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矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟分析-管材展-鋼管展-2016廣州國際管材展－中國展出效果最好的管材展-巨浪展覽-The 17th China(Guangzhou)Int'l Tube&Pipe Expo
2015年10月30日 管材展-鋼管展-steel tube expo-tube &pipe expo |
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特種結(jié)構(gòu)bookmark0編者按：鋼管砼結(jié)構(gòu)是一種新型建筑構(gòu)件，薄壁鋼管內(nèi)填灌素砼，有效地提高了鋼管局部穩(wěn)定，在鋼管緊箍下，核心砼處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，提高了砼材料性能。鋼管與砼相結(jié)合充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，承載力大大提高，從而使構(gòu)件截面減小，整體重量減輕，節(jié)省了材料和造價。鋼管砼構(gòu)件可在工廠預(yù)制，作為一種建筑產(chǎn)品，運到施工現(xiàn)場組裝，加快了施工進程。
矩形鋼管砼構(gòu)件作為建筑中的梁和柱，其塑性和韌性都很好，而且節(jié)點處理方便，目前己得到廣泛地應(yīng)用，取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。有些國家還制定了相應(yīng)的規(guī)范。目前鋼管砼結(jié)構(gòu)設(shè)計理念基本上還是簡單的疊加思想，沒有發(fā)揮鋼與砼2種材料組合后的性能優(yōu)點。矩形鋼管砼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有必要進一步研宄與探索，尋求鋼管與砼之間相互作用而產(chǎn)生的效應(yīng)，進而計算不同標(biāo)號材料組成的構(gòu)件，在不同荷載形式下的極限承載力，同時確定實用計算方法和設(shè)計理論，通過試驗驗證而用于實際工程設(shè)計。
在鋼管砼中摻合少量鋼纖維來提高和改善砼的受力性能是一種較好的方法，用聚合物拌合鋼纖維，又增強了砼與鋼纖維的粘結(jié)力。通過試驗證實了這些措施可提高鋼管砼結(jié)構(gòu)的承載能力。
鋼管砼結(jié)構(gòu)的試驗研宄是一種創(chuàng)新和有益的探索，本刊將陸續(xù)刊載此方面的一些優(yōu)秀文章。
矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟分析沈之容蔣濤（同濟大學(xué)上海200092）形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在多層住宅領(lǐng)域中有較好的經(jīng)濟效益。
多層住宅采用矩形鋼管混凝土構(gòu)件組成框架剪力墻結(jié)構(gòu)是目前較先進的一種結(jié)構(gòu)體系。由矩形鋼管混凝土柱和梁組合成剛性連接的框架結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆混凝土樓板、鋼結(jié)構(gòu)支撐、新型輕質(zhì)內(nèi)外墻體這種結(jié)構(gòu)體系具有很好的經(jīng)濟和社會效益。
矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在薄壁鋼管內(nèi)充填素混凝土，有效地提高了鋼管的局部穩(wěn)定，鋼管對混凝土的緊箍作用又提高了混凝土的承載能力。鋼管與混凝土相結(jié)合，相互取長補短，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢。試驗研究表明：鋼管混凝土的承載力與同樣截面尺寸的兩種材料，分別計算其承載力之和比較要高出1. 7倍1，因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)揮了兩種材料的潛力，可使構(gòu)件截面減小，承載能力提高，整體重量減輕。
鋼管混凝土構(gòu)件一般都是在工廠預(yù)制，營造成一種建筑產(chǎn)品，運到施工現(xiàn)場進行組裝，可以說是全新的工業(yè)化、標(biāo)準化和集約化的房屋生產(chǎn)方式。采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)房屋體系是加快城市舊區(qū)改造，實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化，提高住宅經(jīng)濟和社會效益的重要措施。
一、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)比較多層住宅最傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式是磚與混凝土的混合結(jié)構(gòu)。一般做法是：承重墻采用普通磚墻結(jié)構(gòu)，構(gòu)造柱與圈梁均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，樓板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，基礎(chǔ)承臺亦為現(xiàn)澆混凝土。由于上海（這樣的地區(qū)）屬于軟土地基，6層以上住宅必須采用基。
為普通6層住宅，1梯2戶標(biāo)準層建筑平面圖，其平面面積每層223.56m2+13.44m2（陽臺）=237m2，6層總面積為1422m2.根據(jù)計算：房屋山墻及橫向承重隔墻采用37墻，縱向外墻及內(nèi)隔墻采用24墻，填充墻為12墻，均為普通磚；樓板為厚度100mm的現(xiàn)澆混凝土板（C30）；構(gòu)造柱和圈梁均為鋼筋混凝土（C30）；基礎(chǔ)承臺為現(xiàn)澆混凝土（C25），并采用200X200X16000預(yù)制方（C25）。磚混結(jié)構(gòu)材料用量：墻磚558. 66m3，混凝土用量369.單位面積用磚量0.393m3，混凝土量0.260m3，結(jié)構(gòu)，柱與梁均采用矩形鋼管混凝土，柱截面為200X200mm（邊柱）和200X（中間柱）；梁截面為150X250mm（邊梁）和150X300mm（中間梁）；鋼管材料均為Q235鋼，壁厚4mm，素混凝土用C50.樓板為壓型鋼板現(xiàn)澆混凝土，厚度為80，柱間設(shè)角鋼支撐，主要布置在房屋兩端，采用150~200厚加氣混凝土砌塊內(nèi)外墻。基礎(chǔ)為片筏基礎(chǔ)，底板厚度250mm，立柱之間有地梁并與筏基現(xiàn)澆成整體。其材料用量為：鋼管38.25t梁、柱素從上述分析可見，混合結(jié)構(gòu)造價比鋼管混凝土結(jié)構(gòu)造價便宜55元/m2，相當(dāng)于便宜9%.鋼管混凝土柱和梁都是工廠預(yù)制，現(xiàn)場組裝，施工周期大大縮短。6層鋼管混凝土住宅，采用輕質(zhì)墻體其整體重量相當(dāng)于同樣建筑面積混合結(jié)構(gòu)的60%；壓型鋼板混凝土樓面施工時可免除支撐，甚至可以隔層同時施工，加快施工進度；鉸接柱改善了基礎(chǔ)受力，6層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)房屋整體重量相當(dāng)于4層普通磚混結(jié)構(gòu)重量，故不需打，節(jié)約了基礎(chǔ)造價。所以兩種結(jié)構(gòu)方案進行綜合比較可以說大致持平。
二、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與輕鋼結(jié)構(gòu)比較如果上述鋼管混凝土結(jié)構(gòu)全用輕鋼結(jié)構(gòu)代替，將會加整體造價。表1為鋼管混凝土和輕鋼結(jié)構(gòu)常用截面的技術(shù)經(jīng)濟比較。
同樣高度（跨度）柱和梁的兩種結(jié)構(gòu)比較，其極限承載力差不多，但造價大不相同，輕鋼結(jié)構(gòu)比鋼管混凝土貴2 8倍（柱）和1.96倍（梁），性價比要降低33%（柱）和53%（梁）。
在同一建筑中（），輕鋼結(jié)構(gòu)梁柱代替鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，柱為高頻電焊H型鋼300X150X6\10（邊柱）和300\200\6父10（中間柱），所有柱均外包C30厚50mm的混凝土，用12Y0鋼筋加強，梁也是高頻電焊H型鋼350X（邊梁）和400X 10（中間梁），不包混凝土，梁與柱節(jié)點為剛性連接，可免去抗剪支撐。鋼材為Q345鋼，可充分利用高強輕質(zhì)特點。樓板仍為鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，與梁用19mm的栓釘連接形成鋼梁混凝土樓板的組合結(jié)構(gòu)，柱與基礎(chǔ)鉸接。
內(nèi)外墻仍用輕質(zhì)加氣混凝土砌塊。
表1鋼管混凝土與輕鋼結(jié)構(gòu)比較輕鋼結(jié)構(gòu)柱和梁輕鋼結(jié)構(gòu)的材料用量：H型鋼（Q345鋼）66t，連接件等480kg柱外包混凝土和樓板混凝土195m3，基礎(chǔ)混凝土（C25）118m3，折合單位面積用鋼量457kg混凝土用量0.22m3.結(jié)構(gòu)造價約為712元/m2.從上述分析可見，輕鋼結(jié)構(gòu)造價比鋼管混凝土結(jié)構(gòu)造價貴102元/m2，比混合結(jié)構(gòu)造價貴157三、鋼管混凝土構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計多層住宅采用矩形鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)，與磚混結(jié)構(gòu)或輕鋼結(jié)構(gòu)比較，優(yōu)勢是明顯的，即比磚混結(jié)構(gòu)施工要快很多，比輕鋼結(jié)構(gòu)造價要低不少。
但是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)還有鋼管壁厚和混凝土強度搭配的問題。一般來說鋼管壁厚可~6mm，鋼管壁越厚，其緊箍混凝土的系數(shù)越大，構(gòu)件承載力越高，同時耗鋼量加，造價也會加很多。混凝土強度常用C30~C70，強度越高，其價格也高，用高強度混凝土無疑會加構(gòu)件承載力及其造價的。
表2為鋼管混凝土柱5種不同管壁厚度和5種不同混凝土強度的承載力和造價分析，所有柱均為軸心受壓、截面200X表2200X200方柱（H=3000m）鋼管混凝土構(gòu)件的性價比鋼管壁厚混凝土強度等級套箍系數(shù)材料用量承載力N性價比（N/P）鋼管混凝土構(gòu)件整體鋼占比例構(gòu)件整體（元）鋼占比例注：1.其中，為鋼材屈服極限為混凝土抗壓強度標(biāo)準值，為鋼管截面面積，為混凝土截面面積；2.套箍系數(shù)5反映出鋼管混凝土中的鋼管和核心混凝土幾何和物理特性參數(shù)的影響。壁厚較薄的鋼管對核心混凝土約束較小，厚壁鋼管的套箍系數(shù)比薄壁鋼管大很多。不同混凝土強度的套箍系數(shù)也不相同，高強度混凝土被約束的影響比較小。總之5值越大，鋼材所占比重大，混凝土所占比重較小。
鋼管壁厚不變的情況下混凝土強度等級越高，構(gòu)件承載力也越高。混凝土強度不變時，鋼管壁越厚，當(dāng)然構(gòu)件承載力越大。如果薄壁鋼管和高強度混凝土搭配與厚壁鋼管和低強度混凝土搭配其承載力比較接近（如t=2mmC70，N =2301kN），而造價卻不大相同，目LI者為177兀，后者高388兀。
鋼管混凝土柱的承載力由鋼管及其被約束的核心混凝土共同組成，但鋼所占的份額不大。大多數(shù)承載力由混凝土負擔(dān)，而其價格正好相反，鋼管造價占了構(gòu)件整體造價的大多數(shù)份額。
構(gòu)件的承載力（N）及其造價（P）組成性價比（N/P），性價比越高，其經(jīng)濟效益越好。例如鋼管混凝土柱t=2mm，C70的承載力（N=2327kN）幾乎比t=2mmC30的承載力（N=1268kN）大一倍，而造價卻加不多，僅加177元一154元=23元。所以采用薄壁鋼管和高強度混凝土搭配是一種優(yōu)化的選擇。
矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用在多層住宅是一個發(fā)展方向，它有很多優(yōu)點，會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟和社會效益。
通過鋼對管混凝土柱和梁（梁的各種鋼管壁厚與混凝土強度搭配，其極限彎矩、造價和性價比與柱的計算結(jié)果類似）的分析比較可以得出下列結(jié)論：混凝土強度等級越高，其性價比越高。但是混凝土強度等級不能無限長，因為高標(biāo)號混凝土澆制比較困難，實際價格往往超出市場平均價格，所以采用C50比較合理。
鋼管壁厚越薄，其性價比越高。但實際上不能單從承載力和造價來考慮，還要考慮銹蝕、防火和使用年限等問題。鋼管壁太薄對防銹和防火均不利，所以有些規(guī)范規(guī)定鋼管壁厚最小為鋼管混凝土梁、柱具有優(yōu)良的耐火性能，火災(zāi)時鋼管混凝土梁、柱由于填充混凝土的熱容量在受力情況下，可以耐受較長時間的火災(zāi)作用。
因此在一定條件下，可不進行耐火被覆。無耐火被覆的鋼管混凝土柱在火災(zāi)2h后尚有40%的強度，無被覆鋼管混凝土柱邊寬250mm時可耐火鋼管混凝土梁、柱采用閉口管，內(nèi)灌素混凝土，其內(nèi)壁不會腐蝕，僅外周暴露，比一般輕鋼結(jié)構(gòu)里外暴露要好很多。如采用國產(chǎn)09磷銅稀土（09PCuREA）高耐侯鋼，則其耐大氣腐蝕性能比Q235鋼高3~5倍。建成后一次油漆至少可保持50年目前耐侯鋼比Q235鋼貴20%左右，但其強度比Q235大40%，總體上是比較合算。
鋼管混凝土結(jié)構(gòu)房屋較輕，其6層整體重量相當(dāng)于磚混結(jié)構(gòu)房屋的4層，自重輕，其抗震性能好。另外鋼管混凝土梁、柱壁厚僅4mm壓型鋼板厚度0.8mm其節(jié)點板與焊縫均很薄，所以梁、柱的韌性良好，也就是比較耐震。
鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中梁、柱節(jié)點均為焊接，房屋兩邊角部分自底到屋頂均設(shè)柱間支撐，外環(huán)梁形成‘圈梁“與現(xiàn)澆混凝土樓板連在一起，通過支撐強整體剛度，有利于房屋抗震。
總而言之，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)多層住宅，由于重量輕有利于基礎(chǔ)及抗震，施工快有利于舊區(qū)改造、動遷回搬和投資周轉(zhuǎn)綜合經(jīng)濟效益，顯示了新型住宅的優(yōu)越性。
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