空心钢管混凝土在工业厂房中的应用研究★

邓爱汇 曹旺明 孔德睿

(1.广州华商职业学院,广东 广州 511300； 2.佛山市百安居减震科技有限公司,广东 佛山 528000)



空心钢管混凝土在工业厂房中的应用研究★

邓爱汇1曹旺明1孔德睿2

(1.广州华商职业学院,广东 广州 511300； 2.佛山市百安居减震科技有限公司,广东 佛山 528000)

介绍了空心钢管混凝土构件的承载力计算方法，通过对某工业厂房分别建立型钢和空心钢管混凝土的有限元分析模型，对比分析了不同结构的抗震性能及经济性，结果表明，空心钢管混凝土具有良好的抗震性能，且能够节约建造成本。

空心钢管混凝土，有限元模型，抗震性能，承载力

0 引言

空心钢管混凝土是在钢管中放入适量的混凝土，经高速离心搅拌养护之后形成具有一定厚度且中空的钢管混凝土构件[1]，其常见截面形式如图1所示。这种新型钢—混凝土组合结构既可以充分发挥钢材和混凝土的优点大大提升稳定性和力学性能，又避免了这两种材料单独应用时的弱点[2]。空心钢管混凝土结构最早用在电力工业中，而在工业厂房中则应用较少。随着经济能力的提升，我国工业厂房从最初的砖砌结构逐步发展为混凝土结构、型钢结构等，结构体系和组合形式也越来越多[3]。空心钢管混凝土不受规格的限制、拥有比混凝土大的承载力，且质量更小等优点正符合工业厂房建造的需求。

徐国林等进行了一系列空心钢管混凝土结构的试验研究，结果表明钢管与混凝土的结合具有良好的共同工作性能和力学性能；钟善桐等研究了空心钢管混凝土在轴心受压下的工作性能和承载力，推导出在轴心受压时钢管混凝土柱的统一强度和稳定承载力设计公式，为设计提供方便[1]；查晓雄等基于统一计算公式的基础得到可以同时适用于实心和空心的轴压承载力统一计算公式，并提出再生空心钢管混凝土内部二氧化碳高压碳化深度的理论计算公式和构件骨架曲线理论模型及位移延性系数简化计算公式[5]；卢德辉基于OpenSees计算平台将已有的有限元模型计算结果进行对比验证得到轴压比、长细比各参数对空心钢管混凝土压弯构件滞回性能的影响规律[7]。

本文结合某工业厂房分别建立采用型钢、空心钢管混凝土的有限元分析模型对其抗震性能和经济性能展开分析。

1 空心钢管混凝土构件承载力计算

我国现行规范中由于套箍系数物理意义不明确、没有体现空心率影响下的连续性要求及混凝土抗压强度调整系数不够准确等因素的影响，结合文献[7]将采用修正后的简化公式进行承载力计算：

其中，fsc,ξm，fc分别为空心钢管混凝土抗压强度设计值、套箍系数设计值和混凝土的抗震强度设计值；B，C分别为考虑钢材、混凝土对套箍效应的影响系数。为了验证修正后的承载力计算公式有效性，文献[6]进行空心钢管混凝土短柱轴压试验，并将修正后的空心钢管混凝土轴压承载力计算结果与试验结果进行对比，结果表明：修正值与试验值比值的均值为0.910，均方差为0.014 8，原公式计算值与试验值比值的均值为0.974，均方差为0.013 1，可见修正后的钢管混凝土轴压承载力统一设计公式计算结果与试验结果吻合良好。

2 工程案例分析

2.1 工程概况

某工业厂房项目位于珠海市，厂房受力体系选用门式刚架，平面尺寸长、宽分别为450 m，60 m，檐口高度14 m。单跨部分跨度30 m，两跨部分分别为30 m和24 m，最大柱距7.5 m。该工业厂房耐火等级为二级，主体结构钢材采用Q345-B型钢材进行焊接，围护结构采用Q235冷弯薄壁型钢，结构重要性为二类，设计使用年限50年。抗震设防为7度设防，场地类别Ⅲ类，本工程有限元分析模型及柱节点编号如图2所示。

分别对该工程进行钢结构柱和空心钢管混凝土柱的设计，采用刚度等效的替代原则进行构件尺寸换算。在进行空心钢管混凝土柱的设计中尽量使用较低的空心率和较大的直径以确保此次设计合理有效，表1，表2分别为结构型钢柱截面和空心钢管柱截面参数。

表1 型钢柱截面设计

表2 空心钢管混凝土柱截面设计

2.2 反应谱分析

通过ETABS中设置反应谱分析工况，能够得到模型中的每个节点的位移和柱底反力，进行分析可得：钢柱厂房的最大柱顶位移为10.60 mm，空心钢管混凝土柱厂房的最大柱顶位移为6.95 mm，空心钢管混凝土柱设计的厂房在地震作用下柱顶的位移小于钢柱设计的厂房柱顶位移；钢柱厂房的最大柱底剪力为58.68 kN，空心钢管混凝土柱厂房的最大柱底剪力为70.20 kN，空心钢管混凝土柱设计的厂房在地震作用下柱底反力大于钢柱设计的厂房柱底反力，表明在地震作用下空心钢管混凝土柱与型钢柱相比刚度增大、位移响应变小，具有较好的抗震性能。表3，表4分别为关键节点位移与柱底反力对比。

表3 部分节点位移对比

2.3 经济性对比

经统计得钢柱厂房柱子部分钢材用量为134 783.8 kg；空心钢管混凝土柱厂房柱子部分钢材用量为103 495.1 kg，比钢柱钢材用量少了31 288.7 kg，但增加了混凝土用量250.29 kg,经统计计算，采用型钢总费用56.04万元，采用空心钢管混凝土总费用52.54万元，空心钢管混凝土较型钢总费用降低了约6%，表明经济投入有一定节约。

表4 部分柱底反力 kN

3 结语

1)空心钢管混凝土在电力建设行业中已具有广泛应用，因其具有刚度大、节省钢材及施工方便等因素，可以引用到工业厂房的建造中；

2)通过对珠海市某工业厂房建造工程，分别建立型钢截面和空心钢管混凝土截面的有限元分析模型，结果表明地震作用下钢柱厂房的最大柱顶位移为10.60 mm，空心钢管混凝土柱厂房的最大柱顶位移为6.95 mm；钢柱厂房的最大柱底剪力为58.68 kN，空心钢管混凝土柱厂房的最大柱底剪力为70.20 kN，表明空心钢管混凝土具有良好的抗震性能，且能够对建造成本有一定的节约。

[1] 钟善桐.钢管混凝土统一理论与应用[M].北京：清华大学出版社,2006.

[2] 贾磊鹏，郭子雄，刘 阳，等.核心钢管混凝土短柱轴压受力机理及设计方法研究[J].地震工程与工程振动,2015,35(3):79-85.

[3] 欧妍君，陈 星，李 欣.新型钢管空心混凝土板技术[J].建筑结构，2007,37(9):123-125.

[4] 吴中军，张燎军，张晓莉.空心钢管混凝土组合柱抗震性能研究[J].水电能源科学,2013,31(2):116-119.

[5] 李卫秋,查晓雄.空心普通和再生钢管混凝土柱抗震性能研究Ⅰ：试验与有限元研究[J].建筑钢结构进展，2012,14(3):27-35.

[6] 王宏伟，卢德辉,周 云.圆、方形空心钢管混凝土柱抗震性能试验研究[J].地震工程与工程振动,2014,34(2):129-136.

[7] 王宏伟,卢德辉.基于统一理论的空心钢管混凝土轴压承载力计算[J].广州大学学报(自然科学版),2011,10(1):48-53.

The application and research on concrete-filled steel tubular hollow in industrial workshop★

Deng Aihui1Cao Wangming1Kong Derui2

(1.GuangzhouCareerAcademy,Guangzhou511300,China; 2.FoshanB&QTechnologyLimitedCompany,Foshan528000,China)

This paper introduced the bearing capacity calculation method of concrete-filled steel tubular hollow component, through respectively establishment of finite element analysis model of shape steel and concrete-filled steel tubular hollow to an industrial plant, compared and analyzed the seismic performance and economy of different structure, the results showed that the concrete-filled steel tubular hollow had good seismic performance, and could save the construction cost.

concrete-filled steel tubular hollow, finite element model, seismic performance, bearing capacity

1009-6825(2016)28-0043-02

2016-07-26 ★ ：校级青年教师重点教研类资助项目(项目编号：GHS20150208)

邓爱汇(1990- )，男，硕士，助教

TU973

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