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【摘要】钢管混凝土柱具有体积小，承重大，强度高，同比普通钢柱或混凝土柱经济效益显著的特点，故被广泛应用于大型工业厂房中。本文结合实例论述了钢管混凝土柱在工业厂房中的应用。
【关键词】钢管混凝土柱 厂房 应用
中图分类号：TU392.3 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
钢管混凝土结构(concrete-filled steel tubular structures)是由混凝土填入钢管内而形成的一种组合结构。早在19世纪80年代，钢管混凝土结构就已经出现。随着经济的快速增长和社会需求的不断扩大，近年来我国加工制造业也飞速发展，重型及超重型设备的需求逐年增加，与之相应的超大设备加工机械也应运而生，为了满足超大型设备的布置以及各种先进生产工艺发展的需要，促使工业厂房不断朝着大跨度、大柱距、大吨位吊车的方向发展。而钢管混凝土作为一种新兴的主要结构，以轴心受压和作偏心较小的受压构件为主的组合结构，在大型工业厂房的设计应用中也越来越显示出其突出的优点。高层建筑由于受轴压比、抗震等的限制，柱截面尺寸往往较大，钢筋和混凝土用量及要求都高；而使用钢管混凝土柱可使柱的截面尺寸大大缩小，外形美观，增加了平面的应用空间。同时还可以直接作为施工模板，大大减少模板的用量及钢筋的施工用量及施工工作量。
二、本工程主厂房柱距均采用6m(横向2跨，纵向4跨)，共7层，总高度30m。15根钢管混凝土柱均采用焊接管，直径475mm，平面布置见图l。
设计要点：依据《钢结构设计规范(GB50017-2003)》，以B列柱为例。
1、柱刚度代换
钢管混凝土柱d=475mm，壁厚t=12mm，Q345B钢材，柱内填充C30无收缩混凝土。等刚度代换d=475钢管混凝土柱EI=EaIa+EcIc=2．06×105×π×(4754—4514)／64+3．00×104×π×4514／64=1．573×1014N·mm2。换算成直径为d1的等刚度钢圆柱：1．573×1014=2．06×105×π×d4／64，求解得d1=353mm。以换算截面参加结构整体计算，得到各柱列最不利内力值，见表1。
2、柱脚设计
选择最大轴力对应的一组内力值，确定柱偏心类型，然后计算柱脚底板下混凝土的最大压应力，再按照《钢结构连接节点手册》介绍的方法求得底板厚度、平面尺寸、锚栓大小、加劲板尺寸，见图2。
3、变形计算
将钢管混凝土柱换成等效的钢柱参与结构整体计算，结果表明层间位移和总位移均满足规范要求，故对钢管混凝土柱不再单独进行变形验算。
4、节点设计
本厂房柱采用钢管混凝土柱，主梁全部采用H型钢梁，梁柱连接采用等强连接，上、下环板厚度分别与H型钢梁上、下翼缘等厚，加劲肋与梁腹板等厚。为解决局部稳定问题，在荷载较大节点处增设加劲肋，见图3。
三、选取结构形式
对于大跨度、大柱距、重吨位吊车的高大厂房，为保证吊车的安全运行和正常使用，长期以来，大多采用钢筋混凝土或钢格构式柱+有较大刚度的屋盖(比如平面桁架加水平支撑结构或空间网架结构上铺刚性屋面板的屋盖)的结构形式。但像本工程这样的厂房，目前在有色金属加工行业中还是首次碰到，其中的重点在于采用什么样的柱系统来满足在这样大的吊车吨位和柱距情况下的承载要求，同时又是相对经济合理的。根据经验，吊车吨位在100 t以上的厂房，已经不适宜采用钢筋混凝土柱，而传统的普通钢格构式柱，在目前的情况下，其用钢量也将会相当的可观，基于此工程的实际情况以及结合工艺、建筑的要求和需要，经过初步的分析和比较，我们决定将厂房采用铰接排架结构：屋面为上承式平行弦钢屋架加水平支撑结构；上柱采用实腹式焊接钢柱，下柱采用(双肢)格构式钢管混凝土柱；钢吊车梁系统。
四、钢管柱制作
1、材料要求
工程鋼管全部采用Q345B钢板卷制；管内核芯混凝土为C30无收缩混凝土。
2、制作
(1)钢管柱(包括各种预埋件和缀件)制作流程：详图绘制和原材料进场检验——下料——刨边——卷筒——焊立缝——校圆——超声波探伤——焊接环缝——超声波探伤——缀件组装、焊接、超声波探伤——汇总质量保证资料。
(2)钢管柱的分节。制作钢管前，根据塔吊的起重能力和柱子与塔吊的距离等因素，确定钢管柱的分节。本工程钢管按层高要求分2~3段制作。
(3)钢板下料采用数控多头火焰切割机完成，坡口用手提砂轮机打磨。采用45mm×3000mm数控卷板机压边、卷管，压边直段为40mm，卷管椭圆度偏差小于4mm。埋弧焊前，用砂轮机将焊缝两边打磨30mm，焊接完成24h后，对焊缝进行超声波检测。
(4)运输与堆放。钢管柱在工厂加工完毕运至现场后，利用塔吊将钢管柱卸在预定的堆场上，单层堆放，钢管两侧用方木挤住，以防钢管滚动伤人。
2、钢管柱的安装及焊接
钢管柱的吊装定位：
(1)轴线定位。由测量员根据场地及图纸定位轴线，分别定出每根钢管柱的十字方向轴线，并预埋螺栓控制。
(2)钢管柱的平面控制与垂直度控制。厂家加工制作时须给出0°、90°、180°、270°四个方向的轴线位置，并在钢管柱上用红三角明确标示出来。现场用两台经纬仪在两个垂直方向上同时观测，水平方向通过水准仪测量控制。
(3)钢管柱临时固定。采用塔吊直接吊装(人工辅助)就位。吊装校正时采用点焊附加钢筋于钢管外壁作临时固定，校正完毕后方可松吊钩。
四、现场浇筑
浇筑平台用钢管脚手架搭设，竖直段输送软管与浇筑平台连接牢固，平台须与钢管柱完全脱离，以防施工荷载对钢管柱产生不利影响。平台整体由塔吊吊装就位，循环使用。每段钢管柱作为一个浇筑单元，施工缝设置在离钢管上口30cm=（末段为100cm）处。浇筑方法采用立式人工振捣连接浇筑法。浇筑前先用塔吊提料在管底铺设20cm厚与混凝土配比相同的水泥砂浆层，以防混凝土粗骨料弹跳离析。混凝土每泵送1m3（管内高约1.5m），以加长振捣棒快插慢拔振捣，并插入下层混凝土约10cm，振捣时间为40s，并在浇筑平台上标明振捣手的6个站位，以防漏振。当浇筑至施工缝处时，对最后一层混凝土进行二次振捣，以保证其密实度。二次振捣8h后，蓄水养护。
五、需要完善的问题
具有优越的抗震性能是钢管混凝土结构的重要特点，为合理而安全地在地震区推广这类结构，必须深入进行动力性能研究。但目前国内外对钢管混凝土的动力性能研究基本上只限于试验研究，尚没有提供可供规范使用的计算理论和计算公式；而且对钢管混凝土徐变和疲劳性能的研究大多还处在试验研究阶段，尚缺乏合理的计算方法。
实际使用的钢管往往由钢板焊接而成，焊接残余应力对钢管混凝土构件性能的影响较大，当管壁较薄时更为突出，且在施工中，内填混凝土浇筑前钢管也有相当的初应力。因此关于残余应力和初应力对结构性能的影响，仍需要深入和系统的研究。
钢管混凝土在浇灌混凝土时，尤其对于大管径钢管，水化热较难扩散，导致中心局部温度较高引起温度应力。温度应力对大管径钢管混凝土结构承载力的影响也有待研究。
结论
总之，钢管混凝土柱发挥了钢材的弹塑性能好、抗拉压强度高，又发挥了混凝土抗压性能好的特性。钢管在承压时由于管壁薄容易失稳，当钢管内灌满混凝士后，可以有效地防止钢管失稳，从而可以提高钢管的承载力。同时在轴力作用下由于钢管的套箍作用，又大大提高了混凝土的抗压强度，提高了混凝土延性，改善了结构的抗震性能，同时也降低了造价。
【参考文献】
[1] 刘香，胡长威，王亚杰．钢管混凝土柱和型钢柱在工业厂房中应用对比[J]．山西建筑，2012，38(5)：39—40．
[2] 李先德．钢管混凝土结构在建筑工程中的应用[D]．山东：山东大学，2007：16—17．
[3] 沈希明，汤关柞，招炳泉．钢管混凝土工业厂房柱设计[J]．建筑结构学报，1982(I)：34—37．
[4] 张英，袁国泉，马玉群．钢管混凝土结构在中小型工业厂房中的应用[J]．工业建筑，1988(5)：18-21．
[5] 张庆伟．钢筋混凝土结构在重型工业厂房中的应用[J]-山西建筑，2009．35(25)：103·104．
【关键词】钢管混凝土柱 厂房 应用
中图分类号：TU392.3 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
钢管混凝土结构(concrete-filled steel tubular structures)是由混凝土填入钢管内而形成的一种组合结构。早在19世纪80年代，钢管混凝土结构就已经出现。随着经济的快速增长和社会需求的不断扩大，近年来我国加工制造业也飞速发展，重型及超重型设备的需求逐年增加，与之相应的超大设备加工机械也应运而生，为了满足超大型设备的布置以及各种先进生产工艺发展的需要，促使工业厂房不断朝着大跨度、大柱距、大吨位吊车的方向发展。而钢管混凝土作为一种新兴的主要结构，以轴心受压和作偏心较小的受压构件为主的组合结构，在大型工业厂房的设计应用中也越来越显示出其突出的优点。高层建筑由于受轴压比、抗震等的限制，柱截面尺寸往往较大，钢筋和混凝土用量及要求都高；而使用钢管混凝土柱可使柱的截面尺寸大大缩小，外形美观，增加了平面的应用空间。同时还可以直接作为施工模板，大大减少模板的用量及钢筋的施工用量及施工工作量。
二、本工程主厂房柱距均采用6m(横向2跨，纵向4跨)，共7层，总高度30m。15根钢管混凝土柱均采用焊接管，直径475mm，平面布置见图l。
设计要点：依据《钢结构设计规范(GB50017-2003)》，以B列柱为例。
1、柱刚度代换
钢管混凝土柱d=475mm，壁厚t=12mm，Q345B钢材，柱内填充C30无收缩混凝土。等刚度代换d=475钢管混凝土柱EI=EaIa+EcIc=2．06×105×π×(4754—4514)／64+3．00×104×π×4514／64=1．573×1014N·mm2。换算成直径为d1的等刚度钢圆柱：1．573×1014=2．06×105×π×d4／64，求解得d1=353mm。以换算截面参加结构整体计算，得到各柱列最不利内力值，见表1。
2、柱脚设计
选择最大轴力对应的一组内力值，确定柱偏心类型，然后计算柱脚底板下混凝土的最大压应力，再按照《钢结构连接节点手册》介绍的方法求得底板厚度、平面尺寸、锚栓大小、加劲板尺寸，见图2。
3、变形计算
将钢管混凝土柱换成等效的钢柱参与结构整体计算，结果表明层间位移和总位移均满足规范要求，故对钢管混凝土柱不再单独进行变形验算。
4、节点设计
本厂房柱采用钢管混凝土柱，主梁全部采用H型钢梁，梁柱连接采用等强连接，上、下环板厚度分别与H型钢梁上、下翼缘等厚，加劲肋与梁腹板等厚。为解决局部稳定问题，在荷载较大节点处增设加劲肋，见图3。
三、选取结构形式
对于大跨度、大柱距、重吨位吊车的高大厂房，为保证吊车的安全运行和正常使用，长期以来，大多采用钢筋混凝土或钢格构式柱+有较大刚度的屋盖(比如平面桁架加水平支撑结构或空间网架结构上铺刚性屋面板的屋盖)的结构形式。但像本工程这样的厂房，目前在有色金属加工行业中还是首次碰到，其中的重点在于采用什么样的柱系统来满足在这样大的吊车吨位和柱距情况下的承载要求，同时又是相对经济合理的。根据经验，吊车吨位在100 t以上的厂房，已经不适宜采用钢筋混凝土柱，而传统的普通钢格构式柱，在目前的情况下，其用钢量也将会相当的可观，基于此工程的实际情况以及结合工艺、建筑的要求和需要，经过初步的分析和比较，我们决定将厂房采用铰接排架结构：屋面为上承式平行弦钢屋架加水平支撑结构；上柱采用实腹式焊接钢柱，下柱采用(双肢)格构式钢管混凝土柱；钢吊车梁系统。
四、钢管柱制作
1、材料要求
工程鋼管全部采用Q345B钢板卷制；管内核芯混凝土为C30无收缩混凝土。
2、制作
(1)钢管柱(包括各种预埋件和缀件)制作流程：详图绘制和原材料进场检验——下料——刨边——卷筒——焊立缝——校圆——超声波探伤——焊接环缝——超声波探伤——缀件组装、焊接、超声波探伤——汇总质量保证资料。
(2)钢管柱的分节。制作钢管前，根据塔吊的起重能力和柱子与塔吊的距离等因素，确定钢管柱的分节。本工程钢管按层高要求分2~3段制作。
(3)钢板下料采用数控多头火焰切割机完成，坡口用手提砂轮机打磨。采用45mm×3000mm数控卷板机压边、卷管，压边直段为40mm，卷管椭圆度偏差小于4mm。埋弧焊前，用砂轮机将焊缝两边打磨30mm，焊接完成24h后，对焊缝进行超声波检测。
(4)运输与堆放。钢管柱在工厂加工完毕运至现场后，利用塔吊将钢管柱卸在预定的堆场上，单层堆放，钢管两侧用方木挤住，以防钢管滚动伤人。
2、钢管柱的安装及焊接
钢管柱的吊装定位：
(1)轴线定位。由测量员根据场地及图纸定位轴线，分别定出每根钢管柱的十字方向轴线，并预埋螺栓控制。
(2)钢管柱的平面控制与垂直度控制。厂家加工制作时须给出0°、90°、180°、270°四个方向的轴线位置，并在钢管柱上用红三角明确标示出来。现场用两台经纬仪在两个垂直方向上同时观测，水平方向通过水准仪测量控制。
(3)钢管柱临时固定。采用塔吊直接吊装(人工辅助)就位。吊装校正时采用点焊附加钢筋于钢管外壁作临时固定，校正完毕后方可松吊钩。
四、现场浇筑
浇筑平台用钢管脚手架搭设，竖直段输送软管与浇筑平台连接牢固，平台须与钢管柱完全脱离，以防施工荷载对钢管柱产生不利影响。平台整体由塔吊吊装就位，循环使用。每段钢管柱作为一个浇筑单元，施工缝设置在离钢管上口30cm=（末段为100cm）处。浇筑方法采用立式人工振捣连接浇筑法。浇筑前先用塔吊提料在管底铺设20cm厚与混凝土配比相同的水泥砂浆层，以防混凝土粗骨料弹跳离析。混凝土每泵送1m3（管内高约1.5m），以加长振捣棒快插慢拔振捣，并插入下层混凝土约10cm，振捣时间为40s，并在浇筑平台上标明振捣手的6个站位，以防漏振。当浇筑至施工缝处时，对最后一层混凝土进行二次振捣，以保证其密实度。二次振捣8h后，蓄水养护。
五、需要完善的问题
具有优越的抗震性能是钢管混凝土结构的重要特点，为合理而安全地在地震区推广这类结构，必须深入进行动力性能研究。但目前国内外对钢管混凝土的动力性能研究基本上只限于试验研究，尚没有提供可供规范使用的计算理论和计算公式；而且对钢管混凝土徐变和疲劳性能的研究大多还处在试验研究阶段，尚缺乏合理的计算方法。
实际使用的钢管往往由钢板焊接而成，焊接残余应力对钢管混凝土构件性能的影响较大，当管壁较薄时更为突出，且在施工中，内填混凝土浇筑前钢管也有相当的初应力。因此关于残余应力和初应力对结构性能的影响，仍需要深入和系统的研究。
钢管混凝土在浇灌混凝土时，尤其对于大管径钢管，水化热较难扩散，导致中心局部温度较高引起温度应力。温度应力对大管径钢管混凝土结构承载力的影响也有待研究。
结论
总之，钢管混凝土柱发挥了钢材的弹塑性能好、抗拉压强度高，又发挥了混凝土抗压性能好的特性。钢管在承压时由于管壁薄容易失稳，当钢管内灌满混凝士后，可以有效地防止钢管失稳，从而可以提高钢管的承载力。同时在轴力作用下由于钢管的套箍作用，又大大提高了混凝土的抗压强度，提高了混凝土延性，改善了结构的抗震性能，同时也降低了造价。
【参考文献】
[1] 刘香，胡长威，王亚杰．钢管混凝土柱和型钢柱在工业厂房中应用对比[J]．山西建筑，2012，38(5)：39—40．
[2] 李先德．钢管混凝土结构在建筑工程中的应用[D]．山东：山东大学，2007：16—17．
[3] 沈希明，汤关柞，招炳泉．钢管混凝土工业厂房柱设计[J]．建筑结构学报，1982(I)：34—37．
[4] 张英，袁国泉，马玉群．钢管混凝土结构在中小型工业厂房中的应用[J]．工业建筑，1988(5)：18-21．
[5] 张庆伟．钢筋混凝土结构在重型工业厂房中的应用[J]-山西建筑，2009．35(25)：103·104．