钢管柱构件（共7篇）
钢管柱构件 篇1
摘要：分别进行5个薄壁钢管柱构件在恒载升温条件下和3个构件在轴向位移约束条件下的抗火试验。在恒载升温试验组,升温速率分别设定为4.0、7.0、10.0、14.0、17.5℃/min,达到目标温度300℃后再恒温10min;在轴向位移约束试验组,试验升温速率分别为3.9、6.2、13.0℃/min,温度持续上升无恒温阶段。试验表明,恒载升温过程中,升温速率越大,构件变形随温度增量的变化越小;轴向位移约束试验中,升温速率越大,构件的内力随温度增量变化同样越小。
关键词：钢管柱构件,升温速率,恒载升温,轴向位移约束,抗火试验
建筑结构在火灾中的安全性取决于火灾环境温度、火灾持续的时间、构件的耐火特性等,在标准耐火试验基础上制定的GB 50016-2014《建筑设计防火规范》对于建筑结构的所有类型构件耐火时间都做出了明确规定。但是,由于实际使用中建筑内部的火灾荷载和通风系数等因素的不确定性,造成火灾发生时其内部环境温度-时间曲线与标准升温曲线有较大差别。实际中,发生火灾时消防力量达到后实施的灭火动作对建筑内部的火场温度也将产生相当的影响,导致其构件内部的温度场发生复杂变化,由此影响到建筑结构受火构件内部抗力的变化。目前,对于结构的耐火性能试验研究有恒载升温和恒温加载两种方式,而根据两种方式研究得到的模型结果是不同的。恒温加载时,加载受力阶段中构件截面内部温度比较均匀,但是在恒载(或位移约束)升温过程中,升温过程比较复杂,不同的试验条件可能营造不同升温速率的模拟火灾环境。研究表明,火灾中,环境温度随时间的变化规律对建筑构件的抗火性能具有重要影响,不同的火灾环境升温速率会导致建筑构件表面温度变化的差异性,进一步影响到构件内部温度场的差异性,导致材料呈现出不同的高温力学效果,最终影响其耐火时间。因此,此课题以钢管柱构件为对象,试验研究其在不同升温速率下,恒载升温和位移约束两种方式下的抗火规律。
1 试验装置及试验内容设计
1.1 试验装置介绍
试验装置采用专利文献设计制造的高温压力试验机,包括微机控制电液伺服加载系统、加热控温系统、激光测距和数字变形测量系统及其他辅助装置。
试验装置最大加载2 000kN,力控精度为±1%,系统能实现力和变形的闭环控制;温度控制系统的精度为1℃,能实现多种模式的升温路径控制,其高温炉内部试验构件的模拟火灾环境温度以四个壁面上共14个K型热电偶采集到的温度数据进行加权平均。
1.2 试验方案设计
选用国产Q345薄壁钢管,外径159mm,壁厚6mm,长度1 960mm,钢管柱两端分别焊接一块200mm×200mm×20mm的高强度钢板,钢管短柱屈服强度为388MPa,长柱屈服强度353 MPa。按钢结构施工规范做成如图1所示。
研究内容分为恒载升温和轴向位移约束两种方式的抗火试验。
(1)恒载升温试验组。在这一组试验中,进行5次不同升温-恒温路径下的抗压试验。将试件安装于高温炉内,并确保试件的轴心线与压力机的加载中心线重合,吊装试验炉炉盖,然后进入系统操作程序。加载前先设置温控程序:设定初始温度为20℃,目标温度300℃,升温速率(用K表示)分别为4.0、7.0、10.0、14.0、17.5℃/min,达到目标温度后再恒温10min。加载时给试件缓慢预加0.2Fs的初始载荷即200kN,并保持升温过程荷载恒定,然后开启温控动作响应程序,系统自动记录并保存试件所受的荷载、发生变形、环境温度等结果参数,通过分析该组试验中构件变形随时间和变形随温度的变化规律,分析不同升温速率对钢管柱构件抗火的影响。
(2)轴向位移约束试验组。在这一组试验中,进行3次不同升温速率下的抗压试验。按照安装操作要求,将试件正确安装于炉内。加载前设置温控程序:设定初始温度为20℃,最高温度为800℃,三次升温速率分别为3.9、6.2、13.0℃/min,在整个过程中温度持续升高,无恒温阶段。先给试件100kN初始荷载,然后进行变形闭环控制(即整个过程保持柱的轴向变形恒定),最后开启升温响应程序。随着温度的升高,在热膨胀的作用下,受约束的试件内部轴力逐渐增大,直到人为干预试验终止,整个过程系统记录试件所受荷载、变形、温度等参数,通过分析构件的轴力随时间和轴力随温度变化规律,分析不同升温速率对钢管柱构件抗火的影响。
2 试验结果及数据分析
2.1 恒载升温试验组
恒载升温组的5个试验中,设定高温炉内部的初始温度为20℃,目标温度300℃,考虑到升温时间只能是整数,所以试验设计的升温速率依次为4.0、7.0、10.0、14.0、17.5℃/min,对应的程序设定升温时间依次为70、40、28、20、16min。但由于实际环境初始温度的误差,同时温度控制箱反馈的加权平均温度与设定温度也有误差,所以试件的实际升温时间与设定的参数之间稍有偏差。5个试件试验的设计参数及温度和变形试验测量结果,见表1及图2~6所示。其中,hz-3试验与其他几次试验之间相隔时间较长,初始环境温度低。
该组试验中,各次试验过程的温度-时间曲线,如图2所示,图中升温速率K值从左至右依次为17.5、14.0、10.0、7.0、4.0℃/min。从试验结果看,升温速率较小时温度控制的精度比较好,而升温速率较大时,达到目标温度前后有一小幅调整。
在该组试验中,高温炉内温度达到目标值之前,5个试验柱构件的变形随时间的变化趋势,如图3所示,曲线中对应的升温速率K从左至右依次为17.5、14.0、10.0、7.0、4.0℃/min。从图3可以看出,环境温度升高得越快(升温速率大),构件的表面温度达到目标值的时间越短。在升温整个过程构件截面内部导热是瞬态的,造成内部沿径向的温度分布很不均匀,温度梯度大,而平均温度越小,反映到构件的整体膨胀变形越小。
同时,高温炉内温度达到目标值之前,5个试验构件的变形值随温度的变化趋势,如图4所示。曲线中对应的升温速率从上到下依次为4.0、7.0、10.0、14.0、17.5℃/min。可以看出,由于温度随时间是线性变化,图4中变形-温度趋势与图3中的变形-时间趋势是一致的。升温速率越大,构件内部温度梯度大,温度分布越不均匀,平均温度越小,导致构件的变形反而越小。
假定钢管柱构件表面温度等于高温炉内空气的温度,在达到目标温度之后,为使试件内外曲面的温度达到相同,继续恒温10min,此时得到构件的总变形-时间以及变形-温度规律曲线分别,如图5所示。图5(a)中,升温速率从左到右依次为17.5、14.0、10.0、7.0、4.0℃/min。图5(b)中,升温速率从上到下依次为4.0、7.0、10.0、14.0、17.5℃/min。
从表1中数据以及图3与图5的比较中可以得到:恒温期间,由于热传导作用,使构件截面内外的温度梯度变小,温度分布逐渐均匀化,平均温度得到提高,试件的热膨胀变形有所扩大,并且表现为升温速率越大,恒温时间段的变形增量空间越大,反之越小,如图6所示。
从以上试验结果及数据的分析中,可以归纳出恒载升温过程中不同升温速率下钢管柱构件的抗火规律:构件受火环境温度变化越大,由温度引起的变形越小,受火温度变化越慢,在达到相同温度的整个过程中,由温度引起的变形反而越大。假如构件受火目标温度相同,升温速度越慢,升温时间越长,其内部温度越均匀,由热作用引起构件的膨胀变形越大。在实际的火灾中,构件的初始荷载水平、环境的升温速率、火灾燃烧所致的最高温度以及高温延续的时间长短等因素都将对建筑构件的最终承载力产生影响,对各个因素的协同影响规律还需要深入研究。
2.2 轴向位移约束试验组
在该组试验条件下,当系统加载到100kN后对其轴向变形进行约束控制,升温过程假定初始温度20℃,以一个恒定升温速率持续到800℃终止。程序设定升温时间分别取整数200、125、60min,对应的升温速率依次为3.9、6.2、13.0℃/min。为安全考虑,试验过程中根据试验进程进行了人为干预,试验终止依据是以试件的轴力达到800kN或者根据曲线图可初步判断试件已进入屈服阶段为准,所以三次试验的时间和温度都不相同,但试验中温度基本在270~340℃,具体的试验参数和数据结果见表2。
三次试验中高温炉内空气的平均温度随时间的变化(即三个不同升温速率)规律,如图7所示,升温幅度为270~340℃。三个构件横截面上的轴力随时间变化规律,如图8所示。两图中三条曲线对应的升温速率从左至右依次为13.0、6.2、3.9℃/min。
构件轴力随温度增量的变化曲线,如图9所示。图中三条曲线对应的升温速率,从左至右依次为3.9、6.2、13.0℃/min。
从图7~图9和表2中数据可以判断,若使试件达到相同温度(表面温度),其中升温速率较慢的试验构件受火时间最长,其内部的轴力反而最大,温度增量相同情况下,升温速率越小内力增量越大。通过理论分析,这种规律是材料内部传热作用的效果,在构件升温过程中内部导热是一个非稳态型,截面内温度分布不均匀,表现为环境温度变化(升温速率)越大,内部温度梯度越大,温度分布越不均匀,其截面平均温度越小。反之,则温度分布越均匀,平均温度越高,内力增量越大。
3 结论
(1)由于火灾中构件内部的升温过程是一个非稳态导热过程,环境温度变化的快慢决定了构件内部温度分布的均匀性及平均温度的大小,不同升温速率对钢管柱构件内力的影响较大。
(2)恒载升温试验和轴向位移约束试验反映出相同的规律:环境升温速率越小,构件的受火时间越长,其内部的内力(或变形)增量越大。反之,升温速率越大,恒载升温条件下变形随温度的变化越小(可推算内力随温度的变化也越小),而轴向位移约束条件下单位温度增量的构件内力增量越小。
除环境升温速率的影响外,对建筑构件承载力产生影响的因素还包括构件所受初始荷载水平、约束条件、火灾燃烧所致的最高温度以及高温延续的时间长短等多个因素,还需要通过多因素的正交试验深入研究各因素的协同影响规律。
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钢管压弯构件稳定分析 篇2
1 稳定问题基本概念
稳定是结构所处的一种状态。建筑结构及其构件在荷载作用下, 外力和内力必须保持平衡。平衡状态是否能长期保持, 是平衡状态的性质。平衡状态具有稳定和不稳定的2种不同的性质。当平衡状态具有不稳定的性质时, 轻微的扰动就会使结构或其组成构件产生很大的变形而最后丧失承载力, 这种现象就称为失去稳定性或失稳[2]。失稳的真正含义是几何突变, 即在任意微小的外力干扰下物体或结构的几何形状发生了很大的改变, 在撤除了微小的外力干扰后, 物体或结构并不能恢复到原来的几何形状。失稳意味着稳定平衡向不稳定平衡的转移。稳定分析就是要找出从稳定平衡转化为不稳定平衡的临界荷载值。
2 非线性有限元分析
2.1 有限元建模
利用ANSYS对某给定截面尺寸的圆管截面压弯构件稳定性能进行分析。截面尺寸为内半径92 mm, 外半径102 mm;材料为理想弹塑性:弹性模量为E=206 GPa;屈服强度为235 MPa;两端约束为完全铰接;初弯曲为构件的一阶线性屈曲模态, 最大幅值为l/1 000, l为构件的计算长度;残余应力的分布如图1所示;截面积为60.95 cm2;惯性矩为2 874.87 cm4;单元模型为beam189;根据相关研究, 轴心压力与弯矩交叉作用时, 改变加载顺序对构件极限荷载影响很小[3], 文中先加弯矩再加轴力;构件受力模型如图2所示。
2.2 初始缺陷分析
初始缺陷影响较大的主要是初弯曲和残余应力。初弯曲是指钢构件在加工制造和运输安装的过程中不可避免的存在的微小弯曲。残余应力是在构件轧制、气割或焊接过程中有高达熔点的不均匀的温度场和不均匀的冷却过程产生的, 残余应力在截面上自相平衡。
在表1中, 构件的两端弯矩数值相等, 且使构件产生同向弯曲, 弯曲方向取与初弯曲同向, Pu1为不考虑初始缺陷时按照非线性有限元理论计算的极限承载力, Pu2为只考虑残余应力时按照非线性有限元理论计算的极限承载力, Pu3为只考虑初弯曲时按照非线性有限元理论计算的极限承载力。由表1中的数据可看到, 残余应力与初弯曲对极限承载力均有影响, 都使构件的极限承载力有所降低, 初弯曲的影响较残余应力的影响稍大。
2.3 不同长细比分析
为了确定长细比对构件的极限承载力的影响, 取不同的长细比值大小分别计算, 计算中考虑初弯曲和残余应力的影响, 同时考虑构件的几何与材料非线性。在表2中, 构件的两端弯矩数值相等, 且使构件产生同向弯曲, 弯曲方向取与初弯曲同向, 可以看处, 在同一弯矩作用下, 构件的极限承载力随着长细比的增大而减小, 在同一长细比时, 构件的极限承载力随着弯矩的增大而减小。
2.4 端弯矩不相等分析
上述结果是在构件两端所受的弯矩为等值且使构件产生同向曲率的工况条件计算极限承载力, 而一般构件实际所受的两端弯矩大小并不相等, 且可能使构件产生异向曲率。设两端弯矩的比值为β=M2/M1, 当M1、M2产生同向曲率时取同号, 产生异向曲率时取异号, 且|M1|≥|M2|。对长细比为40时, 端弯矩比值分别为1、0.5、0、-1在考虑初始缺陷情况下计算了构件的极限承载力。所取弯矩情况为:当β为1、0.5、0、-1时, M1的绝对值分别大小依次均为2 000、4 000、6 000、8 000、10 000, M1引起的弯曲方向与初弯曲相同, 长细比为40, 计算结果如表3所示, 从表3中的数据可以看出, 当最大弯矩相同时, 极限荷载值随着β的减小而增大, 因为β=1时端弯矩产生的弯曲曲率最大且与初弯曲方向一致, 为构件的最不利情况, 而β减小这种不利因素会逐渐减弱;在β相同时, 极限值随端弯矩的增大的减小, 见图3。
3 结 语
圆管截面压弯构件在弯矩作用平面内的稳定属于中第2类极值稳定问题。极限承载力值与构件的长细比有关, 长细比增大其值减小;残余应力对极限承载力有影响, 它使构件的刚度降低, 而初弯曲会加强轴力的二阶效应, 对构件承载不利;端弯矩不同情况下, 最大弯矩相同时, 极限荷载值随着弯矩比 的减小而增大。
摘要：采用非线性有限单元法, 利用ANSYS程序分析钢管压弯构件的极限承载力。在此基础上, 分析初始缺陷、长细比及两端作用不等弯矩等因素对该类构件稳定承载力的影响。
关键词：非线性有限元,初始缺陷,长细比,不同端弯矩
参考文献
[1]吕烈武, 沈祖炎.钢结构构件稳定理论[M].北京:中国建筑工业出版社, 1983.
[2]童根树.钢结构平面内稳定[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.
钢管混凝土构件有效工作机理研究 篇3
钢管混凝土杆件, 是指在钢管内灌填混凝土所形成的组合杆件, 是借鉴钢筋混凝土圆柱中螺旋箍筋对核心混凝土的约束作用, 结合型钢混凝土组合杆件特征, 融合演变而来[1]。
其力学性能特点兼有混凝土与钢管二者的长处, 管内混凝土受到钢管的约束, 抗压强度显著提高, 不致过早压碎;而钢管又反过来受到管内混凝土的作用, 可以有效阻止或延缓钢管的局部屈曲, 从而保证两者的材料得以充分利用, 并能保证较好的塑性性能。
2 工作机理
钢管混凝土有效工作的前提是避免钢管与混凝土脱开。一般而言, 钢管混凝土构件在实际工程中的应用主要为柱子, 其承受荷载方式一般有两种, 一是荷载直接作用于柱端, 二是作用于柱侧承受梁端剪力。在钢管竖向应力达到比例极限之前, 钢管的泊松比要比混凝土的泊松比大, 而两者的竖向变形相同, 故钢管的横向变形大于混凝土的横向变形, 因此钢管和混凝土之间存在脱开的趋势。当钢管的竖向应力达到比例极限时, 二者的泊松比较接近, 应力继续增大, 混凝土的泊松比将超过钢管的泊松比, 此时, 混凝土的横向变形将大于钢管的横向变形, 钢管对混凝土提供横向约束, 套箍效应发生作用, 管内混凝土处于围压状态, 其承载力继续提高, 钢管的竖向应力将降低而环向应力将增加, 当环向应力达到屈服强度时, 竖向应力下降到接近0, 此时钢管对混凝土的围压达到最大, 之后承载力下降直到钢管在柱脚处发生鼓包而破坏。
以Q345钢为例, 比例极限f=295MPa, 弹性模量Es=2.06×105MPa, 泊松比μs=0.3, 混凝土泊松比μc=0.2, 取钢管外直径D=920mm, 管壁厚度t=25mm, 则有:
钢管的纵向应变:ξsv=f/Es=1.432×10-5
钢管的横向应变:ξsh=ξsvμs=4.296×10-4
钢管横向变形:△sh=ξshrs=0.1976mm
混凝土横向变形:△ch=ξsvrc=0.1246mm
在钢管竖向应力达到比例极限前钢管与混凝土之间的缝隙为:
△h=0.073mm
由于钢管由卷板钢材焊接而成, 而钢板不可能是光滑的, 这个微小的缝隙可以由钢板的凹凸填补, 钢管与混凝土之间的分离趋势将有钢管和混凝土之间的机械咬合力克服, 所以可以认为钢管在竖向应力达到比例极限之前, 钢管和混凝土是贴合在一起的。同时, 为避免因混凝土收缩等原因, 钢管与混凝土脱开, 可以采用在混凝土中添加微膨胀剂, 膨胀混凝土会增加二者界面的粘结强度, 抵抗脱开趋势。并且随着时间推移, 混凝土徐变导致混凝土的变形增大, 混凝土将受到钢管环向约束, 处于三向受压状态。另外, 主动施加预应力, 也可以使管内混凝土尽可能处于三向受压的约束状态, 促使钢管与混凝土共同作用。
3 钢管混凝土受压存在两种极端状况
⑴钢管和混凝土在纵向受力, 达到各自的抗压强度, 钢管的切向应力很小, 可认为无约束应力。此时, 钢管混凝土的抗压强度:
⑵钢管的切向应力达到屈服强度, 但竖向应力会减小到很小, 可以忽略, 混凝土受到的约束力达到最大, 即:
此时,
fc′为螺旋箍筋柱核心区混凝土三轴抗压强度:
σ2———箍筋屈服时, 核心混凝土的最大约束应力。
有计算表明, 钢管混凝土在第二类情况下, 混凝土的抗压强度可以提高4.76倍 (此时钢管的纵向应力为0) 。
一般而言, 对于采用了钢管混凝土的结构, 楼面的荷载是通过梁构件传递给钢管的外壁, 为保证钢管混凝土柱作为整体受力, 需要通过钢管与管内混凝土的相连界面传递给管内的混凝土。界面剪力的传递可以通过两种途径:钢管与管内混凝土的粘结力以及管内的抗剪连接件, 当粘结力不足以传递界面剪力时, 需要设置抗剪连接件。连接件的形式可以是环形隔板、钢筋环、内衬管或栓钉等, 钢管接长时的衬管, 也可以单独设置。
4 钢管围压作用的考虑
混凝土与钢管之间的粘结力沿着二者的接触面都是存在的, 但依据规范条文, 其剪力传递区的长度只取2D (D为钢管的外直径) 。这是因为规范中的粘聚力是钢管和混凝土之间的机械咬合力, 水泥胶着力以及钢管和混凝土之间摩擦力的一个综合反映。在钢管的竖向应力达到比例极限之前, 混凝土没有受到钢管的围压作用, 整个接触面也就没有摩擦力。若仅作用竖向力, 钢管的竖向变形是一致的摩擦力;当加入弯矩作用后, 这种竖向的相等变形即被打破, 当弯矩达到足够大时, 钢管与混凝土之间会发生错动, 二者接触面的胶着力将破坏而消失, 此时钢管与混凝土之间的粘聚力将只剩下摩擦力, 而摩擦力并非沿整个接触面都有, 摩擦力只在有围压的地方存在, 即只有钢管竖向应力大约达到比例极限的地方才存在摩擦力, 而这个区域只在竖向力和弯矩均大的区域, 即在梁柱连接中心线上下大概1D。其余范围因竖向应力未达到比例极限, 钢管围压非常小, 可以忽略。故计算时, 仅考虑2D范围内, 通过界面粘结力联系钢管与混凝土, 保证二者协同工作。
5 结语
钢管混凝土以其优越的力学性能有效降低了建筑成本, 大量工程实践表明, 承压构件采用钢管混凝土比普通钢筋混凝土可节约混凝土50%, 构件截面面积可减少一半[2]。随着现代建筑业的发展, 钢管混凝土必然具有广阔的发展空间。
参考文献
[1]刘大海.型钢钢管混凝土高楼计算和构造[M].中国建筑工业出版社, 2003.
钢管柱构件 篇4
连续梁-钢管混凝土拱桥是近几年发展的一种新桥型, 是将连续梁与钢管混凝土构件结合起来的一种建桥技术。该桥型充分发挥了拱和梁在受力方面的优点, 具有跨越能力大、结构刚度大的特点, 因此比较适用于承受较大竖向荷载的大跨度铁路桥梁。并且该种类型桥梁呈现出美观的造型和优良的技术经济指标, 特别适合高标准铁路建设的需要。
兰渝铁路广元嘉陵江双线特大桥位于四川省广元市盘龙镇, 横跨嘉陵江, 该桥为三向预应力混凝土连续梁—钢管混凝土拱组合结构, 主桥跨径172m, 桥面宽13m, 为双线铁路客货共用桥梁。主桥上部形式为 (82+172+82) m, C55预应力混凝土连续梁-拱组合桥。该桥拱肋计算跨度为L=172.0m, 设计矢高34.40m, 矢跨比f/L=1:5, 拱轴线采用二次抛物线;拱肋为钢管砼结构, 采用等高哑铃形截面, 截面高度3.1m。每榀拱肋划分为19运输节段运输, 运输节段最大长度为14m, 运输节段两两组拼成吊装节段。吊装节段最大长度为26.3m, 单节最大吊重37.6t。
2 施工原理及特点
在进行先拱后桥的钢管拱安装过程时, 首先在桥墩下进行钢管拱拱肋的工装组拼, 利用码板和千斤顶进行钢管的校正、调整对位后进行施焊;利用桥面吊车进行支墩和钢管拱的吊装就位;在桥面上, 采用钢管焊接成的临时支墩作为吊装支架;利用运梁小车、吊车进行支墩的上桥、桥面运输及吊装就位;利用特制钢管拱角钢爬梯进行拱肋操作平台的搭设。该方法适用于跨度较小的采用“先梁后拱法”施工且能够提供汽车吊工作场地的公路、铁路钢管混凝土系杆拱桥的钢管拱肋吊装施工。
该施工方法有以下几个特点:
(1) 施工方法简单, 易于操作, 安全可靠, 施工周期短; (2) 钢管墩支架和钢管拱全部通过吊车和运梁小车整体运输到位安装; (3) 支墩利用连续梁预留精轧螺纹钢、缆风绳、压板固定, 不需地基处理, 安全性高; (4) 利用特制的钢管拱角钢爬梯搭设作为钢管的对位、施焊的操作平台, 该方法具有搭设多样性、简单、实用、安全可靠等优点; (5) 自制的加宽凹槽型运梁小车不需要葫芦、杂木等, 能够起到平稳运输的作用。 (6) 为了保证拱肋线型测量精度, 在拱肋的上下弦管离端口最近的吊杆孔顶面上焊接一定长度的丝杆, 然后在丝杆上拧上棱镜头, 以便随时进行观测。
3 施工操作要点
3.1 钢管柱支撑的制作及拼装
在每两节钢管拱肋接头处设置一组钢管柱支撑, 全桥支架布置如图1所示。
钢管柱在桥下制作, 利用桥面两台吊车将其吊装到桥面平板运梁小车上, 再利用桥面卷扬机顺桥向拖拉运梁小车至指定位置, 然后利用吊车竖立就位。
钢管柱支撑结构与构造:用Φ60010mm的圆柱钢管作为钢管拱肋的支撑架 (布置在钢管拱肋的对接处, 根据不同的矢高设置不同钢管柱支撑高度) 。每个钢管拱接头处设置一组钢管立柱, 全桥共14组支撑 (如图1所示) , 每组支撑由四根Φ60010mm钢管立柱组成, 横向中心距及纵向中心距均为2m, 靠桥边缘的立柱中心距桥边缘为450mm。立柱顶部至底部每隔4m采用20工字钢四面焊接, 横向连接杆均采用30工字钢, 间距7.7m, 纵向连接采用18工字钢焊接联系加固, 如图2所示。
3.2 钢管柱支撑的固定
在该桥施工中, 由于钢管柱支撑处于铁路连续梁桥面上, 桥面较窄 (13m) , 左右两侧都是河流, 无法进行锚固。因而, 如何保证钢管柱支撑的稳定性是钢管拱肋吊装对位的关键。支架在左边桥面的外侧利用翼板夹工字钢勾在桥面翼缘板上;右侧利用桥面预应力钢筋进行紧固。连接构造如图3、4所示。
钢管柱支撑的横向连接杆均采用30工字钢连接, 间距7.7m, 1#与3#、2#与4#、11#与13#、12#与14#的纵向连接方法采用18工字钢焊接联系加固。支撑搭设完后利用桥面上的精轧螺纹钢, 采取缆风绳固定措施, 以减小其变形, 提高其稳定性。检查合格后, 允许交付使用。两两支撑间布置两道墩顶缆风绳加强其纵向稳定性, 缆风绳利固定方用桥面竖向预应力张拉精轧螺纹钢进行固定, 如图5所示。
钢管柱支撑上桥后采用桥面两台运梁小车通过卷扬机将其拖拉到位。吊装时使用两台100t吊车配合安装, 其中一台吊车为主要吊装设备, 另外一台辅助进行支撑在桥面上的竖向转体, 如图6所示。汽车吊上桥前, 需经设计单位就其工作过程中对梁体结构安全的影响进行受力检算, 并同意汽车吊上桥工作, 方可实施桥上作业。
3.3 拱肋的上桥及运输
钢管拱现场大节段拼装完成后, 利用桥上吊车将其吊上桥面, 通过运梁小车移动到安装位置下方, 如图7所示, 再次架设两台吊车就位实施吊装作业。
由于每次吊装钢管拱肋上桥及安装工作都要移动吊车, 综合考虑, 每次吊车从桥下吊钢管拱为两段, 待安装完成后再进行下一次钢管拱上桥吊装工作, 共需不少于9次来回吊装, 比较经济合理。
钢管拱肋吊装的吊点设置:在吊装前首先在拱肋上弦管的顶面轴线上焊接两个吊耳。吊耳采用t=20mm的Q345d钢板, 焊接形式为坡口焊接, 焊缝全熔透焊接, 吊耳两侧用三角板加固焊接, 焊缝高度均不小于16mm。
如图8所示, 为了更好地将哑铃型截面快速固定到运梁小车上, 特制了加宽凹槽型拱肋运输小车, 即在一般常见的小车上把轨距加大, 并在小车上加设两排30工字钢分配梁, 并按照稍大于拱肋直径的尺寸在分配梁上焊接成凹槽型支撑, 并在斜支撑上焊及使用接钢筋梯步方便拱肋吊装对位过程中人员的行走。此小车不需要葫芦、杂木等, 能够起到平稳运输的作用, 并取得了很好的效果。
3.4 拱肋桥上吊装与定位
3.4.1 吊前准备工作
在进行钢管拱肋吊装之前, 需确认拱肋线型满足设计要求, 按照要求如实填写吊前检查表, 并确认钢管柱支撑是否满足要求, 保证测量数据的准确性和真实性。在取得吊装许可后, 方可进行吊装作业。
吊装前做好以下准备工作:测量人员需及时到位, 并做好各项准备工作, 其余各岗位人员需在吊装现场, 保证信息交流的畅通。检查测量仪器和设备, 将现场零碎物件清理干净, 保持现场通道的畅通, 在施工工作区域设置警示牌, 并安排看守人员值班。
3.4.2 拱肋的吊装就位
钢管拱肋的安装顺序为两边向中间安装, 最后安装合龙段。钢管拱拱肋吊装通过桥面两台吊车同时起吊拱肋两端的吊耳的方式实现。拱肋在缓慢起吊后, 需慢慢调整到就位角度吊装。
将拱肋吊至钢管柱支撑上相应支点进行粗对位后, 利用全站仪, 通过焊接在拱肋端头的棱镜仪对拱肋的轴线及标高进行观测, 得出调整指令后, 使用斜撑及钢楔子对位, 准备手拉葫芦及千斤顶, 进行微调精准对位。钢管拱肋接头满足焊接要求后, 方可进行下一阶段钢管拱肋的吊装。
为确保施工安全, 在各拱肋吊装段的调校、码板临时焊接时, 吊车不松钩, 直至拱肋对接焊缝及端头斜撑及支垫焊接牢固后吊车才能松钩。钢管柱支撑墩顶支承点应在钢管拱节点附近, 顶面应有操作平台和斜撑固定。
利用特制的钢管拱角钢爬梯搭设作为钢管拱肋节段的对位、施焊的操作平台, 该方法具有搭设多样性、简单、实用、安全可靠等优点, 如图9所示。
安装完第一段钢管拱肋 (第一段左右两榀及横撑焊接完成) , 拆除之前安装的钢管柱支撑的横向连接钢管, 其它以此类推, 在安装完本节段后拆除钢管柱支撑的横向连接。
钢管拱整体的安装精度由合龙段保证, 合龙段按照实际安装测量数据确定, 工厂制作合龙段时, 每端长度增加200mm, 留有切割余量以保证钢管拱整体合龙精度。与合龙段对接的第四段拱肋设计活动内套管, 对位后, 移动栓销将内导管拉出, 插入合龙段, 精心定位, 提高对位精度、减小接头错边量。
在安装合龙段时应严格按照设计要求, 合龙时间在满足设计对温度要求的前提下, 选择全天温度较为稳定的时间段。
3.5 拱肋测量、监控方法
拱肋在吊装时需进行准确定位, 吊装时拱肋的定位难度较大, 因为测量人员很难直接上到正在吊装的拱肋上进行测量, 同时对测量人员的安全威胁很大, 也很难保证测量精度。为了保证测量拱肋线型精度和监测拱肋标高, 可在拱肋的上下弦管上、离端口最近的吊杆孔顶面上 (第四节段焊接在距离端头30cm位置) 焊接一定长度的丝杆, 然后在丝杆上拧上棱镜头, 以便于随时都能观测。丝杆的安装必须位置准确、牢固可靠, 丝杆必须垂直于拱肋。丝杆焊接后必须进行复核, 如焊接不能满足要求时需重新进行焊接, 以便保证测量的精度, 焊接完成后需请监控单位对焊接质量及位置进行确认。
为了使大桥竣工后的拱肋线形满足设计及《TB10752-2010高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》相关条款要求。拱肋定位测量采用经过鉴定的智能型全站仪进行测量。将全站仪架在视野较开阔的地势, 采用后方交会法同时配合三角高程测量相互校核, 为了提高测量精度, 采用三个已知点进行交会测量, 然后再取平均值, 作为控制点坐标。在拱肋吊装时再对安装在拱肋上的棱镜进行三角高程的测量, 先将测出的高程与设计高程进行对比, 再通过千斤顶对拱肋的高程进行调整至设计高程。
3.6 钢管柱支撑的拆除
在钢管拱肋完成拱肋及所有横撑焊接并检验合格后, 方可进行钢管柱支撑的拆除。钢管柱支撑的拆除顺序为从跨中到两端, 上下游同时进行。首先把支撑顶部与拱肋连接的部分从拱肋上割开, 采用吊车吊起支撑顶部;然后把支撑底部割离, 并采用千斤扣顶把钢管柱支撑顶离桥面1cm;再采用桥面吊车把钢管柱支撑吊到运梁小车上;最后由吊车配合卷扬机牵引运梁小车, 缓慢地将钢管柱平放到运梁小车上, 如图10所示。
钢管柱支撑下桥同样采用桥面两台吊车同时起吊下桥的方式。在进行支撑解体施工的过程中, 为减少对吊车的依赖, 采用两侧用手拉葫芦固定在相邻支撑上的方法, 逐步对其进行解体。
4 总结
钢管柱支撑施工方法较为简单, 关键在于支架结构的选择和支架的搭设。采用大直径钢管作支架, 利用大吨位吊机搭设支架和安装钢管拱, 大大减少了高空作业量, 最大限度地保障了施工作业人员的安全。支架施工方法在小跨度钢管混凝土拱桥中应用最普及, 方法简单, 易于掌握, 与其他施工方相比较, 综合投入较少, 工期短, 施工安全可靠, 值得参考和借鉴。
参考文献
[1]《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》 (TB10752-2010) .
[2]《铁路桥涵工程施工质量验收标准》 (铁建设[2003]127号) .
[3]《铁路钢桥制造规范》 (TB1021-2009) .
机场出发大厅钢管柱吊装技术 篇5
一、工程概况
贵阳龙洞堡国际机场扩建项目-航站楼工程其出发大厅是由16根圆管钢柱发散四分叉支撑托着整个出发大厅屋盖网架结构, 其钢管柱主要分布在○Y3、○Y6两条轴线上, 钢管柱共由三种截面主形式组成, 分别为:￠1 300×60、￠1 200×60、￠1 100×50, 出发大厅16根钢管柱起吊点标高均为9.085 m, 终点标高为15.70, 即所有的柱长度均为6.615 m, 各规格钢管柱的吊装净重量分别如下。
￠1 300×60规格构件, 重量:12.137 t;
￠1 200×60规格构件, 重量:11.158 t;
￠1 100×50规格构件, 重量:8.565 t。
由上清单可以看出, 出发大厅最大吊装的构件净重量约为12.137 t, 考虑到吊装时, 其吊装耳板、卸钩挂梯、操作平台、挂钩、钢丝绳以及吊装时的冲击等因素, 取其综合系数为1.2, 则实际起重机承受的重量分别如下。
￠1 300×60规格构件, 重量:12.137 t×1.2=14.564 t;
￠1 200×60规格构件, 重量:11.158 t×1.2=13.390 t;
￠1 100×50规格构件, 重量:8.565 t×1.2=10.278 t。
根据以上统计:其吊装的构件净重量具体如下。
￠1 300×60规格构件, 重量:12.137 t×4=48.548 t;
￠1 200×60规格构件, 重量:11.158 t×4=44.632 t;
￠1 100×50规格构件, 重量:8.565 t×8=68.520 t。
总体吊装重量为:161.700 t。
二、吊装施工方法
1. 吊装方案选择及机具设计
根据现场总的平面图以及现场的吊装工况, 最近的吊装距离为42.6 m, 加上建筑物基边做防水施工以及建筑物本侧高架桥施工, 吊车站位困难且吊装构件的旋转半径过大, 最小的吊装旋转半径至少达到53 m左右, 同时, 出发大厅楼层板已经浇注, 如果选用汽车吊进行吊装, 通过计算与吊装模拟, 吊臂碰性很大, 因此根据现场的情况, 选择龙门式进行吊装。具体吊装机构组成如图1所示。
根据起吊的重量以及高度要求, 龙门架的设计净空高度为10 m, 龙门架的净跨度为3.5 m, 所用的架体柱、横向梁、以及基座均采用轧制H300×300 a规格的H型钢, 基座联系杆件采用L100×12的等边角钢, 所有的揽风绳为安全起见均采取￠24钢丝绳。为保障吊装时平面外的稳定性, 则揽风绳与架体平面外的夹角, 在15°~45°之间, 垂直的夹角在10°~30°之间。
2. 构件运输
本次吊装构件的运输主要采取两种方式, 一种是构件从外围运输至出发大厅楼层的垂直运输以及构件在出发大厅楼层上平面运输至拟吊装的位置, 考虑到楼层板的承载力, 故构件在楼层上运输时, 必须要要注意: (1) 构件垂直吊装在楼面层前, 楼层砼浇注的脚手架不得拆除, 起到临时支撑作用; (2) 构件摆放时, 应分散, 不得集中堆放; (3) 构件堆放时, 应尽量堆放至承重主梁上或旁边附近500 mm范围内; (4) 构件在水平运输前, 应设置多点支撑, 使其受力不应集中; (5) 构件在水平运输时, 其行走的路线应尽量在楼层的主梁上。构件垂直运输拟采用130 t或200 t的汽车吊, 具体选用依据现场的条件决定。构件水平运输拟采用液压车。
3. 构件起吊过程
龙门架进行吊装时, 其起吊是根据三角形的原理进行起吊, 因基座与门架体是刚性机构, 由四根揽风绳拉着固定不动, 所以, 只有竖向葫芦拉起, 后面溜尾万向滑轮随着一头竖起跟着向柱中心靠近滑行, 同时根据受力的不同而进行任意改变方向, 使起吊过程中受力更倾向合理且向吊装有利的方向前进, 从而完成整个起吊过程。
具体步骤如下:
第一步, 带倾角的两个起吊葫芦拉起构件;
第二步, 起吊倾角扩大, 构件向前滑行;
第三步, 起吊倾角进一步扩大, 构件继续向前滑行;
第四步, 起吊倾角达到80°左右, 加设辅助垫块防止撞击地面;
第五步, 起吊快就位时, 溜尾绳拉紧, 防止撞击;
第六步, 钢柱基本吊装就位, 钢柱就位后, 要进行校正并固定, 吊装完成。
三、吊装注意事项
因本次吊装是在楼层上吊装, 除了前述的注意事项以外, 还必须注意以下几点。 (1) 起吊前, 应做好技术交底工作, 检查特殊上岗人员的上岗证件并备案。 (2) 根据起吊的特点, 在起吊过程中, 应有专业技术人员在现场进行技术指导。 (3) 在起吊过程中, 四个揽风绳与一个溜绳必须由专人看管, 并按顺利统一编组, 以便后续起吊过程中便于指挥, 防止指挥指令混淆起引起重大事故。 (4) 后尾溜绳的葫芦链条必须足够长, 建议配备两个葫芦进行配备, 因为其溜尾的路线较长。吊装过程中, 不应更换。 (5) 周边应做好防护与警示标志, 并在龙门架万一倾倒范围内严禁无关人员进入, 同时在揽风绳调节葫芦前言严禁有作业人员和无关人员, 以防止葫芦打滑松开伤人。
四、结语
钢管柱的吊装属大型构件吊装, 其吊装方法是多样的。本文介绍的龙门式吊装方法, 具有施工场地小、吊装精度高、安全性强的特点, 通过本文介绍, 希望能为类似工程提供依据。
参考文献
[1]梁敦维.结构吊装工程计算手册[M].山西科学技术出版社, 2006.
钢管柱构件 篇6
钢筋混凝土结构已经发展了上百年, 而钢筋混凝土柱构件仍然在大量的工业与民用建筑中被广泛使用。随着我国经济建设的快速发展, 建筑物的高度和跨度不断增加, 传统的钢筋混凝土结构已经不能适应现代建筑结构体系发展的需要。比如2011年深圳大运会会馆建设已不再是以钢筋混凝土结构为主, 其建筑结构形式整体上是大跨度大空间的钢结构网架或是钢与混凝土组合结构。再如天津滨海新区, 其民用建筑均为高层结构, 采用的主要承重构件已不再是简单的钢筋混凝土柱, 而大多是采用型钢柱或者钢管混凝土柱。型钢柱和钢管混凝土柱具有承载力高、刚度大、抗震性能好等优点。
2 基本工作原理及受力特点
2.1 钢筋混凝土柱
钢筋混凝土柱是由钢筋和混凝土两种不同的材料组成的, 是房屋、桥梁、水工等各种工程结构中最基本的承重构件, 如图1所示。钢筋混凝土柱的配筋由纵向钢筋和箍筋组成, 如图2所示。纵向受力钢筋的数量是根据强度计算决定。箍筋的作用是连接纵向钢筋形成钢筋骨架, 作为纵筋的支点, 减少纵向钢筋的纵向弯曲变形, 承受柱的剪力, 使柱截面核心内的混凝土受到横向约束而提高承载能力, 因此箍筋的间距不宜过大。在应力复杂和应力集中的部位及配筋构造上的薄弱处, 箍筋还需要加密。
型钢柱就是用钢材制造的柱, 如工字钢、H型钢等, 已在部分民用建筑或大中型厂房中得到广泛应用, 如图3所示。
近年来, 大型的场馆建设、大跨度公共建筑、高层房屋、轻型活动房屋、工作平台、栈桥和支架等大量使用型钢柱。型钢柱按截面形式可分为实腹柱和格构柱, 如图4所示。实腹柱具有整体的截面, 最常用的是工字形截面;格构柱的截面分为两肢或多肢, 各肢间用缀条或缀板连接。型钢柱的受力主要是由强度、刚度和稳定性三方面来控制。型钢柱作为受压构件, 因其材料的高强性, 一般采用较小的壁厚就可以满足要求, 但由此产生的失稳问题不容忽视。
2.3 钢管混凝土柱
钢管混凝土柱是在劲性钢筋混凝土和螺旋钢筋混凝土的基础上演变和发展起来的, 是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构, 如图5、6所示。钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏, 构件的延性性能明显改善, 耗能能力大大提高, 具有优越的抗震性能。
3力学性能比较
3.1 承载能力的比较
钢管混凝柱是由钢管和混凝土共同组成的, 具有较高的承载能力。经过大量的试验分析和计算机数值理论计算, 钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱和混凝土柱之和, 真正达到了“1+1>2”的效果。现代建筑高度不断增加, 跨度逐渐增大, 对柱构件的要求越来越高。工程上单纯地采用钢筋混凝土柱, 会使柱的设计截面不断增加, 很容易出现“胖柱肥梁”的现象。如果采用钢管混凝土柱可以大大地减小柱的截面尺寸, 从而减轻自重, 提高柱的承载能力, 而且也有利于抗震。当建筑高度较大时, 采用型钢柱势必会增加柱的高度, 对型钢柱的稳定性提出考验。为了防止型钢柱的整体失稳和局部屈曲, 就必须要增加柱的肋板及支撑构件, 这样钢材的使用量会大大增多, 同时也增加了建筑成本。如果采用钢管混凝土柱会避免用钢量的增加, 又由于钢管内部存在混凝土, 稳定性和承载力与同长度的型钢柱相比有很大的提高。此外, 钢管在核心混凝土的外部, 对混凝土起到了约束的作用, 会增大结构的刚度。
理论分析和工程实践都表明, 与型钢结构相比, 在承载能力和自重相同的情况下, 钢管混凝土结构可节省钢材约50%[1], 焊接工序大大减少;与同条件下的钢筋混凝土柱相比, 钢管混凝土构件的截面面积减少约一半左右, 在室内不会出现柱楞的现象, 满足家居装修的审美要求, 也增大了建筑的有效面积。实际工程中, 如北京国际贸易中心、深圳赛格广场大厦等都采用了钢管混凝土结构, 如图7、8所示。表1为北京国际贸易和深圳赛格广场大厦采用钢管混凝土柱和钢筋混凝土柱构件面积的比较;表2为采用三种类型柱的厂房耗钢量与自重等比较。
3.2 塑性和抗震性能比较
塑性是指在静载作用下的塑性变形能力。钢管混凝土短柱轴心受压试验表明, 试件压缩到原长的2/3, 纵向应变达30%以上时, 试件仍有承载力。剥去钢管后, 内部混凝土虽已有很大的鼓凸褶皱, 但仍保持完整, 并未松散。抗震性能是指在动荷载或地震作用下, 具有良好的延性和吸能性, 在一些建筑中, 钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性, 如图9所示。
3.3 耐火、防火与防腐蚀性能比较
由于钢管内填有混凝土, 能吸收大量的热能, 因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀, 增加了柱子的耐火时间, 减慢钢柱的升温速度。并且一旦钢柱屈服, 混凝土可以承受大部分的轴向荷载, 防止结构倒塌。实验统计数据表明, 达到一级耐火3小时要求和钢柱相比可节约防火涂料1/3一2/3甚至更多[2], 随着钢管直径增大, 节约的涂料也越多。钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少, 受外界气体腐蚀的面积比钢结构少得多, 抗腐和防腐所需费用也比钢结构少[3]。
4 施工工艺比较
钢管混凝土柱的零件较少、焊缝少、构造简单, 柱脚常采用在混凝土基础上预留杯口的插入式柱脚, 因而工厂制造比较简单。同时构件自重较小, 运输和吊装也较容易, 施工很简便。而且钢管混凝土柱采用板材卷制, 板材厚度都不大, 一般在40mm以内, 无论是工厂焊接还是现场进行对接, 都没有什么困难。
5 钢管混凝土存在的问题
5.1 钢管混凝土的本构关系。
由于钢管混凝土力学行为的复杂性, 迄今为止尚未建立起比较完善的本构关系。现有的专家学者虽然对混凝土的弹性、弹塑性和屈服阶段的本构关系进行了概括, 但是大都是以回归公式为主, 对于混凝土本身的本构关系如何选取为最优, 目前还需要继续研究。
5.2 在计算方面, 钢管混凝土有限元计算理论缺乏统一性[4]。
专家学者应用各种计算机辅助软件或者模拟软件计算结果, 各种理论结果没有统一的对比。而每种计算模型各有优缺点, 都会忽略一些实际的参数和因素, 简化模型过程中会考虑很多人为因素, 所以目前应在学术界统一制定一套理论计算或模拟计算方法, 以供工程实际分析使用。
5.3
对钢管混凝土桁架节点与柔性吊杆的疲劳问题的研究还不够, 一些相关的设计规范及制作方法不协调, 影响了实际工程中的质量检验等, 所以亟需解决统一设计规范问题, 以更好地为实践服务。
6 结语
通过上述几方面的分析, 与钢筋混凝土柱和型钢柱相比, 钢管混凝土柱的优越性一目了然, 但也是相对年轻不成熟的结构, 只有加强它自身的理论计算和设计规范的统一, 这种新型结构形式才能茁壮成长起来。就目前来说, 它具有高强、高性能的构件形式, 也是一种高效的施工技术。随着人们对现代建筑结构形式不断提出新的要求, 钢管混凝土结构或构件愈来愈受到工程界及工程技术人员的青睐。相信随着经济突飞猛进的增长及建筑产业化集群的发展, 人们对钢管混凝柱的研究会越来越多, 钢管混凝柱会不断地被应用到各建筑领域之中, 这类结构相关技术终究会被人们逐渐完善和掌握, 从而更好地为人类服务。
参考文献
[1]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出版社, 2003, 3.
[2]钟善桐.钢管混凝土结构 (第三版) [M].北京:清华大学出版社, 2003, 8.
[3]韩林海.钢管混凝土柱耐火性能和抗火设计的特点[J].安全与环境学报, 2001, 1 (4) .
钢管柱构件 篇7
型钢混凝土柱是指在混凝土柱中配置型钢作为主要受力骨架,同时也配有构造钢筋及少量受力钢筋的结构构件。混凝土中配置型钢以后,混凝土与型钢间具有相互约束作用,一方面混凝土包裹在型钢外侧,在构件达到极限承载能力之后型钢不会发生局部屈曲,另一方面,型钢对核心混凝土也起到一定的约束作用,可以在一定程度上提高混凝土强度。型钢混凝土柱比钢筋混凝土柱承载力要高得多,并且集中配置的型钢比分散配置的钢筋具有更大的刚度,使型钢混凝土柱的刚度显著提高,同时配置型钢使柱具有更好的延性。而混凝土中配置的钢筋可以使型钢和混凝土较好地协调变形,共同工作,从而保证型钢的塑性变形能力得以充分发挥。从上述分析可以看出,型钢混凝土柱的结构性能,基本上属于钢筋混凝土结构范畴。对于钢管混凝土柱(这里主要是指圆钢管混凝土柱)是将混凝土填入薄壁圆形钢管内形成的组合结构构件。大家知道,混凝土是复杂的非均匀体材料,其非均匀性是因为砂浆与骨料之间存在大量微裂缝,承受轴向压力时,会使微裂缝扩展进而相互连通,使混凝土分成若干与轴向压力方向大致平行的微柱,混凝土破坏就是由于微柱失稳或折断造成的。外套圆钢管则能提供侧向压力,使混凝土微裂缝的发展受到限制,只有在更高的压力下才会发生破坏,其结果表现为混凝土抗压强度和变形能力的提高。钢材基本属于各向同性材料,薄壁钢材在压力作用下容易发生失稳破坏,内填混凝土,可以使混凝土对钢管壁起到平面外的支撑作用,从而能够减缓钢管壁的屈曲。
综上所述,钢管混凝土工作的基本原理为利用钢管对受压混凝土施加侧向约束,使混凝土处于三向受力的应力状态,延缓了混凝土纵向微裂的产生和发展,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。从二者的工作原理可以看出,两种钢—混凝土组合形式都能使钢与混凝土共同工作,提高构件的承载能力,但二者使钢和混凝土共同工作的原理并不相同,这就使得二者在计算方法上存在着较大差异。
型钢混凝土柱其正截面偏心受压承载力计算的基本假定包括:截面应变保持平面;不考虑混凝土的抗拉强度;受压边缘混凝土极限压应变εcu取0.003,相应的最大压应力取混凝土轴心抗压强度设计值fc,受压区应力图形简化为等效的矩形应力图,其高度按平截面假定的中和轴高度乘以系数0.8,矩形应力图的应力取混凝土轴心抗压强度设计值,型钢腹板的应力图形为拉、压梯形应力图形。设计计算时,简化为等效矩形应力图形;钢筋应力取值等于钢筋应变与其弹性模量的乘积,但不大于其强度设计值,受拉钢筋和型钢受拉翼缘的极限拉应变εcu取0.01。我国相应规程以基本假定为基础,采用极限平衡方法,并将型钢腹板应力图形简化为拉、压矩形应力图形,同时参照钢筋混凝土偏压承载力公式中的相关参数,给出简化计算方法。在钢管混凝土柱承载力计算中引用了套箍指标,套箍指标是反映钢管混凝土柱组合作用和受力性能的重要参数θ=As×fs/fc×Ac,θ宜限制在0.3～3之间,下限0.3是为了防止钢管对混凝土的约束作用不足而引起脆性破坏,上限3是为了防止因混凝土强度等级过低而使结构在使用荷载下产生塑性变形。实验表明,当套箍指标满足0.3≤θ≤3时,钢筋混凝土构件在正常使用条件下处于弹性工作阶段,并且在达到极限荷载后仍具有足够的延性。同时为充分发挥钢管混凝土柱抗压承载力高的优势,防止失稳引起承载力降低过多和大偏心受弯的情况,还应限制钢管混凝土柱的长细比L/D≤20,轴压力的偏心率e0/rc≤1。在我国相应规程中,钢管混凝土柱的轴向受压承载力计算N≤1eN0中,1为考虑长细比影响的承载力折减系数,e为考虑偏心率影响的承载力折减系数。型钢混凝土柱需要限制轴压比以保证其具有较好延性和耗能能力。型钢混凝土柱的轴压比按N/(fc×Ac+fa×Aa)计算。而钢管混凝土柱在θ≥0.9时,其应力—应变曲线没有出现下降段,且作为压弯构件取轴压比等于1时,仍具有一定抗弯能力,因此此时可不必控制轴压比。由以上分析可以看出,型钢混凝土柱的计算近似于钢筋混凝土的计算方法,而钢管混凝土柱则是根据外套钢管的约束情况来计算混凝土的受力性能,二者计算方法截然不同。在实际工程中应该区别对待,认真对比以达到最佳的结构合理性和经济指标。
根据以上讨论的型钢混凝土柱与钢管混凝土柱的工作原理和计算方法的不同,我们可以大致了解二者在实际应用中各自存在的优缺点。型钢混凝土柱与纯钢结构柱相比,外包的混凝土可以阻止其中型钢的局部屈曲,并能显著改善型钢的平面外扭转屈曲性能,使钢骨的钢材强度得以充分发挥,节省钢材50%以上;具有更大的刚度和阻尼比,有利于控制风或地震下高楼结构的变形和风加速度;外包混凝土大大提高了结构的耐久性和耐火性。与纯钢钢筋混凝土结构柱相比,柱的受压受剪和压弯承载力大幅度提高;柱的截面面积减小约50%;框架梁—柱节点的抗震性能得到显著改善;低周往复荷载下的构件滞回特性、耗能容量以及构件的延性均有较大幅度提高;可以利用构件中的钢骨承担施工阶段荷载,并可将构件模板悬挂在钢骨上,实现多个楼层同时进行灌浇混凝土等作业,加快施工进度。型钢混凝土的缺点是既要求进行钢结构的制作和安装,又要求支模板、绑扎钢筋和浇筑混凝土,施工工序增多,增大施工组织的难度。钢管混凝土柱的优点十分明显;由于钢管对内填混凝土的约束作用,使混凝土处于三向受力状态,抗压强度提高1倍以上,内填混凝土反过来又阻止薄壁钢管受压时的局部屈曲,使钢管的抗压强度得以充分发挥,同时与钢筋混凝土柱比较抗剪强度和抗扭承载力也几乎提高1倍;提高了内填混凝土的标准抗压强度,取得了高强混凝土的效果,且避免了高强混凝土(>C60)的不易配制,高配筋率,延性系数小及脆性破坏状态等缺点;钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱相比,由于受压承载力高,且不必限制限压比,柱的截面尺寸可减小50%以上,与型钢混凝土柱相比,由于型钢混凝土柱的受压承载力几乎是钢管及内填混凝土单独承载力之和的2倍,故截面面积也可减小很多;钢管内的混凝土由于钢管的套箍作用,受压时的脆性破坏转变为延性破坏,当θ≥0.9时,在往复水平荷载作用下,具有极好的延性,延性系数值很大;由于采用薄壁钢管,避免了使用厚钢板的加工制作和对接焊接;钢管内填满混凝土,能吸收大量热能,延长柱的耐火时间,节省防火涂料。缺点是钢管混凝土柱竖向压缩变形大,在高层建筑中有不利影响;连接节点相对型钢混凝土要复杂一些;施工过程中钢管内的混凝土往往滞后于楼板混凝土的浇筑,因此应根据施工阶段的荷载验算空钢管的强度和稳定性,控制钢管的初始压应力。在设计中,应该针对实际情况充分发挥两者的优点,尽量避免其缺点,才能使这两种结构形式的特点真正体现出来,才能有效地实现设计意图。
经过比较,能够更深刻认识到型钢混凝土柱和钢管混凝土柱这两种钢—混凝土组合构件的特点,从而更好地将其利用到相应的结构体系中去,使之与其他构件一起在整个结构体系中更好地共同工作。我们相信,随着研究的深入,这两种结构形式一定会在更多领域发挥更大的作用。
摘要：比较了型钢混凝土柱和钢管混凝土柱的工作原理和计算方法,分析了实际应用中各自的优缺点,指出在实际设计中应充分发挥两者的优点,使这两种结构形式的特点真正体现出来,更有效地实现设计意图。
关键词：型钢混凝土柱,钢管混凝土柱,结构设计
参考文献
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[2]刘大海,杨翠如.型钢钢管混凝土高楼计算和构造[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[3]聂建国,樊健生.钢与混凝土组合结构设计指导与实例精选[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.