钢管混凝土结构在冶金工业建筑中的应用探讨

第４０卷第２期　２０１４年４月　包钢科技　Ｖｏ１．４０．Ｎｏ．２　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｂａｏｔｏｕ　Ｓｔｅｅｌ　Ａｐｒｉｌ，２０１４　钢管混凝土结构在冶金工业建筑中的应用探讨　王　涛　（中冶东方工程技术有限公司建工所，内蒙古包头０１４０１０）　摘要：阐述了钢管混凝土的性能特点和技术原理，指出了冶金工业建筑的结构特点，进而对钢管混凝土在冶金工　业建筑中的应用进行了探讨；并对新型钢管混凝土结构的发展前景做了简单的分析。　关键词：钢管混凝土；冶金工业建筑；应用　中图分类号：ＴＵ３７　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９—５４３８（２０１４）０２—００６６—０３　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｅｎｃａｓｅｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｉｎ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ　ⅣＧ　Ｔａｏ　（Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｄｅｐｔ．ｏｆ　ＢＥＲＩＳ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏｒｐ．，Ｂａｏｔｏｕ　０１４０１０，Ｎｅｉ　Ｍｏｎｇｇｏｌ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｋｎｏｗ—ｗｈｙ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｅｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｅｓ　ｉｎ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｅｎｃａｓｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｉｓ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｅｓ；ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　钢管混凝土结构是指在方钢管、圆钢管或八边　结构低，接近或低于采用混凝土结构的建筑　Ｊ。　形钢管中充填混凝土所构成的柱与Ｈ型钢梁连接　形成的框架结构。填充混凝土具有改善柱子的刚　ｌ　钢管混凝土的性能原理　在钢管混凝土受压构件中，钢管与混凝土共同　承受压力，但这种共同承担不是作为单独受力构件　度、强度以及变形性能的效果，特别是在反复荷载作　用下能够改善结构的抗震性能，是一种混合结构。　现在钢管混凝土结构已广泛应用于单层多层工业厂　房、高炉框架、锅炉构架、输电和变压杆塔、大跨度及　空间结构、高层民用建筑以及桥梁结构中。此外，近　年来住宅钢结构开始步人发展阶段，国内建造了一　批钢结构多层和高层住宅，其中很大一批住宅采用　了钢管混凝土柱，钢管混凝土结构工程造价比全钢　收稿日期：２０１４—０１—２２　承载力的简单迭加。这首先在于对于薄壁钢管结构　受压构件而言，钢材有着很高的抗压强度，但构件在　压力作用下容易发生局部屈曲而使其强度优点无法　发挥，这是薄壁钢管的致命缺陷。在钢管中充填混　凝土后，大大提高了管壁的侧向刚度，使其整体强度　得以发挥。然而，钢管混凝土结构受力性能的优越　作者简介：王涛（１９８２一），男，陕西省兴平市人，工程师，现从事钢结构设计工作。　第２期　钢管混凝土结构在冶金工业建筑中的应用探讨　６７　性更集中地体现在合理的利用钢管对混凝土的紧箍　力。这种紧箍力改变了混凝土柱的受力状态，将单　向受压改变为三向受压，因而使混凝土的抗压强度　筑物的抗震性能也甚为重要。在这一点上，钢筋混　凝土柱尤其是轴压和小偏心受压柱是难以克服的性　能缺陷。　２．４施工简单　大大提高，这对于发挥混凝土柱抗压承载力高的特　点十分有利，这是混凝土结构技术上的一大突破。　其原理是，钢材在弹性阶段的泊松比变化不大，约在　０．２５～０．３０之间，而混凝土的泊松比随应力的增加　由于钢管的作用既类似钢筋混凝土柱纵筋和箍　筋，本身又作为浇灌混凝土的模板，故钢管混凝土的　施工省去了钢筋骨架的加工制作和柱模板，同时钢　而明显提高。低应力时混凝土的泊松比在１／６左　右，而高应力时可达０．５，接近破坏时可超过０．５。　管本身还成为施工阶段的承重骨架或脚手架。由此　不仅节省了大量的施工材料，而且大大减少了现场　所以在低应力阶段，其基本与普通钢筋混凝土受压　构件相似，即钢管与混凝土共同分担压力。随着纵　向压应力的增加，混凝土的横向变形大于钢管的横　向变形。因此，混凝土对钢管产生径向压力，钢管在　此径向压力的作用下，产生环向拉力。故在钢管混　凝土受压构件的使用阶段，尤其是在接近承载力的　受力后期阶段，钢管作为承受环拉力为主的构件，使　得薄壁钢管的抗拉强度得以充分发挥。与此同时，　在较大环拉力作用下，钢管对混凝土产生了很大的　紧箍力，即径向压力。构件所受的纵向压力越大，混　凝土所受的径向压力也越大，这是被动压力。达到　承载力极限状态时，混凝土抗压强度大大提高。因　此，钢管混凝土柱比普通钢筋混凝土柱所处的单向　受压状态下的承载能力有显著提高。　２　钢管混凝土结构的技术特点　２．１构件承载力大大提高　相同截面下，钢管混凝土承载力比普通钢筋混　凝土结构相比高出许多，这对于承受高荷载压力的　受压构件是十分重要的。另一方面，在相同承载力　下，钢管混凝土柱的构件截面尺寸得以明显减小，为　改善建筑物的使用条件提供了条件。　２．２良好的变形性能　混凝土作为脆性材料，其破坏具有明显的脆性　性质，即使是钢筋混凝土结构，在轴心受压和小偏心　受压条件下，其破坏特征仍为脆性性质。而在钢管　混凝土结构中，由于管中混凝土处于三向约束状态，　由此不仅改善了使用阶段的弹性性能，而且在破坏　时产生很大的塑性变形。钢管混凝土柱的破坏完全　没有脆性特征，属于塑性破坏，这点已经专门的结构　实验所证实。　２．３良好的抗震性能　由于结构自重大大减轻，对于减少地震作用十　分有利。同时结构所具有的良好延性，对于提高建　工作量，改善了施工条件，有效地缩短了工期。　３　冶金工业厂房结构设计的特点　３．１荷载大　基于生产工艺流程和相应配制的设备，以及生　产操作、设备维护更新等实际要求，工业建筑的楼面　荷载均很大。如炼钢车间转炉的主操作平台活荷载　达到３０—５０　ｋＮ／ｍ　，车间内吊车起重量达到４５０　ｔ，　甚至更大。由于荷载大造成结构自重增加，致使在　抗震设计中地震作用明显增加。　３．２跨度大且高度高　冶金工业厂房随着工艺条件的变化，跨度呈增　大趋势，高度也不断增加。高炉煤粉喷吹系统中框　架结构高度可达到８０　ｍ以上，而轧钢车间由于工艺　设备的要求，许多厂房跨度已超过４０　ｍ，如鞍钢冷　轧厂１　、３　镀锌线工程主厂房结构单跨４０　ｍ，高度　４３．５　ｍ。某钢铁公司位于广州市工业开发区新建的　宽中厚板（卷）工程精整区冷床跨厂房单跨更达到　了６９　ｍ。　３．３使用要求高　由于设备运行的要求，对结构构件的挠度、裂缝　以及振幅等均有特殊要求。如转炉炼钢厂房的结构　设计，它不但有多连跨厂房、高层刚架，同时吊车的　吨位、高层平台的负荷很大。高层刚架平台上根据　工艺要求布置高位料仓、受料斗、水冷烟道等，尤其　是高处氧枪平台设有有氧枪移动小车，运行时对厂　房结构有较大的水平推力，如何使单层的多跨厂房　与高层刚架变形协调，保证高层刚架的刚度是结构　设计需要解决的问题。　４　钢管混凝土在冶金建筑中的应用　４．１　多高层厂房框架柱　冶金工厂中多高层建（构）筑物主要有高炉煤　粉喷吹车间、矿焦槽主框架、热风炉框架、炼钢车间　包钢科技　第４Ｏ卷　转炉跨、连铸平台等，此类厂房柱所受的荷重一般较　大，且对侧移值有一定限制。采用钢管混凝土柱后　则克服了混凝土结构和钢结构的缺点，截面尺寸较　混凝土柱减小，有利于工艺布置，同时保持了钢结构　仅需装配连接的快速施工特点。　４．２　大跨度大柱距或重载单层厂房柱　根据工艺的发展，目前一些大型厂房的跨度超　过４０　ｍ，柱距可达ｌ８～２４　ｍ，且厂房中通常设置了　大起重量的吊车。由此带来厂房柱承受越来越大的　竖向荷载，这就为钢管混凝土发挥结构优越性提供　了条件。钢管混凝土厂房柱形式多为两阶式。此　时，为使钢管混凝土构件以承受轴向压力，下柱均采　用双肢柱或三肢柱，使得各个单肢柱在横向和竖向　荷栽作用下仅承受轴向力，由此充分发挥钢管混凝　土的性能，同时构件显得轻巧美观。　４．３高炉炉身框架　众所周知，高炉框架在生产、检修过程中的负荷　是相当大的。通常高炉框架设置有十几层平台，同　时也承受炉顶设备的荷载。高炉框架柱处于以轴力　为主的偏心受压状态，钢管混凝土正适合这种构件　的受力状态。因此采用钢管混凝士作为炉体框架柱　可充分发挥钢管混凝士的承载能力。在施工时，钢　结构的安装与管内混凝士的灌注可以交叉进行。国　内第一座采用钢管混凝土的高炉炉身框架的是首都　钢铁公司２　高炉，１９７２年建成。高炉炉容Ｖ＝　１　２００　ｍ　，框架平面尺寸为１４　ｍ×１４　ｍ的正方形，　４根柱１７．７　ｍ以下采用　１０００　ｍｍ×１４　ｍｍ，以上　采用０７００　ｍｍ×１２　ｍｍ，全高３５．２　ｍ　。　４．４各类支架　包括电除尘支架、重力（旋风）除尘器支架、上　料通廊支架等。此类支架一般为高架式结构，且以　承受轴向力为主。对钢结构来言，为保证构件的稳　定性而材料强度难以发挥，由此造成材料的浪费。　混凝土结构则存在施工难度和工期长的缺陷。钢管　混凝土则可有效地克服上述两类结构存在的问题，　同时可灵活的设计为不同的外形，以获得良好的视　觉效果。　４．５重型操作平台　冶金厂房重型操作平台主要包括高炉出铁场平　台、转炉主操作平台等。高炉出铁场平台是高炉炉　前出铁出渣的操作区域，炉前操作在高炉生产中占　有十分重要的地位。根据大型高炉炉前操作特点，　为方便物料运输，场面越发趋向平坦化，平台面铺设　耐热混凝土保护平台结构，自重较大。同时要求可　以通行汽车及解体机、移盖机，工作时需要承受较大　的活荷载。平台柱采用钢管｝昆凝土，平台梁采用钢　梁后，与传统的全混凝土的做法相比，钢结构施工周　期短、跨度大、截面小的优点得以充分的发挥，平台　柱数量可以减少１／４，避免了以往设计柱过密的问　题，同时也间接的降低了基础造价。　５　钢管混凝土结构的发展　（１）薄壁钢管混凝土。在钢管混凝土中采用薄　壁钢管，可以进一步减少钢材用量，减少焊接工作　量，达到降低工程造价的目的。　（２）采用高性能混凝土的钢管混凝土。在钢管　中填充自密实高性能混凝土，不仅可以更好地保证　混凝土的密实度，且可以简化振捣程序，降低混凝土　施工强度和费用，减少噪声污染。　（３）中空夹层钢管混凝土。该结构是将两层钢　管同心放置，并在两层钢管中浇灌｝昆凝土。此结构　除了具有实心钢管混凝土的优点外，还具有自重轻、　刚度大的优点。由于内钢管受到混凝土的保护，还　具有良好的耐火性能　Ｊ。　６　结束语　钢管混凝土结构在冶金工业建筑中的应用不仅　有着广泛的前景，而且具有良好的经济效益。诚然，　钢管混凝土结构还存在着构件间连接复杂、混凝土　施工质量不容易保证等缺点，但其在工业建筑中的　应用前景已为越来越多的工程师们所认识，并不断　在实践中创造出良好的社会效益和经济效益。　参考文献　刘大海，杨翠如．型钢、钢管混凝土高楼计算　与构造［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，　２００３．　［２］　刘维亚．钢与混凝土组合结构一理论与实践　［Ｍ］．北京：中国建筑＿Ｔ－－－，＿ｌｋ出版社，２００８．　［３］　赵熙元．建筑钢结构设计手册［Ｍ］．北京：冶　金工业出版社，１９９５．