(dāng)鋼管直徑大于350 mm時(shí)，可采用內(nèi)部振搗器（振搗棒或鍋底形振搗器等）。每次振搗時(shí)間不少于30 s，一次澆筑高度不宜大于2 m；當(dāng)鋼管直徑小于350 mm時(shí)，可采用附著在鋼管上的外部振搗器進(jìn)行振搗，外部振搗器的位置應(yīng)隨著混凝土的澆筑的進(jìn)展加以調(diào)整振搗。外部振搗器的工作范圍，以鋼管橫向振幅不小于0.3 mm為有效，振幅可用百分表實(shí)測(cè)。每次振搗時(shí)間不宜少于30 s，一次澆筑的高度不宜大于振搗器的有效工作范圍和2～3 m柱長(zhǎng)。高位拋落無(wú)振搗法適用于鋼管直徑大于350 mm，高度不小于4 m的情況。對(duì)于拋落高度不足4 m的區(qū)段，應(yīng)用內(nèi)部振搗器振實(shí)。一次拋落的混凝土量宜在0.35～0.7 m3左右，用料斗裝填，料斗的下口尺寸應(yīng)比鋼管內(nèi)徑小100～200 mm，以便混凝土下落時(shí)，管內(nèi)空氣得以順利排出。混凝土配合比應(yīng)根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)計(jì)算，并通過(guò)試驗(yàn)后確定，除滿足強(qiáng)度指標(biāo)外，尚應(yīng)注意混凝土塌落度的選擇。

參考文獻(xiàn)

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