钢管混凝土核心柱（通用8篇）
钢管混凝土核心柱 篇1
0引言
随着国内经济的快速发展, 城市地下空间的开发和利用程度的不断提高, 并结合重大赛事和展览活动, 如2008年北京奥运会、2010年上海世博会、2010年广州亚运会和2014年南京世界大学生运动会等, 北京、上海、广州和南京的城市轨道交通取得了大发展, 天津、沈阳、杭州、重庆、青岛、西安、成都、无锡、宁波、郑州、武汉、南昌等市也进入新一轮的地铁建设高潮, 以解决交通拥挤现状, 为城市的经济大发展注入新的动力。地铁车站是轨道交通的重要组成部分, 需要大的空间跨度集中和分散客流, 视觉可视性要好, 这就需要采用新的组合结构柱, 以满足工程新的需求。
与其他筒体内填混凝土结构[1]的受力原理相似, CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic, 碳纤维增强聚合体/塑料) —钢管混凝土核心柱[2]均是利用外部套管 (筒) 与核心混凝土之间的受力特点, 使核心混凝土抗压强度大幅度提高, 以提高构件的承载力, 作为主要承受压力的构件。CFRP—钢管混凝土核心柱具有轻质、高强、耐腐蚀等钢管混凝土柱所不具备的特点, 在地铁车站、超高层建筑和大跨度公共建筑中具有广阔的应用前景, 具有很好的经济效益和良好的力学特性。
本文在Mohr-Coulomb强度准则和基本假定的基础上, 考虑截面有效约束和混凝土单轴抗压强度的影响, 推导了CFRP—钢管混凝土核心柱极限承载力新解, 通过与文献[2]试验资料的比较, 验证了承载力新解的正确性, 为此类构件承载力计算和工程设计提供了理论依据。
1Mohr-Coulomb强度准则在约束混凝土中的应用
国内外大量的研究表明, Mohr-Coulomb强度准则对三向受压混凝土有很好的适用性。该准则认为某点的破坏主要取决于最大主应力σ1和最小主应力σ3, 只要该点某一截面上的剪应力达到极值, 材料就沿该截面发生剪切滑移破坏。取压应力为正, 其数学表达式为:
其中, c, φ分别为材料的粘聚力和内摩擦角。
由式 (1) 整理得:
令
σ1=fc+kcσ3 (3)
其中, σ1为核心混凝土的极限抗压强度;σ3为核心混凝土所受的侧向约束σr;fc为混凝土单轴抗压强度。
大多数三轴受压混凝土内摩擦角φ的变化范围为36°和45°, 可取为[3]:
φ= (36+fc/35) °≤45° (4)
2基本假定
1) CFRP筒为薄膜套筒, 纤维方向为环向, 只考虑其沿纤维方向的拉应力, 并设断裂之前为线弹性。
2) 核心混凝土处于σ1>σ2=σ3>0的三向受压状态, 由式 (3) 得, 核心混凝土极限抗压强度fcc与侧向约束σr之间的线性关系为:
fcc=fck, i+kekcσr (5)
其中, fck, i为σr=0时内部核心混凝土单轴抗压强度;ke为截面有效约束系数[4], 对圆形截面ke=0.95, 对方形截面ke=0.75。
3) 外围混凝土只考虑其竖向承载力, 而不考虑其对核心混凝土的侧向约束, 不考虑箍筋对混凝土的约束作用。
4) 以CFRP筒的破坏和外围混凝土压碎为CFRP—钢管混凝土核心柱的承载力极限状态。
3极限承载力新解
根据基本假定, CFRP—钢管混凝土核心柱的极限承载力为:
Nu=Ncs, o+Ns+Nc, i (6)
其中, Ncs, o为外围钢筋混凝土的极限承载力;Ns为钢管的极限承载力;Nc, i为核心混凝土的极限承载力。
Ncs, o=[bh-π (dc+2ts+2tf) 2/4]fck, o+ (fy′-fck, o) A′s (7a)
Ns=Asfy=πdctsfy (7b)
Nc, i=πd
其中, b, h分别为柱截面的宽和高;dc为核心混凝土的直径;fck, o为外围混凝土抗压强度标准值;fy′, As′分别为竖向主筋的抗压强度和横截面积;ts, tf分别为钢管的壁厚和CFRP筒的壁厚;fy, ff分别为钢材的屈服强度和CFRP筒沿纤维方向的极限抗拉强度。
将式 (7) 代入式 (6) , 整理得CFRP—钢管混凝土核心柱的极限承载力新解为:
其中, Ac, o, As, Af, Ac, i分别为外围钢筋混凝土、钢管、CFRP筒和核心混凝土的近似横截面积, Ac, o=bh-π (dc+2ts+2tf) 2/4, As=πdcts, Af=πdctf和Ac, i=πd
4试验验证
文献[2]共有12个试件, 截面尺寸及材料参数为:b=h=200 mm, fck, i=33.7 MPa, fck, o=36.85 MPa, 4根10号主筋fy′=337 MPa, As′=314 mm2, ff=1 260 MPa。将fck, i=33.7 MPa代入式 (4) 得φ=37°, 进而kc=4.02, 且ke=0.95, 用本文所推导的极限承载力新解式 (8) 进行计算。
结果显示本文计算方法所得理论值与试验实测值吻合较好, 最大相差18%, Nu/Nt的平均值为1.04, 均方差为0.098 46, 进而验证了本文CFRP—钢管混凝土核心柱极限承载力新解的正确性。
5结语
1) 根据约束混凝土的受力特点, 分析了Mohr-Coulomb强度准则在其应用中的具体形式, 考虑截面有效约束和混凝土单轴抗压强度的影响, 推导了CFRP—钢管混凝土核心柱的极限承载力新解, 该新解只适用于轴心受压短柱。
2) 通过与文献试验实测值的比较, 验证了CFRP—钢管混凝土核心柱极限承载力新解的正确性, 为此类构件的极限承载力计算提供了理论依据。
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, 2003:1-58.
[2]王庆利, 关崇伟, 路建方, 等.CFRP—钢管混凝土组合短柱的轴压试验[J].沈阳建筑工程学院学报 (自然科学版) , 2004, 20 (3) :178-182.
[3]Lin C.T., Li Y.F..An effective peak stress formula for con-crete confined with carbon fiber reinforced plastics[J].Canadi-an Journal of Civil Engineering, 2003, 30 (10) :882-889.
[4]Priestley M.J.N., Seible F., Calvi, G.M..Seismic design andretrofit of bridges[M].New York:John Wiley&Sons Inc., 1996.
钢管混凝土核心柱 篇2
关键词钢管-钢骨混凝土组合柱;界限破坏;轴压比限值
中图分类号TU文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)081-0107-01
轴压比是影响柱抗震性能和变形能力的重要指标之一。钢骨—钢管混凝土组合柱[1]是把钢管置入型钢混凝土中,使型钢、钢管、混凝土3种材料协同工作以抵抗各种外部效应的一种结构形式。其界限破坏的特征不明显,这是由于在组合柱中,钢骨、钢管腹板在柱界面高度上是连续的,破坏时钢管不可能全部同时屈服,试件并不能立即崩溃,而是逐渐降低其承载力。由于钢骨—钢管混凝土组合柱没有明显的界限破坏状态,且柱中钢管承担一定的轴力,所以钢骨—钢管混凝土组合柱的轴压比根据不同的理解有不同的计算方法。本文提出钢骨—钢管混凝土柱理论计算公式及轴压比限值的合理取值的建议。
1按钢筋混凝土柱轴压比限值的概念进行分析
文献[1]从界限破坏时的平衡条件出发,根据平截面假定,提出了供设计用的轴压比限值的计算公式:
(1)
式中:为抗震等级影响系数,一、二和三级分别取0.8、0.9和1.0;
,为柱截面的宽和高;为考虑钢骨腹板的计算厚度,按文献中公式计算;为配钢管率。
2采用控制轴压力限值(即《型钢混凝土柱》[2]轴压比限值)的方法
型钢混凝土柱确定轴压比限值的方法和钢筋混凝土柱确定轴压比限值的方法不同在于考虑了钢骨含量对轴压比的影响。推导轴压比时,为推导公式方便,同样把外包钢骨转化为连续的钢板,利用平截面假定和外包钢的连续化。
轴压力限值的试验值
式中:为界限破坏时轴向压力试验值;为界限破坏时受压混凝土合力的试验值;为界限破坏时钢骨翼缘合力的试验值;为界限破坏时钢骨腹板合力的试验值;为界限破坏时钢管受力的试验值;,分别为混凝土轴心抗压强度试验值和钢管的抗压强度试验值;,分别为柱中混凝土部分和钢管部分的面积。
轴压力限值的设计值
轴压力限值的实用计算公式
式中:
3采用轴压比限值和轴力比限值双控原则进行分析
就文献试验数据,其中混凝土强度等级为C52,配钢管率为4.54%,按式(1)和式(5)计算出钢骨—钢管混凝土组合柱的轴压比和轴力比限值系数列于表1。
表中数值会大于1.0的情况,这是允许的,因为轴压比是指名义压应力与的比值,不是真实的。
型钢混凝土组合柱轴压比限值的确定是在试验研究基础上,规定二级抗震等级的框架结构柱的轴压比限值为0.75。通过表1可以看出,钢骨—钢管混凝土组合柱的轴压比限值要高于型钢混凝土组合柱轴压比限值10%以上。说明相比型钢混凝土组合柱,钢骨—钢管混凝土组合柱有更好的延性。
4结论
1)推导出了钢管-钢骨混凝土框架柱轴压比限值的实用计算公式;在工程设计中可以利用计算公式进行计算。
2)对于钢管—钢骨混凝土组合柱设计时,采用轴压比和轴力比限值双控原则,轴压比用于控制截面的初步选型,轴力比考虑了钢管用量的影响,作为截面选型的最终限值标准。
3)相比型钢混凝土组合柱,钢管—钢骨混凝土组合柱有更好的延性。
参考文献
[1]徐亚丰,赫芳,向常艳.等.钢管-钢骨混凝土组合柱轴压比限值的研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2006,22(5):740-744.
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J130-2001).北京:中国建筑工业出版社,2002.
[3]李向民.高强SRC框架柱轴压比限值的研究[J].广东土木与建筑,2001,10.
[4]徐明,苏丽莉,程文.内配圆钢管的钢骨混凝土柱轴压比限值的研究[J].工业建筑,2003,33(3):60-62.
作者简介
钢管混凝土核心柱 篇3
目前国内外有关这一构件形式的研究资料较少,又没有相关的规范或规程来指导设计,文中通过研究两批10根核心高强钢管混凝土柱试件轴心受压试验的概况,对核心柱的受力机理进行了分析,提出了核心柱轴心受压极限承载力的计算方法。
1 核心高强钢管混凝土柱的受力机理
1.1 试件概况
本试验的试件参照广州某高层商住楼实际工程中的结构构件进行1∶3比例模型设计,共设计试件10根,其中圆形截面和方形截面各5根。试件总高1 914 mm,其中下端部垫板厚14 mm。钢管采用Q235钢,纵向钢筋采用Ⅱ级钢筋,箍筋采用Ⅰ级钢筋。试件截面见图1。试验在华南理工大学结构实验室进行,采用15 000 kN大型长柱压力试验机进行轴向单调加载[2]。
1.2 工作机理
配有圆钢管的钢骨混凝土柱的工作过程可以分为以下四个阶段:
第一阶段为受力初期,由于混凝土的横向变形很小,其围压处于很低的应力水平;钢管径向受到外包混凝土的约束和内核混凝土的粘结拉力均很小,主要处于纵向受压的应力状态。在这一阶段,发生在内核混凝土、钢管和外包钢筋混凝土之间的相互作用较小,柱的承载力基本可以认为是各种材料纵向承载力的叠加。
第二阶段,随着荷载的增加,混凝土的横向变形超过钢材的横向变形,由于钢管对内核混凝土的约束作用较大,内核混凝土首先进入明显的三向受压状态,抗压强度提高;钢管在约束内核混凝土的同时其横向变形受到外包混凝土的约束,径向受压、环向受拉,由于外包混凝土的约束,环向拉应力较其在钢管混凝土中承受的拉应力小,此时可以认为总承载力是核心高强钢管混凝土和外包钢筋混凝土的承载力之和。
第三阶段,当纵向钢筋和钢管纵向先后屈服以后,保护层混凝土很快达到单轴抗压强度,部分压碎并逐渐退出工作,内核混凝土体积膨胀,钢管的横向变形明显加快,对外包混凝土产生较大的压应力;受箍部分外包混凝土受到纵向荷载和来自钢管的径向压力的作用,横向应变剧增,箍筋开始发挥起间接配筋的作用,对外包混凝土的约束明显增强,提高了受箍部分外包混凝土纵向抗压强度和变形能力。在这一阶段,柱整体承载能力持续增长,可以认为是内核混凝土、钢管和外包钢筋混凝土之间共同工作的结果。
第四阶段是在柱承载力达到峰值后,外包混凝土压碎破坏,承载力开始减小,但由于其受到箍筋的约束,承载力下降比较平缓,同时核心钢管混凝土还保持较高的承载能力,柱整体承载力出现缓慢的下降过程,在这一过程中,柱整体变形持续增加,表现出较好的塑性性能[2]。
2 核心高强钢管混凝土柱轴心受压极限承载力的计算
文中首先进行了18根试件的数值模拟方法全过程分析,分析结果与试验结果[2,4]的比较表明,全过程分析结果具有较高的计算精度,试验值和计算值之比的平均值为1.009 7,标准差为0.048 1,变异系数为0.047 6。
下面将采用极限平衡法求解核心钢管混凝土柱轴心受压的极限承载力。在以下各式中,上标“e”,“i”分别表示外包混凝土和核心混凝土。
2.1 基本假设
1)在极限状态时,保护层混凝土部分压碎退出工作,不考虑其对承载力的贡献,可以将柱看成是由外包受箍部分配筋混凝土、钢管和核心混凝土三种材料组成的结构体系。
2)受箍部分外包混凝土处于真三轴受压应力状态,圆形箍筋约束混凝土的三轴抗压强度按Richart公式近似计算:
f
矩形箍筋约束混凝土采用CEB FIP MC90模型,其三轴抗压强度为:
当σ
f
当σ
f
3)钢管满足Von Mises屈服条件:
(σ1t-σ2t)2+(σ2t-σ3t)2+(σ1t-σ3t)2=2f
当钢管厚度满足dcor/t≥20时,其所受的径向压应力σ3t远比环向拉应力σ2t小,可忽略不计,钢管应力状态简化为环向受拉、纵向受压的双向应力状态。即:
σ
4)假设钢管约束混凝土的屈服条件为文献[5]给出的高侧压力下的混凝土三轴抗压强度计算公式:
5)假设外包混凝土与钢管之间没有相对滑移。
2.2 理论计算公式
核心钢管混凝土柱的轴压极限承载力理论计算公式为:
N=f
式中:A
f
σ1t,fs——分别为钢管的纵向主压应力、纵向箍筋的屈服应力。
2.3 实用计算公式
以上分析得到的核心钢管混凝土柱轴心受压承载力计算公式能较好地反映其中的钢管混凝土与外包箍筋混凝土之间的共同作用,与柱的实际工作机理是一致的,但其计算过程过于复杂,不利于实际工程应用。
假定内核混凝土所受的约束为纯钢管混凝土状态下钢管的约束作用与箍筋对外包混凝土的约束作用之和。套箍系数λ由下式计算:
λ=λt+λs (8)
其中,λt为钢管的套箍系数,按下式进行计算:
其中,ρt为钢骨含率;λs为箍筋约束混凝土的约束系数,由下式计算:
其中,μs为体积配箍率;λt,λs分别按式(9)和式(10)计算,当计算λs时混凝土体积为受箍部分外包混凝土的体积。
核心钢管混凝土柱轴压极限承载力实用计算公式:
N=ηeN
其中,N
N*CFT=(1.14+1.02λ)ficACFT。
N=ηef
式中:ηe——考虑到柱达到极限承载力时,N
ηi——考虑到柱达到极限承载力时,N*CFT尚未达到峰值承载力而引入的承载力折减系数。
文中根据全过程分析算出大量的折减系数ηe,ηi,采用函数回归法,可以得到折减系数ηe,ηi的计算公式为:
ηe=1.01-0.026k-0.01λ (13)
ηi=0.94+0.035k+0.019λ (14)
式(12)计算的极限承载力与实测结果是十分接近的。对比结果表明,试验值和计算值之比的平均值为1.025 8,标准差为0.044 2,变异系数为0.043 1。计算公式形式简单、概念明确、具有较高的计算精度,可以满足工程需要。外围混凝土和钢管之间相互作用是一个非常复杂的问题,它与外围混凝土的强度等级、钢管外混凝土的保护层厚度、体积配箍率及配箍形式等诸多因素有关,而现在有关这方面的资料较少,因此文中提出的计算公式仅为探索性公式,有待于今后更多试验资料的修正。
3 结语
文中结合以往试验研究和全过程数值模拟分析计算结果,分析了核心钢管混凝土柱的工作机理,提出了核心钢管混凝土柱轴压极限承载力理论计算方法和实用计算公式。实用计算公式的计算结果与试验结果比较接近,表明该公式能较好地反映核心钢管混凝土柱的承载能力。核心高强钢管混凝土柱具有较高的轴压承载力和变形能力,增加钢骨的配骨率,可以提高柱的延性,纵向钢筋和箍筋对柱的承载力也有较大的影响,在实际应用中应该注意方形截面柱的外围箍筋配置,以加强对外包混凝土的约束。
参考文献
[1]叶列平,方鄂华.钢骨混凝土构件的受力性能研究综述[J].土木工程学报,2000(10):1-12.
[2]蔡健,谢晓锋.核心高强钢管混凝土柱轴压性能的试验研究[J].华南理工大学学报,2002(6):81-85.
[3]ECCS∶90,钢管混凝土结构设计与施工规程[S].
[4]林拥军,程文,徐明,等.配有圆钢管的钢骨混凝土柱轴压比限值的试验研究[J].土木工程学院,2001(6):23-28.
[5]蔡绍怀,焦占拴.钢管混凝土短柱的基本性能和强度计算[J].建筑结构学报,1984(12):13-29.
钢管混凝土核心柱 篇4
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) .
异形钢管混凝土柱研究综述 篇5
随着国内高层建筑如雨后春笋般拔地而起, 异形柱由于其在建筑功能方面的优越性而被广泛采用。异形柱结构体系提高了房屋的实用性和美观性, 室内分隔灵活多样, 避免了普通矩形框架结构存在柱角外露的缺陷, 便于家具布置, 改善室内观瞻。随着经济的发展, 人们生活水平的改善, 具有广阔的发展前景。
然而, 钢筋混凝土异形柱在研究、推广以及实际工程应用中暴露出一些问题:对水平荷载的方向性非常敏感, 荷载作用方向不同, 构件及体系的承载力存在较大差异, 设计时需取最不利的荷载作用方向;为保证柱子延性要求, 需较多的配置箍筋并严格限制轴压比;异形柱现场浇筑复杂, 梁柱节点配筋较多, 混凝土浇筑质量难以保证;节点截面较小, 抗剪承载力有时难以满足要求, 在高层建筑及高烈度地震区的应用受限, 存在很大的局限性[1]。 (《混凝土异形柱结构技术规程JGJ149-2006》对异形柱结构房屋使用最大高度给出了严格的限制, (见表1) 明显小于方、矩形柱的适用高度 (见表2) , 比如7度 (0.15g) 情况下, 异形柱框架结构适用的房屋高度为18m, 框架剪力墙结构为35m, 而方、矩形柱框架结构的适用高度为50m, 框架剪力墙结构为120m, 远远大于异形柱结构的房屋适用高度) 因此要使异形柱结构得到更为广泛的应用, 在层数更多的建筑以及抗震烈度更高的地区得到推广, 必须研究如何在不显著增大柱截面的情况下提高柱子承载力、刚度及抗震性能[2]。
由于钢管混凝土柱抗震性能优越, 于是异形钢管混凝土柱便应运而生。异形钢管混凝土柱 (截面形式如图1所示) 就是将混凝土灌入由钢板焊接而成的异形钢管中, 使钢管与核心混凝土共同承受荷载, 同时钢管对混凝土的套箍作用约束核心混凝土的横向变形, 提高了混凝土的抗压强度, 改善了混凝土的延性性能, 进而使得异形钢管混凝土柱的抗震性能远远优于普通异形钢筋混凝土柱的抗震性能。本文基于国内外专家学者对异形钢管混凝土柱的前期研究工作, 对其进行分析汇总, 多方面介绍了有关异形钢管混凝土柱的力学性能和抗震性能及工程应用现状, 总结了异形钢管混凝土柱今后的研究方向和发展趋势。
2、异形钢管混凝土柱研究现状及分析
在我国, 圆形、方形和矩形钢管混凝土规程已出台, 但对异形钢管混凝土研究较少。主要局限于哈尔滨工业大学、同济大学、华南理工大学、西安建筑科技大学、天津大学等一些高校的专家学者关于异形钢管混凝土柱的轴压性能、偏压性能、抗震性能、延性性能、滞回性能、节点的力学性能等方面的试验研究以及相当的理论分析, 已经有了一定的研究成果, 但目前的研究成果还不够系统和成熟。
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华南理工大学对带约束拉杆的T形、L形钢管混凝土柱的轴压性能进行了试验研究, 对构件的受力过程进行有限元分析, 分析带约束拉杆异形钢管混凝土柱的受力机理, 提出带约束拉杆异形柱的轴心受压承载力和偏心受压承载力的计算方法[3,4,5]。得出以下几点比较有意义的结论:没有约束拉杆的异形钢管混凝土柱, 钢管对核心混凝土尽管有约束作用, 但并不十分明显, 在达到承载能力极限状态时钢管已经发生外部鼓曲, 钢管的强度在未能充分发挥之前, 试件即发生破坏, 所以柱子的强度提高并不显著;约束拉杆对钢管有明显的约束作用, 延缓钢管局部屈曲, 改善内部混凝土的受力状态, 提高混凝土的承载力, 延性也得到很大提高, 且约束拉杆布置的越紧密, 对异形钢管混凝土柱的有利作用越明显。异形钢管混凝土柱受力不均匀, 因而刚度要小于普通方、矩形截面柱。
除此之外, 同济大学的沈祖炎等, 同济大学的吕西林, 王丹及哈尔滨工业大学的杨远龙等, 分别就异形钢管混凝土柱的轴压承载力和构件与节点的抗震性能进行了研究。他们在异形钢管混凝土柱方面的研究, 为我们进一步了解和研究异形钢管混凝土柱提供了宝贵的资料。
3、异形钢管混凝土柱应用现状
关于异形钢管混凝土柱在我国的应用, 这里必须提及一种高层建筑施工的方法—逆作法, 它是高层建筑施工中比较先进的施工技术, 可以明显缩短施工工期。其施工工序如下:首先开挖基坑, 以地下建筑物轴线或其他支撑墙体为基础, 设置支护结构, 然后打桩并浇筑承压柱, 完成地面一层楼板面的施工之后, 以地面一层楼板面作为支撑地下和地面以上同时开始施工。地下施工是从楼板面两侧向下开挖土方, 并逐层浇筑混凝土, 直至封底。与此同时, 地上部分也逐层向上施工, 直至工程结束。正是因为这样地下地上同时反方向施工, 所以大大缩短了施工工期, 有利于提高工程的综合经济效益[6]。
1998年, 广州新中国大厦首次采用了异形钢管混凝土柱 (图2) 。该工程地下室占地7340m2, 地下5层, 地上51层。为做到全方位逆作法施工, 地下室的核心筒剪力墙先不施工浇筑, 设计中利用布置在核心筒剪力墙相交和转角等位置处的带约束拉杆异形 (矩形、L形及T形) 钢管混凝土柱作为临时支撑, 地下室施工时再补上所缺的墙段就成为完整的筒体。由于设有横向约束拉杆, 显著提高了异形钢管混凝土柱的延性和承载力, 解决了其钢管壁侧向变形大的问题, 同时增加了建筑的使用面积;带约束拉杆异形钢管混凝土柱与梁的节点连接进行了改进, 使之构造更简单、受力更明确、施工更方便并且造价相对较低[7,8,9,10]。
此外, 异形钢管混凝土柱也在江门中旅大厦、广州名汇商城、广州百货大厦新楼和广州名励大厦等高层建筑的建设过程中得到了成功应用。在我国5.12大地震灾后的重建工程中, 方钢管混凝土异形柱结构作为一种新型结构在映秀镇渔子溪村的建设中得到了应用。方钢管混凝土异形柱是通过缀条或缀板连接单根钢管混凝土柱构成的, 其截面形式如图3所示[11]。
4、异形截面钢管混凝土柱静力性能的研究
目前对异形截面钢管混凝土柱静力性能的研究尚不充分, 主要集中在以下几个方面:轴压偏压承载力研究, 稳定性研究等。同济大学的吕西林, 王丹[12]对T形和L形钢管混凝土柱进行了低周反复荷载下的拟静力试验。试验中考虑了轴压比、钢管壁厚、混凝土强度等级对T形、L形钢管混凝土柱延性和极限承载力的影响。得出以下结论:L形、T形柱由于腹板受压造成钢板外鼓明显以致开裂, 钢板屈曲部位出现混凝土压碎现象, 造成钢管混凝土异形柱承载力下降;T形钢管混凝土柱随轴压比增加, 极限荷载提高的幅度减小;L形柱极限承载力随轴压比增加而下降;钢管壁厚增加导致构件极限荷载和延性性能随之提高;两柱的延性都与轴压比负相关, 即轴压比越大, 构件的延性越差;混凝土强度等级提高对极限荷载增加很明显, 而内部混凝土强度等级的变化对延性的作用效果不是十分显著。
同济大学的陈之毅、沈祖炎进行了轴压承载力L形钢管混凝土短柱的试验研究, 分别制作了1根L形空钢管短柱作为对比试件, 对6根L形钢管混凝土柱进行了轴压试验。影响试件的参数因素主要是宽厚比、肢长和有无加劲肋;最后分析和计算了钢管混凝土柱L形截面极限承载力, 主要得出如下结论:短肢L形钢管混凝土柱属于压皱破坏, 破坏时在柱高中部形成多个峰波;而长肢L形钢管混凝土柱破坏多发生在端部, 变形发展不充分;加劲肋可提高短肢柱的延性, 对长肢柱轴压承载力和延性无明显作用;L形截面钢管混凝土柱继承了钢管混凝土柱的特性, 提高了试件的承载力和稳定性;钢管对提高短肢L形钢管混凝土柱的承载力作用显著, 但对长肢柱没有明显影响。
武汉大学的杜国锋[14]等在考虑肢宽、肢厚、腹板宽度和管壁厚度等参数的基础上, 对组合T形钢管混凝土柱轴心受压性能进行研究, 通过轴心受压试验, 考察试件的破坏形态, 测得试件的荷载―变形曲线, 分析各参数对钢管混凝土T形短柱轴心受压力学性能的影响。界定了长柱和短柱的长细比范围, 得到短柱和长柱的破坏形态, 探讨了钢管壁厚、钢材和混凝土的强度对柱的极限承载力影响。参考国内外有关矩形钢管混凝土柱承载力的计算理论和计算方法, 在分析试验数据的基础上, 建立了钢管混凝土T形短柱轴心抗压极限承载力计算公式, 公式可供实际工程设计参考。
武汉大学的徐礼华[15]等对T形钢管混凝土组合柱的抗剪和抗弯性能进行了研究, 考虑剪跨比、轴压比、套箍指标等参数对试件性能的影响, 对试件进行静力加载试验, 试验结果表明:试件的抗弯承载能力极限随钢筋强度的提高和钢管壁厚的增大而增大, 混凝土强度等级和剪跨比对其影响并不显著, 以结构塑性极限理论和经典力学为基础, 建立T形钢管混凝土组合柱纯弯极限承载力的计算公式, 试件的抗剪承载力随轴压比和套箍指标的提高而增大, 随剪跨比的提高而减小, 建立了组合T形钢管混凝土试件抗剪承载力的计算公式。
厦门理工学院的陈惠满[16]等基于平截面假定和钢筋与混凝土的本构关系, 利用截面内力平衡, 推导出包含任意截面形状的异形钢管混凝土柱刚度矩阵简便表达式。柱截面刚度为钢管和混凝土两部分刚度的叠加, 该表达式清晰、简便, 适用于任意材料本构关系。他们将文中公式分析结果与其它文献实验结果进行了比较, 公式分析结果与实验结果正好吻合。由他们推导出的计算方法可用于异形钢管混凝土柱正截面承载力分析。
内蒙古工业大学的曹玉生[17]采用逐级增加曲率的方法, 使用C++程序设计语言编制计算程序, 对异形钢管混凝土柱进行非线性全过程分析。研究表明, 影响异形钢管混凝土截面延性的因素有:荷载角, 轴压比, 含钢率, 钢管等级, 混凝土强度和截面大小。分析所得数据得:随着钢管强度等级的增加, 截面的承载能力、曲率和延性均有所提高;随混凝土强度等级的增加, 截面的承载能力增强, 但是曲率延性降低。同时, 对于异形柱截面, 随着截面尺寸的增加, 截面的曲率延性降低, 承载力提高。在所有的截面曲率影响因素中, 轴压比的影响最大。在同等情况下, 十字形柱截面的延性最好, T形柱截面次之, L形柱截面延性最差。
哈尔滨工业大学的赵毅[18]对T形和十字形钢管混凝土轴压短柱的力学性能进行了研究, 分析了设置钢筋加劲肋对普通钢管混凝柱力学性能的影响;利用有限元分析软件ABAQUS模拟分析异形钢管混凝土轴压短柱的力学性能, 并通过试验验证了理论分析结果的正确性, 得出结论:钢筋加劲肋使钢板的力学性能得以改善;改变钢筋加劲肋焊点间距可以提高钢板的屈曲承载力;T形钢管混凝土中钢板对核心混凝土约束效果不显著, 钢管在破坏时呈现明显的多波屈曲;钢筋加劲肋可有效延缓钢板屈曲的发生, 改善柱子的延性;混凝土浇注质量对异形钢管混凝土柱比较重要;钢板屈服强度越高、截面含钢率越大、混凝土强度越低, 异形钢管混凝土柱的延性越好 (图4) 。
哈尔滨工业大学的杨远龙[19]对T形截面钢管混凝土柱的抗震性能展开试验研究, 试件为一根不加劲混凝土柱, 一根加劲钢管混凝土柱和一根钢筋混凝土柱对比试件 (如图5所示) , 对它们进行压弯滞回性能试验, 探讨试件的破坏模式和滞回性能, 分析了钢筋加劲肋的作用机理及钢管的约束作用。得出结论:钢管混凝土T形柱相比钢筋混凝土T形柱破坏程度小, 初始刚度、屈服荷载大, 耗能性能好, 但延性相比钢筋混凝土弱;带加劲肋的钢管混凝土T形柱相比无加劲肋的力学性能有所改善, 屈服荷载和极限承载力提高显著, 延性改善不大;加劲肋的设置可能导致钢管过早发生变形, 但不会对后期力学性能产生不利影响。
目前, 对异形截面钢管混凝土柱的静力性能的研究以单一荷载作用为主, 而弯剪扭复合受力方面的研究比较少, 可以作为以后研究的重点。
5、异形截面钢管混凝土柱节点研究
异形截面钢筋混凝土具有受力截面小, 抗剪承载力低, 是制约异形柱结构推广和应用的关键因素。有关异形截面钢管混凝土柱的节点可以借鉴方钢管混凝土柱的节点形式。目前, 方钢管混凝土柱的节点形式主要有内加强板式节点、外加强板式节点、贯穿加强板式节点、内隔板式节点、外隔板式节点。针对目前异形截面钢管混凝土柱的实际情况, 采用内隔板式节点比较好。 (如图5) 此为T形钢管混凝土柱与H形钢梁节点, 主要由内锚固板、钢筋加劲肋通过焊接而成。其传力机理是:梁的翼缘传递弯矩, 剪力由梁的腹板传递到柱, 其中内锚固板主要是在钢梁受弯时, 限制阴角的变化, 防止钢管外部鼓曲。钢筋加劲肋主要增大腹板的抗剪能力, 防止腹板受压区的屈曲, 解决局部有较大压力的腹板稳定问题[20]。
西安建筑科技大学的葛广全[21]对异形截面钢管混凝土柱-钢梁节点进行了试验研究, 节点为贯通式, 主要进行低周反复加载试验, 分析比较肢高肢厚比不同的情况下节点的滞回性能、强度及延性、破坏特征, 得出结论:T形钢管混凝土柱-钢梁框架节点和普通钢结构节点一样, 具有较好的延性和相同的破坏特征, 滞回环饱满, 耗能性能良好, 具有较好的抗震性能;对于T形钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点, 在肢高肢厚比不大于3的情况下, 节点的承载能力与肢高肢厚比是正相关的关系看, 即随着肢高肢厚比的增加, 节点的承载能力也会相应提高;焊缝质量是影响T形钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点抗震性能的关键。焊接不均匀产生的应力重分布会严重影响节点的稳定性。
北京工业大学的陈静、张玉敏[22]主要进行的研究工作是低周反复水平荷载试验和节点冲切试验, 试件分为2组10个模型相似比为1/2的异形钢管混凝土柱-板, 试验内容主要包括节点的冲切受力特性、极限荷载、受力过程、开裂荷载、破坏荷载以及破坏形态等, 利用试验中得到的数据画出试件的滞回环曲线、托板应变曲线、骨架曲线以及钢筋应变曲线。结果表明:我国《混凝土结构设计规范GB50010-2002》中公式7.7.1-1可用于异形板柱节点抗冲切设计, 异形钢管混凝土柱-板铰接节点冲切承载力只比普通混凝土板柱节点高一点, 不是十分明显;滞回曲线狭长, 构件的延性比较好, 铰接性能好, 抗侧移能力强, 符合《建筑抗震设计规范GB50011-2001》的要求, 保证结构在大震中的安全。节点处托板应变可以近似看做弹性阶段, 变形能力较好, 节点承受的局部弯矩小, 可有结构自身的内力与之平衡。异形钢管混凝土柱-板节点的性能与矩形钢管混凝土柱-板节点在滞回曲线、冲切承载力以及抗侧移等性能上相差不大, 可用于大空间钢管混凝土柱板高层节能住宅结构体系。
西安建筑科技大学的侯文龙[23]等利用ABAQUS有限元软件对钢管混凝土异形柱框架节点进行了非线性有限元分析, 并且着重对影响节点受力性能的因素诸如肢高肢厚比, 轴压比, 钢管壁厚等进行了定性分析, 通过计算得到了钢管混凝土异形柱框架节点的应力云图。将计算所得的结果与试验结果进行了比较, 两者结果吻合。结果表明:异形柱框架节点受力明确, 传力途径清晰, 肢高肢厚比和轴压比对节点受力性能的影响较大。试验结果还表明, 方钢管混凝土异形柱破坏时方钢管与混凝土均已达到极限强度, 其整体变形和单肢变形都不明显, 各肢变形相对比较协调。
异形截面钢管混凝土结构的推广和应用过程中, 首先需要解决的是框架的节点问题。没有框架节点就不能形成完整的框架结构, 节点的稳定性十分重要, 在承受突加荷载、永久荷载及水平风荷载的组合作用下能使剪力和弯矩得到有效的传递, 在施工中会更容易设置节点。所以, 当前我们需要对梁-柱节点形式、力学性能、抗震性能等进行深入研究, 这是钢管混凝土结构未来发展和应用的重中之重[24,25]。
梁与钢管混凝土异形柱节点在承受地震荷载作用时, 柱和框架梁传来的剪力、弯矩和轴力作用于节点部位, 因为钢管的套箍作用使内部混凝土处于三向受力状态, 大大增加了混凝土的抗压强度和承载能力, 此时节点的受力情况不是单一荷载作用, 而是更多处于剪力和弯矩的作用下。1980年以来, 国内高校关于普通截面钢管混凝土柱和梁柱节点的抗震性能做了很多试验研究, 积累了不少宝贵经验。国内外专家在新型节点研究工作中, 一般都要考虑柱轴压比等对节点力学性能的影响, 更合理地研究异形柱与梁之间节点的各种性能, 他们利用静力、拟静力和振动台试验在节点模型的基础上得到节点的σ-ω曲线、承载能力标准值、设计值等数据然后比较节点在控制轴压比变化的情况下滞回性能、延性、耗能性能、破坏机理及破坏特征是如何变化的, 以此作为评价节点力学性能的标准。
6、结语和展望
(1) 异形截面钢管混凝土柱较之传统钢筋混凝土柱具有极限承载力高、延性好、抗震性能好、施工简便、经济效益好等优点, 适用于抗震设防烈度更高的区域, 在满足承载力和刚度要求, 又不显著增大柱截面面积的基础上, 可以做到内墙不外凸, 增大了室内使用面积, 较好地满足了建筑使用功能, 是现代工程应用重要的结构体系, 其应用前景十分广泛。
(2) 对异形截面钢管混凝土柱的研究才刚刚起步, 研究手段、试验方法很多还不是很成熟, 没有形成系统的异形柱设计规范, 有关异形柱承载力的计算方法较少, 只是借助于试验数据的分析, 得出承载力计算公式。
浅谈钢管混凝土柱的应用 篇6
关键词：钢管柱,制作,安装,混凝土浇注
钢管混凝土具有体积小, 承重大, 强度高, 同比普通混凝土柱的经济效益显著故被广泛应用于高层特别是超高层的建筑中。
高层建筑由于受轴压比、抗震等的限制, 柱截面尺寸往往较大, 钢筋和混凝土用量及要求都高;而使用钢管混凝土柱可使柱的截面尺寸大大缩小, 外形美观, 增加了平面的应用空间。同时还可以直接作为施工模板, 大大减少模板的用量及钢筋的施工用量及施工工作量
广州某甲级设计高层写字楼高度为130m, 设地下3层、地上40层, 采用框架-剪力墙结构体系, 建筑面积50000m2。原设计采用钢筋混凝土柱, 柱截面非常大, 后经设计改良后采用16条1200mm圆钢管混凝土柱, 较好地解决了高层建筑中的“胖柱”问题。
1 钢管柱制作
1.1 材料要求
工程钢管全部采用Q345A钢板卷制;钢管柱外径1200mm, 壁厚20mm, 焊缝等级为一级;管内核芯混凝土强度等级为C60加UEA。
1.2 制作
⑴钢管柱 (包括各种预埋件和缀件) 制作流程:详图绘制和原材料进场检验→号料→下料→刨边→卷筒→焊立缝→校圆→超声波探伤→焊接环缝→超声波探伤→缀件组装、焊接、超声波探伤→汇总质量保证资料。
⑵钢管柱的分节。制作钢管前, 根据塔吊的起重能力和柱子与塔吊的距离等因素, 确定钢管柱的分节。本工程钢管按层高要求分2~3段制作。
⑶钢板下料采用数控多头火焰切割机完成, 坡口用手提砂轮机打磨。采用45mm×3000mm数控卷板机压边、卷管, 压边直段为40mm, 卷管椭圆度偏差小于4mm。埋弧焊前, 用砂轮机将焊缝两边打磨30mm, 焊接完成24h后, 对焊缝进行超声波检测。
⑷运输与堆放。钢管柱在工厂加工完毕运至现场后, 利用塔吊将钢管柱卸在预定的堆场上, 单层堆放, 钢管两侧用木方挤住, 以防钢管滚动伤人。
2 钢管柱的安装及焊接
2.1 定位
钢管柱的吊装定位:
⑴轴线定位。由测量员根据场地及图纸定位轴线, 分别定出每根钢管柱的十字方向轴线, 并预埋螺栓控制。
⑵钢管柱的平面控制与垂直度控制。厂家加工制作时须给出0°、90°、180°、270°四个方向的轴线位置, 并在钢管柱上用红三角明确标示出来。现场用两台经纬仪在两个垂直方向上同时观测, 水平方向通过水准仪测量控制。
⑶钢管柱临时固定。采用塔吊直接吊装 (人工辅助) 就位。
吊装校正时采用点焊附加钢筋于钢管外壁作临时固定联焊, 校正完毕后方可松吊钩。
2.2 钢管柱的焊接
以CO2气体保护焊为主, 手工电弧焊为辅。
⑴设备选用。MD-500CY-3Y5-T1 CO2气体保护焊机两台及BX-500-F交流电焊机两台, 焊条烘干炉一台, 空压机一台。
⑵先定位焊。焊缝尺寸在满足装配强度的前提下, 尽可能的小一些, 通过缩小定位焊缝间距的方法减小定位焊缝的尺寸。
⑶焊接。安装焊接为钢管对接, 接头形式为35°坡口平角横焊, 钢管壁厚20, 设计要求全熔透。
采用单面焊双面成型的多层焊缝, 为防止焊接时焊接变形对肢管的影响, 采取分段反向顺序施焊, 保证对称并运用跳焊的方法, 以减少热应变, 为防止产生未焊透缺陷, 先采用小直径焊条打底, 小电流低焊速, 再用较大直径焊条盖面。
⑷定位焊工艺要求:
定位焊道短、冷却快, 焊接电流应比正常焊接电流大15%~20%。定位焊缝两头应平滑, 防止正式焊接时造成未焊透裂纹, 定位焊缝不应有明显的裂纹夹渣等缺陷, 施焊时遇小雨、阵风时须加防雨防风围护, 以保证焊缝质量。
钢管柱吊装就位、焊接完毕之后, 管上口必须采取遮盖措施, 以防异物落入管内。
2.3 浇筑垂直控制
由于钢管柱的定位要求高, 为了避免浇灌混凝土时的振动而使钢管柱位置发生偏移, 在每次浇灌混凝土前, 采用在钢管外壁互成120°的方向安装3个Φ10的钢绞丝来控制, 同时用2台经纬仪在互成90°的方向监测柱的垂直度, 经反复观测并纠正其垂直偏差值。
2.4 钢管柱焊缝的探伤检验
采用超声波探伤检验方案。
⑴探伤表面要求:无焊接飞溅、铁锈、油垢及其它部位杂质。
⑵探伤表面应平整光滑, 打磨后其糙度﹤6.3um。
⑶外观检查合格后进行探伤检测。
⑷楼层砼浇灌完毕, 管壁外部清理干净后立即涂刷防锈涂料。
3 节点环梁施工
3.1 梁柱节点构造要求
⑴钢管混凝土柱与框架梁的连接采用刚弹性方案, 设2道40mm×25mm扁钢环箍传递剪力, 柱头环梁与框架梁连接传递弯矩;
⑵柱末端内设十字形腹板, 板厚20mm, 高500mm, 上部剪力墙竖向分布钢筋锚人柱内35d。
3.2 施工
⑴钢筋配料。下料时充分考虑钢筋的弯曲调整值及对焊留量。
⑵钢筋焊接。环向钢筋采用等强对焊, 对不同规格的钢筋须先进行试焊, 以确定焊接参数, 对每批成品按规定截取试样, 进行力学性能试验。复合箍筋封口采用10d单面搭接电弧焊。
⑶钢筋绑扎。先在地面制作场将环梁底面环筋、2Φ22架立筋、复合箍筋制作绑扎成骨架, 用塔吊吊装就位, 再穿插框架梁底筋, 然后依次绑扎环梁4Φ22架立筋、拉结筋和框架梁腰筋, 再依次穿插绑扎框架梁面筋和环梁顶面环筋, 最后将开口箍筋弯制施焊封闭。相邻环向钢筋的焊接接头要渐进式相互错开1200mm。
4 管内核芯混凝土施工
4.1 混凝土选用
经对比分析, 本工程选用42.5号普通硅酸盐水泥, C60核芯混凝土浇注。掺加剂有Ⅱ级粉煤灰、UEA-E型膨胀剂和CSP-7型减水剂。
4.2 现场浇筑
浇筑平台用钢管脚手架搭设, 竖直段输送管与浇筑平台连接牢固, 平台须与钢管柱完全脱离, 以防施工荷载对钢管柱产生不利影响。平台整体由塔吊吊装就位, 循环使用。
每段钢管柱作为一个浇筑单元, 施工缝设置在离钢管上口30cm (末段为100㎝) 处。浇筑方法采用立式人工振捣连接浇筑法。浇筑前先用塔吊提料在管底铺设20cm厚与混凝土配比相同的水泥砂浆层, 以防混凝土粗骨料弹跳离析。混凝土每泵送1m3 (管内高约1.6m) , 以加长振捣棒快插慢拔振捣, 并插入下层混凝土约10㎝, 振捣时间为40s, 并在浇筑平台上标明振捣手的6个站位, 以防漏振。当浇筑至施工缝处时, 对最后一层混凝土进行二次振捣, 以保证其密实度。二次振捣8h后, 蓄水养护。
4.3 质量检测
当混凝土强度达到标准值的70%以上时, 采用预埋声测管的超声波透射检测法进行检测。
5 经济效益
工程结束后对工程的成本进行了核算, 由于使用圆钢管混凝土柱了, 工程成本节约200万元, 缩短工期45d, 每层增加使用面积约60㎡, 且建筑功能更加合理, 很好地满足了业主的需求, 综合效益显著。
参考文献
[1]《钢管混凝土结构设计与施工规程》
矩形钢管混凝土柱施工的质量控制 篇7
1 钢管混凝土结构的概念
所谓钢管混凝土结构, 是指在钢管内填充混凝土, 将两种不同性质的材料组合而形成的复合结构, 钢管内混凝土和钢管共同工作。钢管混凝土结构与普通钢筋混凝土相比, 在保持钢材用量和承载能力相同的前提下, 能够大大减少构件的横截面面积, 扩展建筑空间, 减轻结构自重。
2 工程概况
某太阳能高科技厂房, 建筑面积120000平方米, 含钢量达14000T。主体为钢管混凝土结构, 由A、B、C三个区组成。钢柱为矩形结构, 楼面主、次梁均采用焊接H型钢或桁架形式, 屋面采用上下弦为焊接H型钢的桁架形结构。材质为Q235B、Q345B两种, 构件最重约20T。以B区为代表, 钢柱采用的规格有650*550*12mm、550*450*12mm、500*450*12mm等, 柱最高24.8m, 柱内浇注C30混凝土。
3 钢结构部件制作质量监督控制
工厂化生产是钢结构的优势, 也是主要特点, 由于我施工单位要在短期内完成这么大的制作量是很困难的, 只能找其他厂家协助生产。为加强质量监督管理力度, 协助生产单位, 详细了解从进料、下料、放线、切割、焊接、校正、探伤等各个钢部件制作环节。
3.1 存在问题
(1) 质量自控体系不到位, 个别焊工无上岗证书, 制作资料与现场不同步;
(2) 焊工人员不足、专业焊接水平不高;
(3) 生产厂家产能有限, 工程进度又要快, 导致质量下降;
(4) 缺少必要的检验仪器;
(5) 出厂质量把关不严, 对接焊缝焊接残余变形较大, 手工焊缝观感质量较差。
3.2 监控重点
材料控制: (1) 原材料必须由我施工单位统一采购, 监管人员做好台帐记录和资料收集, 并由专人根据制作用量配送至生产厂家。 (2) 原材料检测坚持见证取送样制度, 必须送至符合资质要求的检测中心检测, 如发生异常数据必须及时上报快速处理。
焊接质量控制: (1) 审核各单位焊工岗位操作证, 建立焊接记录卡, 在制作构件上要求标明焊工编号, 以便检查。 (2) 成立评定小组, 进行焊接工艺评定, 形成焊接工艺评定报告, 然后才可以进行焊接。 (3) 加强检查检测力度。对Ⅱ级焊缝必须按50%比例进行超声波无损探伤, 不符合要求立即进行返修, 同一部位返修不宜超过3次。对Ⅲ级焊缝外观质量检查表面不得有气孔、裂纹、夹渣等缺陷, 焊脚高度必须满足焊接工艺的规定要求, 对不符合要求的焊缝要作补焊并作打磨处理。 (4) 加工好的构件, 必须先报送资料, 审查符合要求才能运达现场由质监小组进行尺寸、外观的二次检验, 符合要求方可安装。
4矩形钢管内浇注混凝土施工实践
4.1矩形钢管混凝土柱顶升工艺失败的教训
所谓泵送顶升浇注法, 即在钢管柱接近地面的适当位置安装一个带阀门的进料支管, 直接与泵车的输送管相连, 由泵车将混凝土连续不断自下而上灌入钢管, 无需振捣。然而, 本工程经过近百天的7次顶升试验均告失败。
产生的质量问题主要有两种形式:柱体瞬间变形, 焊缝开裂;标高±0.000下板壁屈服变形。
经过多次顶升专题会议, 参建各方逐步取得一致意见:
(1) 柱体即矩形钢管管壁板件厚度不够。钢管壁板本身即是抗侧压的模板, 由于设计厚度仅有12mm, 宽厚比b/t、h/t均超过限值规定 (GB50017-2003《钢结构设计规范》10.1.2规定矩形管的最大外缘尺寸与壁厚之比不应超过40) , 导致柱内混凝土顶升时钢管壁本身强度不足于抵抗产生的侧压。
(2) 内加劲隔板复杂。在柱内±0.00m、+9.7m、+20m处设置的内隔板有8~12道, 且中间开孔仅￠200mm, 孔径不到设计柱截面长边方向的三分之一, 极大增加了泵送混凝土的顶升压力。
(3) 柱内泵送混凝土产生的压力太大。泵送过程中, 泵车的泵送油压表压力值基本控制在8~12MPa之间, 而通过混凝土泵送顶升时柱外侧壁的应力应变监测和柱内压力监测发现:柱身±0.000以下最大应力值达130MPa, 最大变形值达2.95mm, 均超过设计限值规定。
失败的教训:第一, 自身专业技能不高, 对新技术、新工艺缺乏了解。第二, 忽视了设计质量的控制。矩形钢管混凝土结构与空心矩形钢管是两种不同的结构形式。建设方节约成本考虑才通过所谓的设计优化改成了矩形钢管混凝土结构, 钢管壁厚实际已减薄了一半, 而设计单位由于经验不足忽视了施工阶段验算。《矩形钢管混凝土结构技术规程》CECS159:2004中4.1.6明确规定:矩形钢管混凝土构件尚应按空矩形钢管进行施工阶段的强度、稳定性和变形验算。第三, 现阶段我单位矩形钢管混凝土顶升施工尚缺乏大量试验数据和成功经验。
4.2矩形钢管混凝土柱高抛工艺成功的经验总结
为了判定柱顶直接抛落法施工工艺的可行性并进一步明确施工标准和验收依据, 我单位提议建设单位约请国内知名专家进行专题讨论。讨论重点解决了2个方面的问题:
(1) 矩形钢管柱设计的安全性
由于矩形钢管柱从多次顶升到高抛均出现了难以逾越的困难, 焦点首先集中在该结构设计是否存在缺陷、漏洞、是否需要修改?依据现行的CECS技术规程, 在设计使用条件下, 结构是可靠安全的, 不会变形也不会发生结构破坏。
(2) 缝隙定量控制
钢管柱内隔板下与混凝土存在缝隙, 主要原因是混凝土水灰比的大小、胶凝材料的使用数量、碎石粒径大小以及添加膨胀剂等对混凝土收缩的影响, 可以说不论采用顶升或高抛方法施工混凝土裂缝都是客观存在的。由于现阶段国内钢管混凝土施工研究数据的缺失和经验不足, 现行钢管混凝土技术规程尽管考虑了钢板与混凝土的粘结 (规范规定可进行敲击检查) , 但是并没有注意到隔板下会存在这么大的缝隙。与会专家虽然都表示缝隙对结构影响有限, 但针对这新问题, 一致认为要保证结构安全使用, 设计单位通过计算表示施工阶段所允许的缝隙限值控制在2mm内是偏安全的。
(上接第326页) 近年来, 随着国家经济的发展, 钢管混凝土正广泛应用于各种建筑结构中。尽管钢管混凝土在许多方面还存在着这样那样的弊端和问题, 但是它的优点大大多于缺点, 随着其理论研究的深入和完善, 施工工艺的提高和高性能材料的应用, 必将成为一种更完善的结构形式。S
宽。
3.3 防水闸墙的施工顺序
3.3.1 用高压水冲洗防水闸墙巷道四周围岩。
3.3.2 为了防止放水管路被杂物堵塞, 在距离窝头1米处, 施工防水
闸墙内侧设置一道钢筋箅子门, 以防杂物堵塞放水管路造成墙内积水压力过大, 起隔离杂物过水作用。
3.3.3 按照上面防水闸墙的具体要求, 在距离箅子门2米处砌筑第一
道防水闸墙, 再施工外侧第二道防水闸墙混凝土墙体至巷道底板标高后, 在两道墙体中间留出的空间之间充填10-30 cm的矸石作为中间墙体部分的骨料, 直至两道防水闸墙墙体间充填物接顶。
3.3.4 按照具体设计要求, 在距离防水闸墙底板1.
2米处压设4寸铸铁管装上阀门排水;距离底板1.5米处压设3寸铸铁管, 装上压力表及阀门。
3.4.5 防水闸墙按照要求施工完毕后, 由公司组织相关部室进行验收, 质量不合格必须重新施工。
验收完毕后, 签字存档。
4 结论
工程已于2012年5月施工完毕, 经有关人员验收, 工程质量符合设计要求。防水闸墙的构筑在有效防治了矿井周边老窑老空水害的威胁, 减少了腾泰矿业淹井的危险, 为今后兼并重组矿井防治水工作积累了一定的经验。S
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体研究是建筑设计创新评价研究的重要组成部分。S
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[责任编辑:尹雪梅]
市经济、景观环境、空间区位等多学科。如何处理好高层建筑与城市之间的关系变的十分重要, 高层建筑布局、高度及容量控制己成为各大城市规划管理中的重要内容, 高层建筑布局规划不仅成为一个重要的研究课题, 而且逐步被纳入城市规划体系中。S
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[1]哈尔滨建筑工程学院, 中国建筑科学研究院主编.钢管混凝土结构设计与施工规程[M].北京:中国计划出版社, 1992.
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摘要：本文以某太阳能高科技厂房为例, 通过在整个建筑工程实施过程中由于设计、施工的失误发生的质量问题, 揭示矩形钢管混凝土柱在设计、施工中的特点和难点, 试做一些探讨和总结。
关键词：钢管混凝土,泵送顶升浇注法,柱顶直接抛落法
参考文献
[1]哈尔滨建筑工程学院, 中国建筑科学研究院主编.钢管混凝土结构设计与施工规程[M].北京:中国计划出版社, 1992.
浅谈某工程钢管混凝土柱施工 篇8
某工程是集商场、办公、公寓、车库、人防等功能于一体的综合性工程。总建筑面积29万m2，地下4层，底上10层裙楼，2座塔楼，A塔楼26层，高130.70m, B塔楼62层，高270.61m。塔楼基础为人工挖孔墩，持力层为微风化泥质粉砂岩，其余为天然地基。主体为框架-核心筒结构，B塔楼采用钢管混凝土柱。抗震设防类别为丙类，设防烈度为7度;框架剪力墙的抗震等级均为一级，结构安全等级为二级，耐火等级为一级。
一期已完成地下室和地面10层(并已投入正常营运)。
二期工程为两栋塔楼，其中A栋从11层至26层，B栋从11层至62层，在十一层板面上续建，总建筑面积118890m2。B塔楼46层以下采用钢管混凝土柱，47层以上为普通钢筋砼柱。钢管混凝土柱直径1100～800m2，采用Q345钢材，螺旋卷管，壁厚18～12m2，工厂焊缝为一级，现场焊缝允许按二级质量标准验收。设备层层高5.5m，标准层层高3.85m。钢管柱防火层采用50厚M20水泥砂浆，中间加一道钢板网。钢管砼柱有关情况如上表。
本工程自2005年8月17日开工，钢管柱于10月8日开始在工厂制作，10月17日开始现场安装, 2006年8月26日完成。从11层～46层，共分19段进行施工，第11、27和46层每层一段，其余每两层一段，每段作为一个施工验收批。
施工期间，我们恪守“追求卓越管理，奉献至诚服务，创造完美品质”的质量方针和“安全第一，预防为主”的安全方针，科学管理，精心组织，严把质量关、安全关，整个施工过程从未发生质量安全事故。
2 施工情况分析
(1) 成立了项目管理班子，制定了一系列质量保证措施和规章制度。
(2) 认真按图纸、施工组织设计、国家施工验收规范和工程建设标准强制性条文等组织施工，按国家工程质量评定标准进行跟踪检查，做到事事有检查、有监督、有记录，不放过每一环节，严格控制每一条轴线尺寸，对钢管柱工程都进行了严格检查，奖惩措施落实到位，确保了施工质量。
(3) 严把材料进场关，钢板、油漆等原材料，除保证具有出厂合格证和出厂检验报告外，现场有见证取样，按要求送检，检验合格后方允许使用。
(4) 为保证本工程产品质量，本工程钢柱所用板材均直接向钢直接订货，所有材料均按GB/T1591-94标准进行验收。钢材到厂后，依照生产厂家提供的材质报告，对钢材的炉、批号、规格进行核对，核对无误后，取样自检(工厂中试验室)。核对出厂合格证和实物无误后方允许进厂，钢材进厂后严格按见证取样送检，主体结构钢板原材共抽取试件19组，全部合格。钢管柱在制作过程中严格按工艺流程进行，接缝焊缝经超声波探伤检验，厂内100%自检，监督抽检10%，全部达到质量标准。检验合格后，请监理及业主见证取样，送有部门进行试验，合格后，才能使用。钢管柱成形后，将钢管柱打磨光顺，外表涂环氧富锌底漆，内表面涂水泥浆，然后将钢管柱的编号用白漆写在外表面。校正钢管柱时要用2台经纬仪在呈90度的两个方位进行观测，钢管柱校正后，由两个焊工对称点焊, 将钢管柱固牢，报验合格后，才能施焊。按焊接长度的20%抽检超声波探伤，且外观质量达到二级焊缝标准。钢管柱装焊完毕后，偏差均在规范允许之内，检验合格后，将有关数据填好表格，交监理、业主和总包复检。
焊缝探伤检测情况：探伤总量：1997.7m(检测性质：第三方抽检);螺旋焊缝为1794.2m(工厂埋弧自动全溶透一级焊缝，随机抽检10%);水平焊缝为203.5m(现场二氧化碳气体保护全溶透二级焊缝，随机抽检10%)。最后使用美国泛美公司生产EPOCHⅢ2300型数字式超声波探伤仪(K2.5斜探头，探伤频率2.5MHZ)进行探伤，结果未发现超标缺陷。
(5) 严格按《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)、《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81-2002)、《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28:90)、《高层民用建筑结构技术规程》(JGJ99-98)等技术标准和工程建设标准强制性条文等组织施工;
钢管柱材料采用Q345材料，剪力环及内衬管采用Q235材料;焊材埋弧自动焊采用H08MnA焊丝+HJ431焊剂;二氧化碳气体保护焊条采用ER50-6焊丝;手工焊采用E5016 (J506)焊条;防锈涂料钢管外表涂环氧富锌防锈底漆，内表面涂水泥浆。钢管主体对接焊缝为一级焊缝，100%超声波探伤合格，现场对接焊缝为二级焊缝20%超声波探伤合格，钢管柱外表除锈等级为Sa2级。
(6) 测量控制，每层轴线必须由专职测量员使用校验合格的测量仪器进行测量放线，并坚持复核制度。每层测量放线均须经过监理测量工程师复核;在施工过程中使用激光铅直仪进行垂直度控制，轴线、垂直度偏差均在要求范围内。
(7) 管内混凝土施工
管内混凝土设计强度等级为：11～37层—C60, 38～46层—C50。全部采用商品砼。管内混凝土浇灌，采用泵送、立式手工浇捣法，砼自钢管上口灌入，用振捣器捣实。本工程钢管砼柱设计为环梁接点，柱内除联接环外，再没有其他穿心构件通过，对砼浇灌非常有利。两层一节钢管柱，高度7.7米，采用漏斗—窜筒下料，一次浇灌高度不大于1米，三台振捣器在内部振捣不少于30s。砼接缝在管口下20cm处，即楼面上30cm左右，浇灌上节柱前先凿毛清洗干尽，下50mm厚同砼强度等级砂浆。砼养护采用蓄水10cm深并在管口加盖。混凝土配合比由砼公司设计计算并通过试验后确定，报监理、业主及总包核查备案，本工程钢管柱使用的C60、C50砼配合比如下表：
原材料方面：
水泥：P.0 42.5R
碎石：规格5～30mm;表观密度2650kg/m3;含泥量0.3～0.4%;针片状颗粒含量0～5%;掺量5～10=20%, 16～31.5=80%。
砂子:北江河砂Ⅱ区细度模数2.7含泥量0.4%
粉煤灰：Ⅱ级掺量12%
外加剂：SikamentNN/R掺量2.2%(40%浓度)
水：自来水
混凝土抗压强度统计表：
根据混凝土生产厂家和施工现场见证取样送检，混凝土抗压强度完全达到并高于国家标准，钢管柱混凝土质量满足设计和相关规范要求。
3 结语
根据现场检验和资料统计评定，本项工程符合《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300—2001的各项要求。