[摘要]本文以天津賽瑞特重型廠房的設(shè)計(jì)為例，論述了在大吊車荷栽作用下，鋼管混凝土組合柱的經(jīng)濟(jì)性及合理性；對(duì)柱腳、肩梁以及鋼管混凝土組合柱的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與受力性能作了簡單的論述；并且簡單介紹了鋼管混凝土組合柱的計(jì)算要點(diǎn)。
　　[關(guān)鍵詞]鋼管混凝土組合柱，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；
　　前言
　　鋼管混凝土構(gòu)件是指在鋼管中填充素混凝土而形成的組合構(gòu)件。它是從密排螺旋箍等套箍混凝土演變而成的，其基本受理機(jī)理是：
　　1.借助內(nèi)箍混凝土來增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性；
　　2.借助鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，使其處于三向受壓狀態(tài)，從而提高其抗壓強(qiáng)度和變形能力。
　　鋼管混凝土構(gòu)件具有承載力高、塑性韌性好、抗震性能好、施工制作方便、耐火性能好、經(jīng)濟(jì)效果好以及外形美觀等突出優(yōu)點(diǎn)。
　　在結(jié)構(gòu)受壓桿件中，采用鋼管混凝土構(gòu)件替代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土和結(jié)純鋼構(gòu)件，可大幅度地節(jié)省鋼、木、水泥用量和減輕結(jié)構(gòu)自重，使桿系結(jié)構(gòu)的受力性能大為改善。隨著近年我國對(duì)基礎(chǔ)項(xiàng)目投資力度的加大，重型車間項(xiàng)目不斷增多，天車噸位越上越大，鋼管混凝土的優(yōu)越性也得到了更好的體現(xiàn)。筆者完成的天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司超重機(jī)加工車間就是一個(gè)很好的實(shí)例，下面我們就以此工程為實(shí)例對(duì)鋼管混凝土組合柱的受力性能及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行簡單的闡述。
　　工程概況:
　　天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司超重型機(jī)加工車間平面尺寸360x86.3m，中間主跨跨度36.3m，兩側(cè)附跨跨度各25m，車間柱距除局部為16m外其他均為12m。兩側(cè)附跨檐口標(biāo)高21.25m，各設(shè)有125t天車兩臺(tái)，天車軌頂標(biāo)高15m；中間主跨檐口標(biāo)高42.5m，設(shè)有雙層天車，下層設(shè)有125噸天車兩臺(tái)，天車軌頂標(biāo)高24.5m，上層設(shè)有600噸天車一臺(tái)，天車軌頂標(biāo)高33m。上述天車除600噸天車外工作級(jí)別均為A5級(jí)，600噸天車工作級(jí)別為A3級(jí)。
　　該車間的特點(diǎn)是廠房非常高大，達(dá)到了40m以上；車間跨度大，達(dá)到了36m；天車噸位大，達(dá)到了600噸，如此大噸位的廠房在全國范圍內(nèi)也是非常少見的。廠房的以上特點(diǎn)對(duì)于車間立柱的強(qiáng)度、塑性、耐疲勞以及耐沖擊的要求更高。經(jīng)多方計(jì)算比較本車間最終確定采用鋼管混凝土組合柱作為主要構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其受力性能以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均較傳統(tǒng)的混凝土柱和格構(gòu)式型鋼柱更為優(yōu)越。其建成后必將會(huì)為大跨度、大柱距、大噸位天車的工業(yè)建筑提供一個(gè)可借鑒的結(jié)構(gòu)范例，并能進(jìn)一步在實(shí)際中驗(yàn)證鋼管混凝土格構(gòu)柱的工程優(yōu)越性。
　　該車間地處天津軍糧城附近，臨近塘沽開發(fā)區(qū)，因車間高度過大，風(fēng)荷載影響會(huì)較為顯著，故風(fēng)荷載取值未按天津地區(qū)0.5KN/m2，而是按塘沽地區(qū)的風(fēng)荷載0.55KN/m2取值，并且考慮了1.05的風(fēng)荷載放大系數(shù)；地震設(shè)防烈度7度，基本地震加速度0.15g，第一組，III類場地土；車間屋面采用輕鋼彩板屋面，維護(hù)系統(tǒng)采用高頻焊接型鋼，屋面支撐系統(tǒng)采用單角鋼支撐，自重較輕，按0.45KN/m2考慮；活載按天津地區(qū)雪荷載0.4KN/m2與標(biāo)準(zhǔn)活荷載0.3KN/m2取二者中較大值，并與0.2KN/m2的公用吊掛荷載疊加計(jì)算；本工程天車噸位非常大導(dǎo)致肩梁天車反力非常大，兩側(cè)附跨肩梁處天車（125t）反力2356KN（最大輪壓）、475KN（最小輪壓），中間主跨下層肩梁處天車（125t）反力2387KN（最大輪壓）、490KN（最小輪壓），上層肩梁處天車（600t）反力5375KN（最大輪壓）、1498KN（最小輪壓）。
　　本工程采用中國建筑設(shè)計(jì)研究院編制的PKPM-STPJ進(jìn)行的模型計(jì)算。
　　車間立柱選型：
　　本車間兩側(cè)附跨天車起重量較小，采用傳統(tǒng)的型鋼格構(gòu)柱完全能滿足設(shè)計(jì)要求，型鋼格構(gòu)柱非本文所討論的范圍，在此不再敷述。本文僅討論中間主跨因車間高度過大，天車起重量過大而采用鋼管混凝土組合柱的優(yōu)越性。
　　1. 不同形式柱的比較
　　傳統(tǒng)的大型工業(yè)廠房排架柱，一般都采用鋼筋混凝土或鋼為材料，組成格構(gòu)式柱，以承受屋蓋、吊車、風(fēng)以及地震力傳來的荷載。其中前者自重大，施工時(shí)需要大量的模板，其質(zhì)量受氣候及季節(jié)的影響較大，與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如吊車梁，屋蓋支座、圍護(hù)及柱間支撐)的連接較為復(fù)雜，需預(yù)先埋設(shè)預(yù)埋件，對(duì)整個(gè)工程來說費(fèi)工費(fèi)料，工程進(jìn)度緩慢，并缺乏美觀性；在大跨度、大柱網(wǎng)、大吊車作用下，其截面非常大，從而影響車間的利用率。后者由于采用結(jié)構(gòu)鋼一種材料組成，其承壓能力相對(duì)較弱，而且焊接工作量過大，焊接應(yīng)力也相應(yīng)增大，因而也不是很理想。鋼管混凝土柱即由鋼管制作成鋼柱或鋼格構(gòu)柱，并在管內(nèi)填充混凝土形成的復(fù)合材料構(gòu)件，它集鋼筋混凝土和鋼各自的優(yōu)越性于一體，大大提高了排架柱的受力及耐疲勞性能，因而在大跨度、大柱網(wǎng)、大吊車作用下，比以往的鋼筋混凝土柱或鋼柱更有優(yōu)越性。經(jīng)計(jì)算分析，本工程采用鋼管混凝土柱與鋼柱相比，在保持自重相近和承載能力相同條件下，可節(jié)省鋼材約50％，焊接工作量可大幅度減少；與普通混凝土柱相比，在保持鋼材用鋼量相近和承載能力相同條件下，構(gòu)件截面面積可減小一半，混凝土和水泥用量以及構(gòu)件自重相應(yīng)減少50％。
　　2. 柱形式與截面的確定
　　常用的單層工業(yè)廠房鋼管混凝土格構(gòu)式組合柱截面形式有雙肢柱、三肢柱、四肢柱。雙肢柱及三肢柱一般用于輕型無吊車或吊車起重量較輕的單跨、多跨廠房。本工程由于車間高度過高，吊車及風(fēng)荷載較大，因而下柱采用四肢柱，600噸吊車軌頂以上采用焊接工字鋼柱。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果及吊車布置選用柱截面，鋼管規(guī)格基本均為480x14mm。
　　鋼管混凝土格構(gòu)式組合柱，柱肢間通過腹桿連成整體，一方面可減小柱肢的計(jì)算長度，另一方面承受部分水平荷載。腹桿采用鋼管，其壁厚不大于柱肢管壁，與柱肢鋼管直接焊接。一般來說斜腹桿與水平面的夾角宜在四十五度左右。腹桿間在柱肢上的距離應(yīng)大于50mm以減少焊接應(yīng)力。因腹桿鋼管直徑較小，考慮到施工采購的問題，按Q235B進(jìn)行設(shè)計(jì)。
　　組合柱的材質(zhì)及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造
　　1.柱腳
　　為使柱腳的剛接性能得到充分保證，本工程柱腳采用傳統(tǒng)的插入式柱腳。柱腳鋼管的端頭必須用封板封閉，這對(duì)解決柱與基礎(chǔ)連接面的局部受壓強(qiáng)度是非常有利的，但考慮到柱腳灌漿的方便，在封閉端板上還開設(shè)了直徑240mm的泌漿孔，以保證灌漿混凝土能充分的灌滿。根據(jù)本工程的受力情況，我們?cè)诜獍迮c柱肢連接處增設(shè)加勁肋以提高其剛度，另外由于鋼管柱肢與基礎(chǔ)混凝土的粘剪強(qiáng)度較弱，柱腳鋼管需設(shè)置抗剪栓釘。本工程鋼管混凝土組合柱，柱腳直接插入兩個(gè)杯口基礎(chǔ)中，安裝就位并校正固定后，再用細(xì)石混凝土分兩次灌筑與基礎(chǔ)連成整體。由于柱承受的水平荷載及彎距很大，按照規(guī)范規(guī)定，柱腳插入深度取5倍管徑。
　　2.肩梁
　　格構(gòu)式階形變截面柱往往用肩梁來連接。本工程上柱內(nèi)肢直接焊于肩梁上翼緣板，外肢穿過上翼緣板與肩梁下翼緣板焊接。這種連接方式避免了柱接頭在同一平面的缺陷，有利于提高柱的整體強(qiáng)度。肩梁相當(dāng)于轉(zhuǎn)換梁，把上柱荷載通過轉(zhuǎn)換傳遞給下柱。肩梁兩端由上下翼緣、腹板與下柱柱肢以剖口焊縫連接。為了加強(qiáng)剛度和傳力的可靠性，肩梁腹板盡可能穿過下柱柱肢，并加設(shè)必要的肋板。由于吊車噸位特別大，肩梁又是上下柱連接的關(guān)鍵部位，我們?cè)谶x定柱平面尺度時(shí)，將吊車梁位置設(shè)計(jì)在下柱內(nèi)肢管軸線處，使受力更直接，傳力途徑更簡短。同時(shí)，把肩梁的上翼緣板設(shè)計(jì)成一整塊鋼板，在上翼緣板合適位置開有直徑100mm的孔，可以散發(fā)因箱形肩梁焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接煙塵；在肩梁的下翼緣板上開設(shè)最小邊長400mm的孔洞，其目的是可以使焊接工人及工具可以進(jìn)入肩梁內(nèi)部進(jìn)行焊接。
　　3.材質(zhì)
　　單層廠房中鋼管混凝土組合柱由于承受吊車及風(fēng)荷載，所以柱的鋼管材質(zhì)也應(yīng)有一定的韌性。本工程中，鋼管采用Q345B鋼制作的軋制無縫鋼管或螺旋焊接管。柱內(nèi)混凝土應(yīng)盡可能減少游離水份。我們選用C40無收縮混凝土，水灰比控制在0.45以內(nèi)，骨料粒徑0．5-3cm，坍落度取15～18cm以利于泵送頂升澆灌法施工。
　　鋼管混凝土組合柱的計(jì)算要點(diǎn)簡述
　　鋼管混凝土組合柱由多個(gè)鋼管混凝土柱肢組成，應(yīng)根據(jù)排架分析結(jié)果，分別對(duì)整體承載力和單肢承載力進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算公式見《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(CECS28:90)第4.2.5條。
　　當(dāng)柱肢承受拉力時(shí)，只考慮鋼管作用，忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度；由于柱肢鋼管對(duì)管內(nèi)混凝土有緊箍作用，當(dāng)柱受壓時(shí)，管內(nèi)混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)，因此受壓計(jì)算除考慮鋼管與混凝土抗壓能力外，尚應(yīng)計(jì)入核心混凝土抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)。
　　鋼管混凝土組合柱整體承載力計(jì)算時(shí)，必須根據(jù)柱的長細(xì)比及偏心率情況進(jìn)行折減，具體見有關(guān)規(guī)范。三肢、四肢柱受壓彎時(shí)，由于排架柱柱距比跨度要小，彎矩作用平面外柱密而多，同時(shí)又有多道柱間支撐及吊車梁連接，一般不必驗(yàn)算彎矩作用平面外的整體穩(wěn)定性，但應(yīng)驗(yàn)算平面內(nèi)穩(wěn)定性及單肢節(jié)間局部穩(wěn)定性。
　　組合柱腹桿計(jì)算，其內(nèi)力取實(shí)際作用于格構(gòu)柱上的橫向剪力設(shè)計(jì)值與格構(gòu)柱軸心受壓短柱的承載力設(shè)計(jì)值算得的剪力中較大者進(jìn)行驗(yàn)算。除需驗(yàn)算腹桿的強(qiáng)度及穩(wěn)定外，腹桿與柱肢的焊縫也必須計(jì)算。承受軸心荷載格構(gòu)柱的剪力設(shè)計(jì)值可認(rèn)為沿構(gòu)件全長不變。
　　肩梁的計(jì)算，一方面要考慮其作為簡支梁承受肩梁上部柱的荷載，同時(shí)，它作為特殊綴板的作用也不容忽視。
　　組合柱的柱腳出現(xiàn)拉力時(shí)，需驗(yàn)算混凝土的抗粘剪強(qiáng)度。當(dāng)不滿足要求時(shí)，可在鋼管上加焊栓釘連接件或短鋼筋。
　　結(jié)束語：
　　鋼管混凝土組合柱替代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱或鋼格構(gòu)柱，對(duì)工業(yè)建筑工程中的大跨度、大柱距、大吊車的廠房來說，具有不可低估的優(yōu)越性。天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司超重型機(jī)加工車間的設(shè)計(jì)方案對(duì)比表明，本工程采用鋼管混凝土柱與鋼柱相比，可節(jié)省鋼材約50％，焊接工作量可大幅度減少；與普通混凝土柱相比，在保持鋼材用鋼量相近和承載能力相同條件下，構(gòu)件截面面積可減小一半，混凝土和水泥用量、構(gòu)件自重相應(yīng)減少50％。充分顯示了鋼管混凝土柱作為組合材料受力構(gòu)件的力學(xué)優(yōu)勢。
　　參考文獻(xiàn)：
　　1.劉大海楊翠如型鋼鋼管混凝土高樓計(jì)算和構(gòu)造中國建筑工業(yè)出版社
　　2.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程CECS28:90中國計(jì)劃出版社
　　3.韓林如楊有福現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)中國建筑工業(yè)出版社