四肢和兩肢鋼管混凝土柱框架的用鋼量對比

楊志娟，劉 慧，王 濤

(中冶東方工程技術有限公司,山東 青島 266555)

0 引言

隨著經濟技術的日益發展,科學技術的不斷進步,各種大跨度的、重荷載的結構工程越來越多,如何選擇更合適的結構形式日益重要。鋼管混凝土柱兼有鋼結構和混凝土結構的優點,是最有效最經濟的一種結構形式。鋼管混凝土柱利用鋼管對受壓混凝土施加側向約束,使后者處于三向受壓的應力狀態,延緩了混凝土縱向微裂縫的產生和發展,從而提高核心混凝土的抗壓強度和壓縮變形能力;利用鋼管內填充的混凝土的支撐作用,增強鋼管管壁的穩定性,改變鋼管的失穩模態,從而提高鋼管混凝土承載能力[1]。因此石橫特鋼1780熱連軋綠色智能產品結構調整項目主車間采用鋼管混凝土柱進行設計。

在此前提下,以石橫特鋼1780熱連軋綠色智能產品結構調整項目主車間為例,對采用四肢鋼管混凝土柱和采用兩肢鋼管混凝土的框架的鋼材量和混凝土用量進行分析對比,從而確定一種截面特性好且用鋼量更省的截面形式。

1 圓鋼管混凝土柱的特點及截面種類

1.1 圓鋼管混凝土柱的特點

圓鋼管混凝土是將混凝土填入薄壁圓形鋼管內而形成的組合結構,一般簡稱為鋼管混凝土。

圓鋼管混凝土是一種具有承載力高、塑性韌性好、節省材料、方便施工等特點的組合結構材料,已在工業和民用建筑等工程中應用多年,取得了較好的技術經濟效益。

1.2 圓鋼管混凝土柱截面種類

鋼管混凝土柱按其外形可分為圓形鋼管混凝土柱及矩形鋼管混凝土柱兩種。實際工程中采用圓形鋼管混凝土柱進行設計(出于習慣,以下仍簡稱鋼管混凝土柱)。

鋼管混凝土柱按照截面類型可分為單管柱及多管組合柱兩類,前者為單管時,多用于軸壓構件。當鋼管混凝土柱為大偏心受壓或柱的長細比較大時,采用單肢柱有時不能滿足要求,并且材料強度也不能得以充分發揮。此時可以采用鋼管混凝土格構柱,當荷載較大、柱身較寬時會較節省鋼材用量。鋼管混凝土格構柱一般由兩個或多個鋼管混凝土柱用綴板或綴條組成,如圖1所示。格構柱中綴板和綴條的作用是把格構柱的各柱肢連接成整體,保證在荷載作用下各個柱肢能夠共同受力。對于由綴板和單肢鋼管混凝土組成的格構柱,可以近似采用多層平面剛架模型進行計算,在剪力作用下綴板和柱肢均能夠承受彎矩和剪力。對于由綴條和單肢鋼管混凝土組成的格構柱,可以近似采用平面剛架模型進行計算,在剪力作用下綴條和各柱肢將主要承受軸力。綴板體系的抗剪剛度較綴條體系偏小,且綴板與鋼管間的連接構造比較復雜,因此對于圓鋼管混凝土組成的格構柱,為充分發揮鋼管混凝土軸壓性能好的特點并方便制造安裝,通常使用綴條體系。

2 工程概況

2.1 工程簡介

石橫特鋼1780熱連軋綠色智能產品結構調整項目主車間,車間主要包括熱軋主車間和成品庫車間。由于篇幅限制,綜合考慮兩者的復雜性,最終選取熱軋主車間剛架作為研究對象,通過對比分析,確定熱軋主車間的剛架形式。

熱軋主車間由板坯跨、軋輥間、主軋跨、主電機室跨組成。因工藝平面布置的不規則性,不同區域的剛架跨度也不盡相同。熱軋主車間框架多數為三跨,三跨分別為板坯跨、軋輥間、主軋跨;局部框架為四跨,板坯跨、軋輥間、主軋跨、主電機室跨均有;還有兩個柱距僅軋輥間和主軋跨兩跨組成。文中對三種跨度的剛架模型均進行了對比計算。

2.2 設計參數

石橫特鋼1780熱連軋綠色智能產品結構調整項目位于山東省肥城市石橫鎮境內的工業區,基本雪壓:0.35 kN/m2(重現期為50 a),0.4 kN/m2(重現期為100 a);基本風壓:0.40 kN/m2(重現期為50 a),0.45 kN/m2(重現期為100 a),地面粗糙度類別為B類;建筑抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度值0.1g,設計地震分組為第二組,場地類別Ⅱ類,特征周期0.4 s;建筑抗震設防分類丙類。各跨的吊車參數見表1。

表1 主車間主要參數特征表

3 結構體系

3.1 計算體系

熱軋主車間為單層鋼結構廠房,橫向抗側力體系采用剛接框架結構,框架柱的柱腳一般剛性固定于基礎,框架橫梁與柱頂的連接節點為具有抗彎能力抵抗荷載剛接節點。

廠房縱向結構由廠房柱、縱向構件(吊車梁或輔助桁架、托系杅等)和柱間支撐等組成。

3.2 計算假定

單層廠房的骨架是由柱、梁(或銜架)和支撐等相互連接而形成的空間穩定結構,實際受力是空間的,為了簡化計算,將廠房骨架分解為平面體系,即廠房橫向框架和縱向結構兩個相互獨立的體系。這種按兩個獨立的體系進行設計與實際結構空間受力引起的誤差,在多年的工程實踐中被認為是可以接受的,也沒有因此發生涉及安全的問題。橫向框架及縱向支撐的設計應滿足強度、穩定性(整體穩定性和局部穩定性)及剛度的要求[2]。廠房橫向和縱向剛度的容許值如表2所示。

表2 廠房剛度容許值

3.3 框架結構布置

1)廠房框架柱網布置,就是確定廠房的跨度和柱距,與生產工藝有密切的關系,對廠房的造價影響較大,應予以重視。

2)柱網布置應從生產工藝、結構、經濟三個方面綜合考慮確定:

a.滿足生產工藝要求。柱的位置應與生產流程及設備布置相協調,還應適應擴建和工藝設備更新的要求。同時,柱網布置應考慮柱基礎與地下構筑物相協調,避免相互干擾。

b.滿足結構要求。為保證車間正常使用,應使廠房具有必要的橫向剛度,盡可能將柱布置在共同的橫向軸線上,以便與屋面橫梁(屋架)組成橫向框架。為了減少構件類型,便于制作、安裝,廠房柱距應盡量統一。

c.滿足經濟要求。縱向基本柱距的大小對結構的工程影響較大。增大柱距會使屋蓋、吊車梁的材料量增加,而柱及基礎的材料量將減少。合理的柱距應使總的建造費用為最小。

綜上考慮,結合以往工程經驗,最終結構的柱距以15 m和18 m為基本柱距,局部有一定的差異性。

3)廠房溫度區伸縮縫的設置:廠房橫向長度最大為114 m,未超長,不需要設置溫度縫;縱向長度為420 m,在中間位置設置一道溫度縫即可。

3.4 框架構件選型

1)框架的橫梁:屋面梁跨度多數為30 m,跨度較大。考慮到施工的方便,選用實腹式焊接H型梁截面,同時結合屋面梁的受力簡圖,采用更為經濟的變截面形式,最終屋面梁選用實腹式變截面鋼梁。結合屋面支撐系統的布置,屋面梁平面外計算長度為6 m。

2)框架柱截面初步分析:車間最大吊車噸位為100/20 t,同時考慮到吊車的軌頂標高為20.5 m,軌頂標高較高,柱截面選用階形柱。階形柱上柱選用實腹式焊接H型、下柱初步選用格構式柱。格構式柱可采用型鋼組合格構式柱、鋼管混凝土格構式柱,鋼管混凝土格構式柱又可分為四肢和兩肢格構式柱。中型尤其重型工業廠房框架,采用鋼管混凝土柱比鋼柱廠房能夠節約10%～25%的鋼材[3]。另一方面考慮到吊車軌頂比較高,鋼管混凝土柱的抗側剛度要顯著大于普通格構式鋼柱,故在設計之初排除掉型鋼組合格構式柱的方案。針對廠房柱的下柱最終采用兩肢還是四肢鋼管混凝土柱進行重點對比分析,從而確定一種截面特性好且用鋼量更省的截面形式。計算分析時,柱截面平面外計算長度相同,無論兩肢還是四肢鋼管混凝土柱,下柱均未設置系桿。

4 建模分析

4.1 荷載

屋面恒載:屋面彩鋼板、屋面檁條和支撐等,取值0.5 kN/m2;是否有屋面通風器根據實際情況確定。

屋面活載:屬于大跨、輕質屋蓋結構,雪荷載應采用100 a重現期的雪壓,即雪荷載0.4 kN/m2;活載0.5 kN/m2,雪荷載和活載為互斥荷載。建模時按照《荷載規范》7.2.2考慮最不利情況輸入相應荷載情況。

風荷載:0.4 kN/m2;吊車荷載:吊車噸位見表1,具體參數此處不再詳細列出。

邊柱柱頂荷載:天溝、外墻圍護結構等。

其他:各個柱列的外網及參觀走道荷載。

4.2 三跨框架模型計算

首先對數量最多的三跨框架進行計算,即由板坯跨、軋輥間、主軋跨三跨組成的計算單元。三跨每跨跨度均為30 m,屋面坡度為1∶15,三跨雙坡,屋脊在正中間;柱距15 m;各跨吊車噸位見表1;基礎頂面的標高-0.5 m,軌頂標高為20.5 m,檐口標高為28.2 m;梁柱節點采用剛接節點形式,柱腳為插入式柱腳。剛架自重,程序自動根據截面計算。

對四肢和兩肢的鋼管混凝土格構柱分別進行建模計算,建模時只是兩廠房的下部格構式柱不同,其余部分均相同。對兩個模型進行反復試算,盡量保持各柱計算結果的強度、穩定應力比等一致,以減小因結果控制不同而造成的鋼材材料量的差異性。在此前提下,對比兩種模型的用鋼量。柱距15 m框架材料量計算結果如表3所示。

表3 柱距15 m三跨框架材料量計算結果

由表3中數據可以明顯看出,在各個荷載參數均相同的情況下,無論是鋼材的材料量還是鋼管內填充的混凝土量,兩肢柱均大于四肢柱。單榀四肢剛架重56.2 t,明顯小于單榀兩肢剛架重(64.6 t),兩肢剛架的單位面積用鋼量明顯高于四肢剛架的單位面積用鋼量,且高了15%。

4.3 四跨框架模型計算

四跨框架分別為板坯跨、軋輥間、主軋跨、主電機室跨。板坯跨、軋輥間、主軋跨跨度均為30 m,主電機室跨為24 m;屋面坡度為1∶15,四跨雙坡,屋脊位于軋輥間跨中間;柱距18 m;各跨吊車噸位見表1;基礎頂面的標高-0.5 m,軌頂標高為20.5 m,屋脊高度與三跨框架保持一致;梁柱節點采用剛接節點形式,柱腳為插入式柱腳。剛架自重,程序自動根據截面計算。

對四肢和兩肢的鋼管混凝土格構柱分別進行建模計算,建模時只是兩廠房的下部格構式柱不同,其余部分均相同。對兩個模型進行反復試算,盡量保持各柱計算結果的強度、穩定應力比等一致,以減小因結果控制不同而造成的鋼材材料量的差異性。在此前提下,對比兩種模型的用鋼量。柱距18 m的四跨框架材料量計算結果如表4所示。

表4 柱距18 m四跨框架材料量計算結果

由表4中數據可以明顯看出,在各個荷載參數均相同的情況下,無論是鋼材的材料量還是鋼管內填充的混凝土量,兩肢柱均大于四肢柱。單榀四肢剛架重76 t,明顯小于單榀兩肢剛架重(85.9 t)。兩肢剛架的單位面積用鋼量明顯高于四肢剛架的單位面積用鋼量,且高了13%。

4.4 兩跨框架模型計算

兩跨框架分別為軋輥間、主軋跨。軋輥間、主軋跨跨度均為30 m,雙跨雙坡,屋脊位于軋輥間中;屋面有通風器,且有單軌吊;柱距18 m;兩跨吊車最大噸位均為100 t,具體見表1;基礎頂面的標高-0.5 m,軌頂標高為20.5 m,屋脊高度與三跨框架保持一致;梁柱節點采用剛接節點形式,柱腳為插入式柱腳。剛架自重,程序自動根據截面計算[4]。

對四肢和兩肢的鋼管混凝土格構柱分別進行建模計算,建模時只是兩廠房的下部格構式柱不同,其余部分均相同。對兩個模型進行反復試算,盡量保持各柱計算結果的強度、穩定應力比等一致,以減小因結果控制不同而造成的鋼材材料量的差異性。在此前提下,對比兩種模型的用鋼量。柱距18 m的四跨框架材料量計算結果如表5所示。

表5 柱距18 m兩跨框架材料量計算結果

由表5數據可以明顯看出,在各個荷載參數均相同的情況下,無論是鋼材的材料量還是鋼管內填充的混凝土量,兩肢柱均大于四肢柱[5-6]。單榀四肢框架重49.8 t,明顯小于單榀兩肢剛架重(59.8 t)。兩肢框架的單位面積用鋼量明顯高于四肢框架的單位面積用鋼量,且高了20%。

5 結論

1)對于中型尤其重型工業廠房框架,吊車噸位大,吊車軌頂標高較高時,鋼管混凝土格構柱采用四肢比兩肢用鋼量少,框架構件可以節約13%～20%左右,經濟效益非常明顯。

2)隨著框架橫向跨度越少,四肢鋼管混凝土柱耗鋼量越低,相較于兩肢混凝土柱的優勢越大。

3)相同條件下,四肢鋼管混凝土柱相較于兩肢鋼管混凝土,不僅耗鋼量低,鋼管內填充的混凝土量也大幅減少。