四肢和两肢钢管混凝土柱框架的用钢量对比

杨志娟，刘 慧，王 涛

(中冶东方工程技术有限公司,山东 青岛 266555)

0 引言

随着经济技术的日益发展,科学技术的不断进步,各种大跨度的、重荷载的结构工程越来越多,如何选择更合适的结构形式日益重要。钢管混凝土柱兼有钢结构和混凝土结构的优点,是最有效最经济的一种结构形式。钢管混凝土柱利用钢管对受压混凝土施加侧向约束,使后者处于三向受压的应力状态,延缓了混凝土纵向微裂缝的产生和发展,从而提高核心混凝土的抗压强度和压缩变形能力;利用钢管内填充的混凝土的支撑作用,增强钢管管壁的稳定性,改变钢管的失稳模态,从而提高钢管混凝土承载能力[1]。因此石横特钢1780热连轧绿色智能产品结构调整项目主车间采用钢管混凝土柱进行设计。

在此前提下,以石横特钢1780热连轧绿色智能产品结构调整项目主车间为例,对采用四肢钢管混凝土柱和采用两肢钢管混凝土的框架的钢材量和混凝土用量进行分析对比,从而确定一种截面特性好且用钢量更省的截面形式。

1 圆钢管混凝土柱的特点及截面种类

1.1 圆钢管混凝土柱的特点

圆钢管混凝土是将混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构,一般简称为钢管混凝土。

圆钢管混凝土是一种具有承载力高、塑性韧性好、节省材料、方便施工等特点的组合结构材料,已在工业和民用建筑等工程中应用多年,取得了较好的技术经济效益。

1.2 圆钢管混凝土柱截面种类

钢管混凝土柱按其外形可分为圆形钢管混凝土柱及矩形钢管混凝土柱两种。实际工程中采用圆形钢管混凝土柱进行设计(出于习惯,以下仍简称钢管混凝土柱)。

钢管混凝土柱按照截面类型可分为单管柱及多管组合柱两类,前者为单管时,多用于轴压构件。当钢管混凝土柱为大偏心受压或柱的长细比较大时,采用单肢柱有时不能满足要求,并且材料强度也不能得以充分发挥。此时可以采用钢管混凝土格构柱,当荷载较大、柱身较宽时会较节省钢材用量。钢管混凝土格构柱一般由两个或多个钢管混凝土柱用缀板或缀条组成,如图1所示。格构柱中缀板和缀条的作用是把格构柱的各柱肢连接成整体,保证在荷载作用下各个柱肢能够共同受力。对于由缀板和单肢钢管混凝土组成的格构柱,可以近似采用多层平面刚架模型进行计算,在剪力作用下缀板和柱肢均能够承受弯矩和剪力。对于由缀条和单肢钢管混凝土组成的格构柱,可以近似采用平面刚架模型进行计算,在剪力作用下缀条和各柱肢将主要承受轴力。缀板体系的抗剪刚度较缀条体系偏小,且缀板与钢管间的连接构造比较复杂,因此对于圆钢管混凝土组成的格构柱,为充分发挥钢管混凝土轴压性能好的特点并方便制造安装,通常使用缀条体系。

2 工程概况

2.1 工程简介

石横特钢1780热连轧绿色智能产品结构调整项目主车间,车间主要包括热轧主车间和成品库车间。由于篇幅限制,综合考虑两者的复杂性,最终选取热轧主车间刚架作为研究对象,通过对比分析,确定热轧主车间的刚架形式。

热轧主车间由板坯跨、轧辊间、主轧跨、主电机室跨组成。因工艺平面布置的不规则性,不同区域的刚架跨度也不尽相同。热轧主车间框架多数为三跨,三跨分别为板坯跨、轧辊间、主轧跨;局部框架为四跨,板坯跨、轧辊间、主轧跨、主电机室跨均有;还有两个柱距仅轧辊间和主轧跨两跨组成。文中对三种跨度的刚架模型均进行了对比计算。

2.2 设计参数

石横特钢1780热连轧绿色智能产品结构调整项目位于山东省肥城市石横镇境内的工业区,基本雪压:0.35 kN/m2(重现期为50 a),0.4 kN/m2(重现期为100 a);基本风压:0.40 kN/m2(重现期为50 a),0.45 kN/m2(重现期为100 a),地面粗糙度类别为B类;建筑抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值0.1g,设计地震分组为第二组,场地类别Ⅱ类,特征周期0.4 s;建筑抗震设防分类丙类。各跨的吊车参数见表1。

表1 主车间主要参数特征表

3 结构体系

3.1 计算体系

热轧主车间为单层钢结构厂房,横向抗侧力体系采用刚接框架结构,框架柱的柱脚一般刚性固定于基础,框架横梁与柱顶的连接节点为具有抗弯能力抵抗荷载刚接节点。

厂房纵向结构由厂房柱、纵向构件(吊车梁或辅助桁架、托系杅等)和柱间支撑等组成。

3.2 计算假定

单层厂房的骨架是由柱、梁(或衔架)和支撑等相互连接而形成的空间稳定结构,实际受力是空间的,为了简化计算,将厂房骨架分解为平面体系,即厂房横向框架和纵向结构两个相互独立的体系。这种按两个独立的体系进行设计与实际结构空间受力引起的误差,在多年的工程实践中被认为是可以接受的,也没有因此发生涉及安全的问题。横向框架及纵向支撑的设计应满足强度、稳定性(整体稳定性和局部稳定性)及刚度的要求[2]。厂房横向和纵向刚度的容许值如表2所示。

表2 厂房刚度容许值

3.3 框架结构布置

1)厂房框架柱网布置,就是确定厂房的跨度和柱距,与生产工艺有密切的关系,对厂房的造价影响较大,应予以重视。

2)柱网布置应从生产工艺、结构、经济三个方面综合考虑确定:

a.满足生产工艺要求。柱的位置应与生产流程及设备布置相协调,还应适应扩建和工艺设备更新的要求。同时,柱网布置应考虑柱基础与地下构筑物相协调,避免相互干扰。

b.满足结构要求。为保证车间正常使用,应使厂房具有必要的横向刚度,尽可能将柱布置在共同的横向轴线上,以便与屋面横梁(屋架)组成横向框架。为了减少构件类型,便于制作、安装,厂房柱距应尽量统一。

c.满足经济要求。纵向基本柱距的大小对结构的工程影响较大。增大柱距会使屋盖、吊车梁的材料量增加,而柱及基础的材料量将减少。合理的柱距应使总的建造费用为最小。

综上考虑,结合以往工程经验,最终结构的柱距以15 m和18 m为基本柱距,局部有一定的差异性。

3)厂房温度区伸缩缝的设置:厂房横向长度最大为114 m,未超长,不需要设置温度缝;纵向长度为420 m,在中间位置设置一道温度缝即可。

3.4 框架构件选型

1)框架的横梁:屋面梁跨度多数为30 m,跨度较大。考虑到施工的方便,选用实腹式焊接H型梁截面,同时结合屋面梁的受力简图,采用更为经济的变截面形式,最终屋面梁选用实腹式变截面钢梁。结合屋面支撑系统的布置,屋面梁平面外计算长度为6 m。

2)框架柱截面初步分析:车间最大吊车吨位为100/20 t,同时考虑到吊车的轨顶标高为20.5 m,轨顶标高较高,柱截面选用阶形柱。阶形柱上柱选用实腹式焊接H型、下柱初步选用格构式柱。格构式柱可采用型钢组合格构式柱、钢管混凝土格构式柱,钢管混凝土格构式柱又可分为四肢和两肢格构式柱。中型尤其重型工业厂房框架,采用钢管混凝土柱比钢柱厂房能够节约10%～25%的钢材[3]。另一方面考虑到吊车轨顶比较高,钢管混凝土柱的抗侧刚度要显著大于普通格构式钢柱,故在设计之初排除掉型钢组合格构式柱的方案。针对厂房柱的下柱最终采用两肢还是四肢钢管混凝土柱进行重点对比分析,从而确定一种截面特性好且用钢量更省的截面形式。计算分析时,柱截面平面外计算长度相同,无论两肢还是四肢钢管混凝土柱,下柱均未设置系杆。

4 建模分析

4.1 荷载

屋面恒载:屋面彩钢板、屋面檩条和支撑等,取值0.5 kN/m2;是否有屋面通风器根据实际情况确定。

屋面活载:属于大跨、轻质屋盖结构,雪荷载应采用100 a重现期的雪压,即雪荷载0.4 kN/m2;活载0.5 kN/m2,雪荷载和活载为互斥荷载。建模时按照《荷载规范》7.2.2考虑最不利情况输入相应荷载情况。

风荷载:0.4 kN/m2;吊车荷载:吊车吨位见表1,具体参数此处不再详细列出。

边柱柱顶荷载:天沟、外墙围护结构等。

其他:各个柱列的外网及参观走道荷载。

4.2 三跨框架模型计算

首先对数量最多的三跨框架进行计算,即由板坯跨、轧辊间、主轧跨三跨组成的计算单元。三跨每跨跨度均为30 m,屋面坡度为1∶15,三跨双坡,屋脊在正中间;柱距15 m;各跨吊车吨位见表1;基础顶面的标高-0.5 m,轨顶标高为20.5 m,檐口标高为28.2 m;梁柱节点采用刚接节点形式,柱脚为插入式柱脚。刚架自重,程序自动根据截面计算。

对四肢和两肢的钢管混凝土格构柱分别进行建模计算,建模时只是两厂房的下部格构式柱不同,其余部分均相同。对两个模型进行反复试算,尽量保持各柱计算结果的强度、稳定应力比等一致,以减小因结果控制不同而造成的钢材材料量的差异性。在此前提下,对比两种模型的用钢量。柱距15 m框架材料量计算结果如表3所示。

表3 柱距15 m三跨框架材料量计算结果

由表3中数据可以明显看出,在各个荷载参数均相同的情况下,无论是钢材的材料量还是钢管内填充的混凝土量,两肢柱均大于四肢柱。单榀四肢刚架重56.2 t,明显小于单榀两肢刚架重(64.6 t),两肢刚架的单位面积用钢量明显高于四肢刚架的单位面积用钢量,且高了15%。

4.3 四跨框架模型计算

四跨框架分别为板坯跨、轧辊间、主轧跨、主电机室跨。板坯跨、轧辊间、主轧跨跨度均为30 m,主电机室跨为24 m;屋面坡度为1∶15,四跨双坡,屋脊位于轧辊间跨中间;柱距18 m;各跨吊车吨位见表1;基础顶面的标高-0.5 m,轨顶标高为20.5 m,屋脊高度与三跨框架保持一致;梁柱节点采用刚接节点形式,柱脚为插入式柱脚。刚架自重,程序自动根据截面计算。

对四肢和两肢的钢管混凝土格构柱分别进行建模计算,建模时只是两厂房的下部格构式柱不同,其余部分均相同。对两个模型进行反复试算,尽量保持各柱计算结果的强度、稳定应力比等一致,以减小因结果控制不同而造成的钢材材料量的差异性。在此前提下,对比两种模型的用钢量。柱距18 m的四跨框架材料量计算结果如表4所示。

表4 柱距18 m四跨框架材料量计算结果

由表4中数据可以明显看出,在各个荷载参数均相同的情况下,无论是钢材的材料量还是钢管内填充的混凝土量,两肢柱均大于四肢柱。单榀四肢刚架重76 t,明显小于单榀两肢刚架重(85.9 t)。两肢刚架的单位面积用钢量明显高于四肢刚架的单位面积用钢量,且高了13%。

4.4 两跨框架模型计算

两跨框架分别为轧辊间、主轧跨。轧辊间、主轧跨跨度均为30 m,双跨双坡,屋脊位于轧辊间中;屋面有通风器,且有单轨吊;柱距18 m;两跨吊车最大吨位均为100 t,具体见表1;基础顶面的标高-0.5 m,轨顶标高为20.5 m,屋脊高度与三跨框架保持一致;梁柱节点采用刚接节点形式,柱脚为插入式柱脚。刚架自重,程序自动根据截面计算[4]。

对四肢和两肢的钢管混凝土格构柱分别进行建模计算,建模时只是两厂房的下部格构式柱不同,其余部分均相同。对两个模型进行反复试算,尽量保持各柱计算结果的强度、稳定应力比等一致,以减小因结果控制不同而造成的钢材材料量的差异性。在此前提下,对比两种模型的用钢量。柱距18 m的四跨框架材料量计算结果如表5所示。

表5 柱距18 m两跨框架材料量计算结果

由表5数据可以明显看出,在各个荷载参数均相同的情况下,无论是钢材的材料量还是钢管内填充的混凝土量,两肢柱均大于四肢柱[5-6]。单榀四肢框架重49.8 t,明显小于单榀两肢刚架重(59.8 t)。两肢框架的单位面积用钢量明显高于四肢框架的单位面积用钢量,且高了20%。

5 结论

1)对于中型尤其重型工业厂房框架,吊车吨位大,吊车轨顶标高较高时,钢管混凝土格构柱采用四肢比两肢用钢量少,框架构件可以节约13%～20%左右,经济效益非常明显。

2)随着框架横向跨度越少,四肢钢管混凝土柱耗钢量越低,相较于两肢混凝土柱的优势越大。

3)相同条件下,四肢钢管混凝土柱相较于两肢钢管混凝土,不仅耗钢量低,钢管内填充的混凝土量也大幅减少。