基于型鋼混凝土柱和鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的比較

【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土柱；型鋼混凝土柱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

　　隨著社會的發(fā)展，人們對建筑物的要求也越來越高。各種新技術(shù)被應(yīng)用到建筑業(yè)中，對于建筑物來說基本的設(shè)計(jì)就是建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)前在建筑中應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)是：剛一混凝土組合結(jié)構(gòu)。經(jīng)過不斷的改進(jìn)和優(yōu)化，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也更加的成熟，并逐漸的向結(jié)構(gòu)體系方面發(fā)展。承重構(gòu)件和抗側(cè)力構(gòu)件是組合結(jié)構(gòu)體系中最主要的構(gòu)成部分，一般采用的是型鋼混凝土和鋼管混凝土。將兩種結(jié)構(gòu)相結(jié)合應(yīng)用，可以提高建筑結(jié)構(gòu)的受力性能。在結(jié)合這兩種結(jié)構(gòu)的是要注意二者之間的差異，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)要注意到這一點(diǎn)。 

　　鋼管混凝土是指將混凝土填入薄壁圓形鋼管內(nèi)形成的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。由于混凝土不是一種均勻的材料，混凝土中砂石和骨料之間會有一些縫隙，當(dāng)超過混凝土的承受力時(shí)，混凝土的縫隙會繼續(xù)擴(kuò)大，使得混凝土分成若干與軸向壓力方向大致平行的微柱，進(jìn)而破壞混凝土。將混凝土填入到圓形鋼管內(nèi)，鋼管可以提供給內(nèi)部混凝土側(cè)向壓力，進(jìn)而限制混凝土之間的縫隙繼續(xù)擴(kuò)大，提高從而提高混凝土的抗壓性能和變形能力。在一些比較薄的鋼管內(nèi)部填入混凝土，內(nèi)部的混凝土對鋼管也起到了一定的支撐作用，可以防止鋼管承受壓力過大后發(fā)生變形和失穩(wěn)。通過以上分析總結(jié)出了鋼管混凝土柱的工作原理：鋼管混凝土柱利用的鋼管對內(nèi)部混凝土的側(cè)向壓力來達(dá)到約束混凝土的目的，鋼管內(nèi)部的混凝土受到的是三個(gè)方向上的應(yīng)力，限制了混凝土的縱向裂變，同時(shí)提高了混凝土的抗壓性能和壓縮能力。而在鋼管內(nèi)部填筑混凝土以后，可以提高鋼管本身的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了鋼管混凝土的抗壓性能。 

　　型鋼混凝土柱是指在配置混凝土?xí)r采用型鋼作為主要的受力骨架，其他的構(gòu)件采用鋼筋來受力。在配置混凝土?xí)r加入型鋼，使得混凝土和型鋼能夠相互制約。型鋼可以制約混凝土，提高混凝土的強(qiáng)度；而型鋼被混凝土包圍在內(nèi)側(cè)，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的承載力超過構(gòu)件以后，型鋼的局部不會發(fā)生變形。型鋼混凝土柱的承載力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼筋混凝土柱，由于型鋼混凝土柱的型鋼是集中配置的，鋼筋混凝土中的鋼筋是分散配置的，因此型鋼混凝土柱的剛度要比鋼筋混凝土剛度高。 

　　2.鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)與型鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)計(jì)算方法比較 

　　在計(jì)算鋼管混凝土承載力時(shí)參考的是套箍指標(biāo)，反應(yīng)鋼管混凝土的組合作用和受力性能的一個(gè)重要參數(shù)就是套箍指標(biāo)，數(shù)θ=As ×fs/ fc ×Ac ， θ范圍在0.3～3 之間， 下限0.3 是為了防止鋼管對混凝土的約束作用不足而引起脆性破壞， 上限3 是為了防止因混凝土強(qiáng)度等級過低而使結(jié)構(gòu)在使用荷載下產(chǎn)生塑性變形[1]。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：當(dāng)0 .3 ≤θ≤3 時(shí)，在正常的使用環(huán)境下，鋼管混凝土構(gòu)件的工作性能具有一定的彈性，當(dāng)達(dá)到一定的承載力以后鋼管混凝土依然有很好的延展性。在這種情況下，鋼管混凝土柱的抗壓性和承載力都得到了最大化的發(fā)揮，可以有效的避免因鋼管混凝土柱不穩(wěn)定而降低混凝土柱的承載力和軸心力的偏移，此外還要注意鋼管混凝土的長度和粗細(xì)的比例，其比值不能大于20（L＼D≤20），而軸壓力的偏心率不能大于1（e0＼rc≤1）。當(dāng)θ≥0.9時(shí)，在鋼管混凝土柱的應(yīng)力――應(yīng)變曲線中沒有下降的情況，當(dāng)軸壓比為1時(shí)，鋼管混凝土的抗彎能力仍滿足構(gòu)件的需求，在這種情況下可以不用限制軸壓比[2]。為了增強(qiáng)型鋼混凝土的延性和耗能性能，需要控制型鋼混凝土的軸壓比，在計(jì)算型鋼混凝土的軸壓比時(shí)可以用：N/（fc ×Ac + fa ×Aa）這個(gè)公式來計(jì)算。 

　　3.型鋼混凝土柱與鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)比較 

　　通過分析鋼管混凝土柱和型鋼混凝土柱的工作原理和計(jì)算方法，可以看出這兩種結(jié)構(gòu)的混凝土都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)和實(shí)際的應(yīng)用中，就要注意二者的不同，選擇合適的結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：第一，因?yàn)殇摴苣軌蛑萍s內(nèi)部的混凝土，使得混凝土受到三個(gè)方向上的應(yīng)力，提高了混凝土柱的抗壓強(qiáng)度。第二，填在鋼管內(nèi)部的混凝土又可以控制鋼管，防止鋼管發(fā)生局部的彎曲和變形，從而很好的提高了鋼管的抗壓強(qiáng)度。第三，與鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土柱的抗扭承載力和抗剪強(qiáng)度也都得到了很大的提升。此外，也提高了內(nèi)部的混凝土的抗壓強(qiáng)度，使得混凝土能夠發(fā)揮出高強(qiáng)度混凝土的作用。第四，與鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土需要承載的壓力更高，不用控制限壓比，混凝土柱截面的面積可以縮小到一半以上。第五，與型鋼混凝土柱相比，型鋼混凝土需要承載的壓力是鋼管和混凝土單獨(dú)承載力之和的2倍，因此可以減小截面的面積[3]。外部的鋼管對內(nèi)部的混凝土產(chǎn)生的套箍作用，當(dāng)柱發(fā)生破壞時(shí)，由直接性的破壞轉(zhuǎn)化為延性破壞。當(dāng)θ≥0.9時(shí)，在往復(fù)水平荷載的作用下，柱的延性得到了提升，具有很大的延性系數(shù)值。第六，采用的是管壁比較薄的鋼管，不用為了加厚鋼管而進(jìn)行額外的焊接加工工序。第七。在鋼管內(nèi)部填入混凝土以后，混凝土可以吸收外部的熱量，進(jìn)而提高了柱的耐火性能，進(jìn)而節(jié)省了一部分防火涂料。缺點(diǎn)是：鋼管混凝土容易產(chǎn)生橫向的壓縮和變形，對于樓層比較高的建筑來說，會有一定的風(fēng)險(xiǎn)。與型鋼混凝土相比，其連接點(diǎn)的的工序要復(fù)雜的多，在實(shí)際的施工過程中，澆筑樓板的混凝土要比澆筑鋼管混凝土快的多。為此在施工階段時(shí)，為了限制鋼管的初始壓應(yīng)力，需要依據(jù)施工階段的荷載來計(jì)算和驗(yàn)證鋼管的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 

　　型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：第一，與單純的鋼結(jié)構(gòu)相比，型鋼的混凝土柱外包的混凝土可以有效的抑制內(nèi)部型鋼的彎曲和變形，同時(shí)還能改善型鋼的平面外扭轉(zhuǎn)屈曲性能，從而充分的發(fā)揮鋼骨的鋼材強(qiáng)度，能夠節(jié)省大約一半以上的鋼材。第二，由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼比比較大，當(dāng)發(fā)生地震或刮大風(fēng)時(shí)，可以防止建筑物結(jié)構(gòu)的變形。第三，外包的混凝土可以延長混凝土柱的使用壽命，增強(qiáng)柱的耐火性能。第四，與單純的鋼筋結(jié)構(gòu)的混凝土柱相比，型鋼混凝土的壓彎承載力和受壓剪力都得到了很大的提升；同時(shí)框架梁到柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能也得到了改善；低周往復(fù)荷載下的構(gòu)件滯回特性、耗能容量以及構(gòu)件的延性均有較大幅度提高[4]。第五，構(gòu)件中的鋼骨可以作為施工階段的荷載，將構(gòu)件模板懸掛在鋼骨上， 就可以同時(shí)對多個(gè)樓層進(jìn)行灌澆混凝土等作業(yè)， 提高了施工的效率。型鋼混凝土的缺點(diǎn)是：不僅要制作和安裝鋼結(jié)構(gòu)，還要安裝支護(hù)模板、綁扎鋼筋、澆筑混凝土，工序繁瑣、工作量大，加大了施工的難度。在設(shè)計(jì)的過程中，工程師應(yīng)該結(jié)合工程的實(shí)際情況，盡量的發(fā)揮出這兩種柱的優(yōu)點(diǎn)，有效的避免缺點(diǎn)，從而才能體現(xiàn)出這兩種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。 

　　4.結(jié)束語 

　　通過分析鋼管混凝土柱和型鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)的工作原理和計(jì)算的方法，對這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。為了充分的發(fā)揮這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分的注意到二者結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并應(yīng)用到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系中，能與其他的構(gòu)件協(xié)調(diào)的工作。 

　　參考文獻(xiàn)： 

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　　[2] 肖建莊，楊潔，黃一杰，王正平. 鋼管約束再生混凝土軸壓試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào). 2011（06） 

　　[3] 唐國昱. 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 價(jià)值工程. 2012（21） 

　　[4] Jasim Ali Abdullah. 鋼管混凝土和套管混凝土短柱的抗剪強(qiáng)度和性能分析[J]. 鋼結(jié)構(gòu). 2010（03）