空心鋼管混凝土在工業(yè)廠房中的應(yīng)用研究★

鄧愛匯 曹旺明 孔德睿

(1.廣州華商職業(yè)學(xué)院,廣東 廣州 511300； 2.佛山市百安居減震科技有限公司,廣東 佛山 528000)

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空心鋼管混凝土在工業(yè)廠房中的應(yīng)用研究★

鄧愛匯1曹旺明1孔德睿2

(1.廣州華商職業(yè)學(xué)院,廣東 廣州 511300； 2.佛山市百安居減震科技有限公司,廣東 佛山 528000)

介紹了空心鋼管混凝土構(gòu)件的承載力計算方法，通過對某工業(yè)廠房分別建立型鋼和空心鋼管混凝土的有限元分析模型，對比分析了不同結(jié)構(gòu)的抗震性能及經(jīng)濟性，結(jié)果表明，空心鋼管混凝土具有良好的抗震性能，且能夠節(jié)約建造成本。

空心鋼管混凝土，有限元模型，抗震性能，承載力

0 引言

空心鋼管混凝土是在鋼管中放入適量的混凝土，經(jīng)高速離心攪拌養(yǎng)護之后形成具有一定厚度且中空的鋼管混凝土構(gòu)件[1]，其常見截面形式如圖1所示。這種新型鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)既可以充分發(fā)揮鋼材和混凝土的優(yōu)點大大提升穩(wěn)定性和力學(xué)性能，又避免了這兩種材料單獨應(yīng)用時的弱點[2]。空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)最早用在電力工業(yè)中，而在工業(yè)廠房中則應(yīng)用較少。隨著經(jīng)濟能力的提升，我國工業(yè)廠房從最初的磚砌結(jié)構(gòu)逐步發(fā)展為混凝土結(jié)構(gòu)、型鋼結(jié)構(gòu)等，結(jié)構(gòu)體系和組合形式也越來越多[3]。空心鋼管混凝土不受規(guī)格的限制、擁有比混凝土大的承載力，且質(zhì)量更小等優(yōu)點正符合工業(yè)廠房建造的需求。

徐國林等進行了一系列空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的試驗研究，結(jié)果表明鋼管與混凝土的結(jié)合具有良好的共同工作性能和力學(xué)性能；鐘善桐等研究了空心鋼管混凝土在軸心受壓下的工作性能和承載力，推導(dǎo)出在軸心受壓時鋼管混凝土柱的統(tǒng)一強度和穩(wěn)定承載力設(shè)計公式，為設(shè)計提供方便[1]；查曉雄等基于統(tǒng)一計算公式的基礎(chǔ)得到可以同時適用于實心和空心的軸壓承載力統(tǒng)一計算公式，并提出再生空心鋼管混凝土內(nèi)部二氧化碳高壓碳化深度的理論計算公式和構(gòu)件骨架曲線理論模型及位移延性系數(shù)簡化計算公式[5]；盧德輝基于OpenSees計算平臺將已有的有限元模型計算結(jié)果進行對比驗證得到軸壓比、長細比各參數(shù)對空心鋼管混凝土壓彎構(gòu)件滯回性能的影響規(guī)律[7]。

本文結(jié)合某工業(yè)廠房分別建立采用型鋼、空心鋼管混凝土的有限元分析模型對其抗震性能和經(jīng)濟性能展開分析。

1 空心鋼管混凝土構(gòu)件承載力計算

我國現(xiàn)行規(guī)范中由于套箍系數(shù)物理意義不明確、沒有體現(xiàn)空心率影響下的連續(xù)性要求及混凝土抗壓強度調(diào)整系數(shù)不夠準確等因素的影響，結(jié)合文獻[7]將采用修正后的簡化公式進行承載力計算：

其中，fsc,ξm，fc分別為空心鋼管混凝土抗壓強度設(shè)計值、套箍系數(shù)設(shè)計值和混凝土的抗震強度設(shè)計值；B，C分別為考慮鋼材、混凝土對套箍效應(yīng)的影響系數(shù)。為了驗證修正后的承載力計算公式有效性，文獻[6]進行空心鋼管混凝土短柱軸壓試驗，并將修正后的空心鋼管混凝土軸壓承載力計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果表明：修正值與試驗值比值的均值為0.910，均方差為0.014 8，原公式計算值與試驗值比值的均值為0.974，均方差為0.013 1，可見修正后的鋼管混凝土軸壓承載力統(tǒng)一設(shè)計公式計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

某工業(yè)廠房項目位于珠海市，廠房受力體系選用門式剛架，平面尺寸長、寬分別為450 m，60 m，檐口高度14 m。單跨部分跨度30 m，兩跨部分分別為30 m和24 m，最大柱距7.5 m。該工業(yè)廠房耐火等級為二級，主體結(jié)構(gòu)鋼材采用Q345-B型鋼材進行焊接，圍護結(jié)構(gòu)采用Q235冷彎薄壁型鋼，結(jié)構(gòu)重要性為二類，設(shè)計使用年限50年。抗震設(shè)防為7度設(shè)防，場地類別Ⅲ類，本工程有限元分析模型及柱節(jié)點編號如圖2所示。

分別對該工程進行鋼結(jié)構(gòu)柱和空心鋼管混凝土柱的設(shè)計，采用剛度等效的替代原則進行構(gòu)件尺寸換算。在進行空心鋼管混凝土柱的設(shè)計中盡量使用較低的空心率和較大的直徑以確保此次設(shè)計合理有效，表1，表2分別為結(jié)構(gòu)型鋼柱截面和空心鋼管柱截面參數(shù)。

表1 型鋼柱截面設(shè)計

表2 空心鋼管混凝土柱截面設(shè)計

2.2 反應(yīng)譜分析

通過ETABS中設(shè)置反應(yīng)譜分析工況，能夠得到模型中的每個節(jié)點的位移和柱底反力，進行分析可得：鋼柱廠房的最大柱頂位移為10.60 mm，空心鋼管混凝土柱廠房的最大柱頂位移為6.95 mm，空心鋼管混凝土柱設(shè)計的廠房在地震作用下柱頂?shù)奈灰菩∮阡撝O(shè)計的廠房柱頂位移；鋼柱廠房的最大柱底剪力為58.68 kN，空心鋼管混凝土柱廠房的最大柱底剪力為70.20 kN，空心鋼管混凝土柱設(shè)計的廠房在地震作用下柱底反力大于鋼柱設(shè)計的廠房柱底反力，表明在地震作用下空心鋼管混凝土柱與型鋼柱相比剛度增大、位移響應(yīng)變小，具有較好的抗震性能。表3，表4分別為關(guān)鍵節(jié)點位移與柱底反力對比。

表3 部分節(jié)點位移對比

2.3 經(jīng)濟性對比

經(jīng)統(tǒng)計得鋼柱廠房柱子部分鋼材用量為134 783.8 kg；空心鋼管混凝土柱廠房柱子部分鋼材用量為103 495.1 kg，比鋼柱鋼材用量少了31 288.7 kg，但增加了混凝土用量250.29 kg,經(jīng)統(tǒng)計計算，采用型鋼總費用56.04萬元，采用空心鋼管混凝土總費用52.54萬元，空心鋼管混凝土較型鋼總費用降低了約6%，表明經(jīng)濟投入有一定節(jié)約。

表4 部分柱底反力 kN

3 結(jié)語

1)空心鋼管混凝土在電力建設(shè)行業(yè)中已具有廣泛應(yīng)用，因其具有剛度大、節(jié)省鋼材及施工方便等因素，可以引用到工業(yè)廠房的建造中；

2)通過對珠海市某工業(yè)廠房建造工程，分別建立型鋼截面和空心鋼管混凝土截面的有限元分析模型，結(jié)果表明地震作用下鋼柱廠房的最大柱頂位移為10.60 mm，空心鋼管混凝土柱廠房的最大柱頂位移為6.95 mm；鋼柱廠房的最大柱底剪力為58.68 kN，空心鋼管混凝土柱廠房的最大柱底剪力為70.20 kN，表明空心鋼管混凝土具有良好的抗震性能，且能夠?qū)ㄔ斐杀居幸欢ǖ墓?jié)約。

[1] 鐘善桐.鋼管混凝土統(tǒng)一理論與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006.

[2] 賈磊鵬，郭子雄，劉 陽，等.核心鋼管混凝土短柱軸壓受力機理及設(shè)計方法研究[J].地震工程與工程振動,2015,35(3):79-85.

[3] 歐妍君，陳 星，李 欣.新型鋼管空心混凝土板技術(shù)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007,37(9):123-125.

[4] 吳中軍，張燎軍，張曉莉.空心鋼管混凝土組合柱抗震性能研究[J].水電能源科學(xué),2013,31(2):116-119.

[5] 李衛(wèi)秋,查曉雄.空心普通和再生鋼管混凝土柱抗震性能研究Ⅰ：試驗與有限元研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2012,14(3):27-35.

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[7] 王宏偉,盧德輝.基于統(tǒng)一理論的空心鋼管混凝土軸壓承載力計算[J].廣州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,10(1):48-53.

The application and research on concrete-filled steel tubular hollow in industrial workshop★

Deng Aihui1Cao Wangming1Kong Derui2

(1.GuangzhouCareerAcademy,Guangzhou511300,China; 2.FoshanB&QTechnologyLimitedCompany,Foshan528000,China)

This paper introduced the bearing capacity calculation method of concrete-filled steel tubular hollow component, through respectively establishment of finite element analysis model of shape steel and concrete-filled steel tubular hollow to an industrial plant, compared and analyzed the seismic performance and economy of different structure, the results showed that the concrete-filled steel tubular hollow had good seismic performance, and could save the construction cost.

concrete-filled steel tubular hollow, finite element model, seismic performance, bearing capacity

1009-6825(2016)28-0043-02

2016-07-26 ★ ：校級青年教師重點教研類資助項目(項目編號：GHS20150208)

鄧愛匯(1990- )，男，碩士，助教

TU973

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