型钢混凝土柱和钢管混凝土柱结构设计比较

型钢混凝土柱和钢管混凝土柱结构设计比较第34卷第35期

2008年12月

山西建筑

SHANXIARCHITEn瓜E

V01.34No.35

Dec.2008?101?

文章编号:1009—6825(2008}35—0101.02

型钢混凝土柱和钢管混凝土柱结构设计比较

王越

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

中图分类号:TIJ318文献标识码:A

随着建筑结构科技和建材不断发展,钢一混凝土组合结构经

过多年的研究和实际应用而日趋成熟,并已由构件层次向结构体

系方面发展.在组合结构体系中的承重构件或抗侧力构件应用

较多的应该是型钢混凝土和钢管混凝土,两种组合形式的构件受

力性能均优于单纯的钢筋混凝土结构或钢结构,但二者在组合形

式基本原理,计算方法以及构造要求等多方面均存在很大差异,

这也使得二者在实际应用中存在许多不同点,需要结构工程师在

设计中加以注意.现以型钢混凝土柱和钢管混凝土柱为例,对二

者加以比较,希望能发现二者各自的特点,对结构设计工作提供

一

些参考.

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着提高,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.

用,软件对所建模型进行三维分析,软件的分析计

算过程我们在此就不赘述.但这种方法对楼板的模拟与实际工

程情况有一些出入,因此我们建议采用SATWE软件进行计算更

为准确.在采用SATWE软件分析时,根据工程具体情况,设定

参数,由于SATWE软件具有考虑楼板弹性变形的功能,可以采

用弹性楼板单元较为真实的模拟楼板的刚度和计算变形,即在特

殊构件补充定义中,将实心加强板处定义楼板为弹性楼板6,计算

方法采用总刚分析法.

4.4内力分析与比较

当采用相同的结构计算模型时,内力计算结果与采用《混凝

土密肋及井式楼盖设计手册》手算的结果相比,SATWE软件内力

计算结果和手算结果相近.

4.5结构配筋

结构计算配筋可根据计算结果按工程师的习惯进行配置和

调整,建议板的配筋采用冷轧扭钢筋或冷拔带肋钢筋,主肋梁采

用HRIM00钢筋,可进一部降低用钢量.

5结语

本文采用PKPM系列软件探讨了工程界常用的无主梁和有

主梁正交双向密肋楼盖结构的分析方法与设计工作,在与其他分

析方法进行对比的基础上得出了相关的重要结论与建议,可供结

构设计人员进行正交双向密肋楼盖的结构分析和设计参考0

参考文献:

[1]张会斌,张昀青.现浇空心无梁楼盖工程实例[J].建筑技

术,2002,12(33):9-10.

[2]张建新,李晓君,盛文考.现浇混凝土空心楼板的施工[J].

工程质量,2004(9):16—18.

[3]刘群,杨进春.大跨度空间密肋楼盖设计计算的拟板解法

[J].建筑科学,1997(6):13.14.

[4]申云安,申星煜.现浇钢筋混凝土空心无梁楼盖的特性与研

究[J].山西建筑,2007,33(8):72.73.

Studyonstructureanalysismethodofbi—directionalorthogonalityribbedfloor

YANYu-feng

Abstract:AccordingtothecornlTlonbi—directionalorthogonalityribbedfloorwiththemaingirderandthebi—directionalorthogonalityribbed

floorwithoutthemaingirder,theauthorusesPKPMseriessoftwaretostudythecalculationmethodofthestructureanalysis,andcomparesit

withtheothercalculationmethod,whichputsforwardtheconcretesuggestionsforthestructureanalysisandthedesignoftheribbedfloor,tO

promotetheapplicationoftheribbedfloor.

Keywords:bi.directionalorthogonalityribbedfloor,PKPMseriessoftware,structureanalysis,structuredesign

收稿日期:2008—08—04

作者简介:王jt~(i973.),男,工程师,天津天友建筑设计有限公司,天津300384

.

102.努山西建筑

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,两种钢一混凝土组合形式

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￡..取0.003,相应的最大压应力取混凝土轴心抗压

强度设计值.,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e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0=A×/L×A,o宜限制在o.3～

3之间,下限o.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o.3≤

≤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eo/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≤】j6l0中,≯1为考虑长细比影响

的承载力折减系数,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/(.×Ac+.×Aa)计算.而钢管混

凝土柱在≥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,并能显着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.夕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%;框架梁一柱节点的抗震性能得

到显着改善;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≥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

这两种钢一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.

参考文献:

[1]JGJ138—2001,型钢混凝土组合结构技术规程[S].

[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$ilcr-~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

lM].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[4]聂建国,刘明,叶列平.钢一混凝土组合结构[M].北京:

中国建筑工业出版社,2o05.

Comparisonofthestructuredesignsofsteel

barconcretepillarandsteelpipeconcretepillar

WANGYue

Abstract:Itcomparestheworkinglawandcalculationmethodofsteelbarconcretepillarandsteelpipeconcretepillar,ana