王遠(yuǎn)坤， 王林林

(大峘集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 211112)

鋼管混凝土在冶金工業(yè)廠房中的應(yīng)用*

王遠(yuǎn)坤， 王林林

(大峘集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 211112)

以唐山某工程為實(shí)例，討論了鋼管混凝土在冶金工程中的應(yīng)用，并采用 MIDAS軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)校核。通過分析工程案例及大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，闡述了鋼管混凝土運(yùn)用在冶金工程中所體現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)。

鋼管混凝土； 組合構(gòu)件； 冶金工程； MIDAS

引 言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代冶金工程對(duì)建筑材料以及建筑結(jié)構(gòu)的要求越來越高，不僅要求結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性等達(dá)到一定的要求，而且塑性和韌性也要滿足要求。如果用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，必將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的“肥梁胖柱”現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)影響設(shè)備的布置和使用空間。鋼管混凝土是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的一種，它能夠適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨度、重荷載以及承受惡劣使用條件的需要，符合現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)化要求。鋼管混凝土以其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)出現(xiàn)在冶金建筑結(jié)構(gòu)中，并逐漸形成了繼磚石結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)之后的第4種結(jié)構(gòu)，尤其在最近幾十年以迅猛的速度在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用，因而正被越來越廣泛地應(yīng)用于重型工業(yè)廠房、高層框架廠房和地下結(jié)構(gòu)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和建筑效果，鋼管混凝土在冶金行業(yè)中是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在冶金工業(yè)廠房中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)鋼管混凝土柱的抗壓和抗剪承載力高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，抗壓承載力為混凝土柱的一倍以上，同時(shí)抗剪承載力也比鋼筋混凝土柱高許多。和鋼柱相比，抗壓承載力雖略低，但卻無局部失穩(wěn)問題。而且鋼管混凝土的塑性好，防止了管內(nèi)混凝土的脆性破壞。

(2)擴(kuò)大了使用空間。由于鋼管混凝土柱的承載力高，不但柱子截面小，而且還可以采用大柱網(wǎng)、大空間的框架結(jié)構(gòu)體系。經(jīng)有關(guān)專家測算，在高層建筑中采用鋼管混凝土柱比采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)增加使用面積 3%～6%。

(3)柱子截面減小，降低了地基基礎(chǔ)的造價(jià)。采用鋼筋混凝土的高層建筑，其自重一般為1.5～2 t/m3(不包括基礎(chǔ))，而采用鋼管混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)時(shí)，一般自重都小于1 t/ m3，可以減小地基上單位面積荷載25%以上，因此，基礎(chǔ)尺寸也相應(yīng)減小，降低了基礎(chǔ)工程造價(jià)。

(4)鋼管混凝土柱的鋼管較薄，簡化了施工。在高層建筑中采用鋼管混凝土柱時(shí)，鋼管厚度一般不超過 40 mm，而采用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，需要的鋼板厚度可達(dá)80～100 mm甚至更大。這樣的厚板，目前國內(nèi)的產(chǎn)品質(zhì)量保證率很低，大部分需要從國外進(jìn)口。同時(shí)對(duì)厚板制作和對(duì)接的焊接質(zhì)量要求也很高，特別是現(xiàn)場進(jìn)行柱段對(duì)接焊接相當(dāng)困難，有時(shí)可能成為阻礙現(xiàn)場施工進(jìn)度的一個(gè)復(fù)雜工序。

(5)鋼管混凝土柱的耐火性能好。由于鋼管內(nèi)灌有混凝土，能吸收大量的熱能，因此，在遭受火災(zāi)時(shí)，管柱截面溫度場的分布很不均勻，增加了柱子的耐火時(shí)間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：若需達(dá)到一級(jí)耐火3 h的要求，鋼管混凝土柱與鋼柱相比，可節(jié)約防火涂料1/2～2/3甚至更多，隨著鋼管直徑增大，節(jié)約涂料也越多[1]。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 工程概況

唐山某鋼鐵集團(tuán)擬建設(shè)2×1 080 m3高爐噴煤工程，其中包括新建一座高爐噴煤主廠房。主廠房長29 m，寬11 m，高27 m。采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。主廠房內(nèi)設(shè)有2臺(tái)EM80中速磨煤機(jī)、9個(gè)噴吹罐、2個(gè)120 m3原煤倉、1個(gè)320 m3煤粉倉、2臺(tái)布袋除塵器。

主廠房樓面采用壓型鋼板組合樓面，墻面采用帶保溫雙層壓型鋼板。

工藝布置簡圖如圖1所示。

圖1 工藝布置簡圖

2.2 設(shè)計(jì)條件

2.2.1 總體指標(biāo)

根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范及設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

2.2.2 結(jié)構(gòu)作用參數(shù)

(1) 永久荷載：3.0 kN/m2；

(2) 可變荷載：3. 0 kN/ m2；

(3) 基本風(fēng)壓：0.55 kN/ m2；

(4) 基本雪壓：0.55 kN/ m2；

(5) 地震作用：根據(jù)文獻(xiàn)[2]，本項(xiàng)目所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比為0.04。

2.3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

本工程首先采用PKPM STS軟件建模，采用PKPM SATWE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析。并用MIDAS Gen進(jìn)行校核。在表1～4中，列舉了結(jié)構(gòu)自振周期和最大層間位移角的分析結(jié)果。驗(yàn)證結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

表1 MIDAS Gen結(jié)果

表2 PKPM SATWE結(jié)果

表3 Midas Gen層間位移角計(jì)算結(jié)果

表4 PKPM SATWE層間位移角計(jì)算結(jié)果

鋼管混凝土中柱采用Φ660 mm×12 mm鋼管，內(nèi)部澆筑C40混凝土。角柱采用Φ529 mm×10 mm鋼管，內(nèi)部澆筑C40混凝土。各截面材質(zhì)均為Q235B。

2.4 設(shè)計(jì)分析

2.4.1 建設(shè)施工的改進(jìn)效果

本工程鋼管混凝土柱采用單管柱，和普通鋼柱相比，零件少，焊縫短，而且柱腳構(gòu)造簡單，可以直接插入混凝土基礎(chǔ)的預(yù)留杯口中，免去了復(fù)雜的柱腳構(gòu)造；和鋼筋混凝土柱相比，免去了支模、綁扎鋼筋和拆模等工序，同時(shí)，由于減輕了自重，大大降低了施工強(qiáng)度。尤其近年來國內(nèi)采用高位拋落無振搗及泵送頂升混凝土施工工藝以后，不但大大簡化了現(xiàn)場施工，進(jìn)一步縮短了工期，而且確保了混凝土施工質(zhì)量。特別是對(duì)于高強(qiáng)度混凝土，可以避免其干硬，不易在鋼筋籠中澆灌的缺點(diǎn)，效果更為明顯。

本次鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用，解決了公司在噴煤主廠房工程中長期存在而未能解決的“胖柱”問題，提高了建設(shè)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4.2 鋼管混凝土框架具有較好的抗震性能

主要表現(xiàn)在：

(1)在框架中使用鋼管混凝土柱，可以有效的改善框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和側(cè)向變形不易滿足建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范要求的缺點(diǎn)。

(2)在鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)中采用加強(qiáng)環(huán)板進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)的加強(qiáng)，可以有效的加強(qiáng)框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震能力，使結(jié)構(gòu)在受力過程中，節(jié)點(diǎn)不發(fā)生破壞。

(3)鋼管混凝土框架的抗側(cè)剛度和承載力較高，且有很好的延性和耗能能力。如果合理地設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)梁和柱的抗彎能力加以提高，則鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的變形和耗能能力將會(huì)得到更好的改善。

(4)由于鋼管混凝土構(gòu)件的抗彎和抗剪性能好、剛度大、延性好、耗能能力強(qiáng)，因而用作重載建筑中的柱子時(shí)，可以做到不限制軸壓比，僅控制長細(xì)比。高層冶金工業(yè)建筑中用鋼管混凝土柱時(shí)，可以比鋼筋混凝土柱減少柱截面的50%甚至更多，從而獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(5)當(dāng)鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)柱的直徑與鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)柱的相等、長細(xì)比相同時(shí)，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的各控制位移大于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位移；鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)和彈性抗側(cè)剛度均比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的大；鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的屈服荷載大于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的屈服荷載。說明鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)較鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能好、抗震能力強(qiáng)。

2.4.3 研究方向

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)際施工時(shí)仍出現(xiàn)一些問題，建議下一步將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

(1)施工力學(xué)問題的研究：在進(jìn)行鋼管混凝土構(gòu)件的施工時(shí)，一般都是先安裝空鋼管結(jié)構(gòu)，這時(shí)空鋼管單獨(dú)承受施工荷載，當(dāng)采用泵送頂升法工藝進(jìn)行核心混凝土施工時(shí)，將在空鋼管內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)壓力，從而可能導(dǎo)致在鋼管局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致鋼管脹裂，由于上述原因?qū)е铝艘恍┕こ淌鹿剩斐刹煌潭鹊膿p失，因此，應(yīng)對(duì)類似的鋼管混凝土施工力學(xué)問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并提供合理的施工方法。

(2)核心混凝土質(zhì)量問題的控制：在進(jìn)行鋼管混凝土構(gòu)件的施工時(shí)，鋼管結(jié)構(gòu)的制造及其核心混凝土的澆灌應(yīng)分別符合現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，但鋼管混凝土的施工有其特殊性，即混凝土被外圍鋼管所包覆，造成澆筑質(zhì)量難以控制，由于對(duì)該問題處理不當(dāng)，已有一些事故發(fā)生。

混凝土澆灌質(zhì)量的好壞將直接影響到鋼管混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，正是由于混凝土被外圍鋼管所包覆，也造成了測定其澆筑質(zhì)量的復(fù)雜性。研究結(jié)果表明，混凝土密實(shí)度對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能影響很顯著，在對(duì)鋼管中混凝土澆灌質(zhì)量問題研究時(shí)，要充分考慮控制混凝土強(qiáng)度和密實(shí)度，前者可以保證混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，后者可以保證鋼管和核心混凝土相互協(xié)同作用的充分發(fā)揮[3]。

3 結(jié)束語

鋼管混凝土在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是提高抗壓承載力，擴(kuò)大建筑物使用空間的有效途徑之一，在很多方面要優(yōu)于以往采用的混凝土框架，值得進(jìn)一步研究和在高爐構(gòu)架、通廊支架以及煉鋼廠房中推廣應(yīng)用，可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

[1] 劉冬冬.淺談鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與優(yōu)缺點(diǎn)[J].黑龍江科技信息，2010，(7)：243.

[2] GB50010-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010.

[3] 李斌.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

2015-04-29

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