同等刚度条件下各种不同结构形式的柱子的性价比分析

同等刚度条件下各种不同结构形式的柱子的性价比分析

孔德徽

中钢集团吉林机电设备有限公司技术部

一、技术简介

钢管混凝土柱子作为钢与混凝土组合形式是近年国内结构设计领域里新兴的构件形式由于其优异的力学性能开始广泛应用于高层、超高层结构设计当中。而铁合金电炉跨底层柱子的性能需求与高层结构中对框架柱的性能要求非常相近的情况下，如何在电炉跨内应用钢管混凝土柱，势必将对工程投资产生一定的影响。

二、技术先进性描述

铁合金电炉跨厂房在整个厂区的工程设计当中作为高度最高；重质点荷载布置位置最高；顶部结构形式因为上料天车的存在导致抗侧刚度最弱、柱子长细比较大；工艺要求尽可能少布置柱子等等诸多限制因素存在，造成电炉跨的厂房结构部分始终是厂区内钢结构投资中用量最大的部分。因此控制好电炉跨结构用钢量必然是工程设计中成本控制的重中之重。由于以上特点使得柱子本身的力学特性显得特别重要，柱子如何在承担全部竖向荷载的同时，承担更多的水平地震作用，充分发挥材料本身的材料性能是控制好用钢量的关键之处。

由于铁合金厂房工艺特性决定，电炉跨内不可能有更多空间布置足够的剪力墙或者支撑杆件与抵抗水平地震力，因此电炉跨厂房多采用框架结构体系或者中心支撑结构体系。对于中心支撑体系来说支撑杆件很难达到承担的底部倾覆力矩达到总倾覆力矩50%的水平，因此，这两种结构形式均属于框架体系，其对框架柱具有较高的性能要求：必须提供足够的抗压、抗剪、抗弯承载力。从传统柱子形式我们能发现以下规律：

首先，混凝土柱子由于混凝土材料具有很好的抗压性能，通常情况下作为柱子时可以提供很好的抗压性能，比较容易控制轴压比。但是混凝土同时具有的脆性破坏特征，决定了其在抗剪和抗弯方面表现出突然破坏特性让人心有余悸：比如说剪跨比小于2的短柱，经常发生抗剪不够导致的脆性破坏；大、小偏心受压构件由于混凝土突然压坏、钢筋突然拉断导致的破坏均属于钢筋与混凝土复合过程中不同材料的破坏特点不同造成的结果。我们常规的混凝土构件设计也是为了防范这些破坏出现才进行了大量的计算以满足使用要求。

其次，钢结构柱子由于钢材的匀质性能够表现出不错的抗弯、抗剪、抗压性能。但是钢结构柱子在使用中也存在着不容忽视的问题。比如说稳定问题。柱子作为主要抗压构件，《钢结构规范》中主要通过控制其长细比来限制其稳定性。首先，铁合金厂房主要各层标高由工艺提出，有些部位单层层高接近10米，仅此一个控制条件就可以使用允许长细比反推出柱子所需的刚度，同时在辅以上、下层框架梁的线刚度影响该柱子的计算长度系数，这样不用计算仅仅是按照规范中强制的构造要求柱子截面本身就已经非常可观了。这还是在没有进行结构分析的情况下出现的结果。但是通过近年的诸多的工程实践会发现，有些时候计算所需的构件截面还没有构造所需的截面大，这中间所存在的差距就是无法避免的钢材消耗；其次，对于主要用作抗弯和抗剪的底层柱来说，钢结构截面如果想要抗弯和抗剪，在构件本身的板材并不厚的情况下，必须通过增加截面面积的方式来增加截面本身的惯性距和净距。因此底层钢结构柱子截面只能做得比较大。

综上所述，如果想要在铁合金厂房投资中获取较好的经济效益，降低结构部分投资，应该从采取更先进的结构构件复合形式入手，采用钢管混凝土柱子，充分发挥混凝土抗压性能，和钢材的均质性，同时还能在材料复合之后获取非常大的截面惯性距，避免单一钢结构柱子由于失稳造成的不利影响。充分发挥两种材料的优点，避免各自的缺点，扬长避短必然能创造出不菲的效益。

三、技术使用情况

目前国内房屋结构设计领域里钢管混凝土结构主要应用于高层或者超高层的工程项目当中，但是由于其具有优异的力学性能，经我公司设计的工程中就有北海成德的项目使用了钢管混凝土，且已经投产运行，取得了不错的经济效益。

四、技术投资情况分析

钢管混凝土柱和钢柱及混凝土柱相比，可节约钢材10%，降低造价5%；和钢筋混凝土柱相比，可节约混凝土约50%，减少自重约70%，节省模板100%。同时，施工简单，可大大缩短工期：和钢柱相比，零件少，焊缝短，且柱脚构造简单，可直接插入混凝土基础预留的杯口中，免去了复杂的柱脚构造；和钢筋混凝土柱相比，免除了之模、绑扎钢筋和拆模等工作；由于自重的减轻，还简化了运输和吊装等工作。

五、本技术使用后的效益预测

与传统的钢筋混凝土和钢柱相比，钢管混凝土柱除了节省钢材消耗之外，还简化了施工流程，提高了施工效率，缩短了建设周期，大量采用了工厂化加工的构件，保证了施工质量。配合钢结构体系本身优良的抗震性能，能够为抗震不利地段建设项目提供了一个新的参考选项，同时，将钢管混凝土柱技术应用于铁合金厂房建设中，可能从一定程度上降低厂房结构部分的钢材消耗，降低业主投资额度，在同样安全适用的结构安全下获得更多的市场主导性。