混凝土柱—钢梁结构体系设计探讨

混凝土柱—钢梁结构体系设计探讨

王世雄

中信建筑设计研究总院有限公司 ,湖北省武汉市 430014

摘要：钢管混凝土结构是指在钢管内填充混凝土使其约束核心混凝土共同承受外界荷载的组合构件，因为兼具钢材和混凝土两种材料的力学性能优点，服役过程中可以充分发挥两者的材料性能，被广泛应用于拱桥拱肋、设备支柱、桁架压杆、地下结构、住宅厂房及高层建筑等结构。在钢管混凝土柱中，益于钢管的约束作用，核心混凝土不会过早的发生破坏，同时核心混凝土的支撑作用也避免了钢管发生局部屈曲，钢管和混凝土的相互作用使组合构件的力学性能发挥到了极致，构件即使在破坏时也能表现出较好的塑性变形能力，因此具有广阔的工程应用市场。目前，国内外学者也对钢管混凝土构件进行了诸多研究工作，并取得了丰富的研究成果。本文基于混凝土柱—钢梁结构体系设计探讨展开论述。

关键词：混凝土柱；钢梁结构体系；设计探讨

引言

门式刚架轻钢结构因其自身特有的优越性，在我国单层工业厂房中得到了广泛的应用。近年来由于降低造价或防火、防腐的需要，很多业主要求采用混凝土柱—钢梁结构这一新型结构体系。混凝土柱—钢梁结构体系与门式刚架轻钢结构相比较，可以节省钢材和降低防火、防腐费用;与传统的排架结构(三角形或梯形钢屋架)相比较，混凝土柱—钢梁结构造型简洁，加工和维护更方便。混凝土柱—钢梁结构在现行的国家、行业设计规范中并没有明确相应的设计方法和构造要求。笔者通过对相关文献的比较分析，结合工程设计实践，探讨一下这种新型结构体系的设计要点。

1钢管混凝土组合结构特性

现阶段我国建筑工程大部分还是采用钢筋混凝土与钢结构两种材料。但钢筋混凝土抗裂性较差，受拉和受弯等构件在正常使用时往往带裂缝工作。当不允许出现裂纹或对裂缝宽度有严格限制时，就要采用预应力混凝土结构。此外，钢筋混凝土结构的施工复杂、工序多。而钢结构容易在没达到材料强度之前就出现失稳问题，同时耐腐蚀性差、耐火性能差。钢管混凝土将两种材料组合在一起，在受力时两种材料优势互补，具体体现在以下方面：（1）改善延性。钢管能改变混凝土的破坏性质，对其的约束作用和套箍很像，增加其延性，能耗水平也得以提高。圆钢管混凝土能使内部的混凝土三向受力，增加其抗压强度。（2）施工简单。与钢筋混凝土相比，钢管一次成型，不仅能在受力时能发挥作用，同时在施工时起到了模板定型作用，省去了绑扎钢筋的时间，降低了施工难度，同时也省去了一定的钢筋用量，从而更加经济。（3）稳定性较强。一般钢结构的截面较小，厚度也不大，但在钢管内浇筑混凝土，能够有效防止钢管发生局部屈曲，很大程度提高了钢管的局部稳定性和整体稳定性。（4）耐腐蚀较好。通过将混凝土注入钢管当中，可以有效减小钢管与外界之间的接触面积，由此可以减少腐蚀面积，提高钢结构的使用寿命，这样就可以有效地降低使用后期对于钢结构的维护费用。（5）耐火性能较好。在建筑物的使用过程中，稍有不注意就容易发生火灾，所以一般建筑物都需要有一定的抗火性，而钢结构在高温中很容易因为强度的降低而发生弯曲。但是如果钢管内灌有混凝土，钢结构就能够将一定的温度传递给约束住的混凝土，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。

2设计特点

相对于钢结构，钢管混凝土的用钢量比较低，但比钢筋混凝土的结构稍高一些，通过两种材料的共同工作原理，使混凝土和钢的受力都处在最佳的状态，两种材料力学性能够充分地发挥出来。既能够使破坏构件的脆性得以缓解，又能够使抗震能力得以提高，构件断面的尺寸减小。在综合技术经济指标上，两种材料都具有很大的潜力和优势。无论是混凝土材料的性质，还是钢管材料的性质，钢管混凝土都具有，轴向压力对钢管混凝土进行作用，钢管的径向和轴向受到压力以后，拉动了环向，而混凝土三向都受压，混凝土和钢管都处在三向受压的状态。混凝土由于三向受压，很大程度提升了抗压的强度，并且增大了塑性，而物理性能质的变化发生了，以往脆性的材料向塑性的材料转变。其一，超高层钢管混凝土柱，无论是结构抗压，还是抗剪承载力，都比较高。其二，相对于钢筋混凝土柱，钢管混凝土柱的截面能够减少60%，从而使应用建筑物的空间扩大了。其三，减小钢管混凝土柱的截面和自重，对于结构抗震非常有利。其四，钢管混凝土柱中的混凝土，能够将热能大量地吸收，耐热性超过了钢柱。其五，钢管的壁比较薄，既便于制造和选材，又便于现场的焊接，在工程施工中，属于最快捷的建筑结构。其六，钢管柱内侧，运用高强度C60混凝土填充，利用C35混凝土作为保护层，对外侧进行保护，对于处理钢管柱防火非常有利。

3结构形式

混凝土柱—钢梁结构体系的柱采用钢筋混凝土柱，屋面梁采用实腹式斜钢梁，屋面采用轻型屋面体系。由于混凝土柱与钢梁的连接很难实现刚接，所以一般钢筋混凝土柱与钢梁的连接采用铰接形式，混凝土柱底采用刚接连接。混凝土柱—钢梁结构刚开始出现的时候，由于现行的国家、行业设计规范没有对这种新型结构体系的受力分析、变形限值及板件的宽厚比等做出专门规定，一些设计人员将其与门式刚架轻钢结构混淆，进入设计误区:例如参考单跨门式刚架轻钢结构，将混凝土柱—钢梁结构中的大跨度钢梁两端通过两个锚栓固定在混凝土柱顶(典型的铰接构造)，建模计算按照梁端刚接将钢梁设计成梁端截面大、跨中截面小的变截面梁，并且钢梁的挠度限值按照门式刚架轻钢结构的限值控制，做出了不少存在安全隐患的结构设计。

4钢管混凝土柱与钢梁节点性能

随着我国高层、超高层建筑技术的迅速发展，钢管混凝土结构因其承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能较强、经济效果较好而发展迅速。由于梁柱节点是各种力的交汇之处，节点受力模式较一般构件更为复杂，特别是在地震的作用下，节点的受力更为复杂，而且节点联系着多个构件，故其失效的后果更为严重，因此，节点受力是否合理直接关系到结构的安全可靠性。部分建筑的剪力墙需要较高的强度和较大的厚度，因此，节点设计要保证其强度高于钢板的拉伸强度，在连接的过程中可以采用高强螺栓，但是，螺栓使用过多，孔位位置确定的难度会相应增加，进而导致施工难度加大。通过对4个方钢管混凝土中柱与钢梁外加强环式节点的拟静力试验研究，可得到以下结论：（1）方钢管混凝土柱与钢梁的外加强环节点随着水平荷载的逐级增加，承载能力增加，极限位移和破坏位移也有相应的增加，但是，总体增长幅度较小。（2）钢管混凝土节点试件的等效粘滞阻尼系数大于钢筋混凝土节点的等效粘滞阻尼系数，且不小于型钢混凝土节点的等效粘滞阻尼系数，由此可以说明，这种节点具有较好的耗能能力。

结束语

钢管混凝土柱-钢梁节点是现阶段工程施工过程中十分常见的一种结构，这种结构相比于传统的施工结构来说有着十分明显的优势，因此，在施工中的应用范围也越来越广泛。其不仅受到了广大业主的欢迎，也受到了广大工程施工人员的欢迎，尤其是在高层建筑的施工过程中，这项技术能够大大提升建筑物整体的稳定性和实用性，具有较高的推广价值。通过比较分析，笔者认为混凝土柱—钢梁结构中的斜钢梁可以按照GB50017—2017钢结构设计标准进行设计，腹板可以考虑屈曲后强度，并且应按照GB51022—2015对钢梁承载力进行校核以考虑轴力的影响，否则可能存在安全隐患。

参考文献

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