[摘要]本文以天津賽瑞特重型廠房的設計為例，論述了在大吊車荷栽作用下，鋼管混凝土組合柱的經濟性及合理性；對柱腳、肩梁以及鋼管混凝土組合柱的節點構造與受力性能作了簡單的論述；并且簡單介紹了鋼管混凝土組合柱的計算要點。
　　[關鍵詞]鋼管混凝土組合柱，節點設計；
　　前言
　　鋼管混凝土構件是指在鋼管中填充素混凝土而形成的組合構件。它是從密排螺旋箍等套箍混凝土演變而成的，其基本受理機理是：
　　1.借助內箍混凝土來增強鋼管壁的穩定性；
　　2.借助鋼管對核心混凝土的約束作用，使其處于三向受壓狀態，從而提高其抗壓強度和變形能力。
　　鋼管混凝土構件具有承載力高、塑性韌性好、抗震性能好、施工制作方便、耐火性能好、經濟效果好以及外形美觀等突出優點。
　　在結構受壓桿件中，采用鋼管混凝土構件替代傳統的鋼筋混凝土和結純鋼構件，可大幅度地節省鋼、木、水泥用量和減輕結構自重，使桿系結構的受力性能大為改善。隨著近年我國對基礎項目投資力度的加大，重型車間項目不斷增多，天車噸位越上越大，鋼管混凝土的優越性也得到了更好的體現。筆者完成的天津賽瑞機器設備有限公司超重機加工車間就是一個很好的實例，下面我們就以此工程為實例對鋼管混凝土組合柱的受力性能及節點構造進行簡單的闡述。
　　工程概況:
　　天津賽瑞機器設備有限公司超重型機加工車間平面尺寸360x86.3m，中間主跨跨度36.3m，兩側附跨跨度各25m，車間柱距除局部為16m外其他均為12m。兩側附跨檐口標高21.25m，各設有125t天車兩臺，天車軌頂標高15m；中間主跨檐口標高42.5m，設有雙層天車，下層設有125噸天車兩臺，天車軌頂標高24.5m，上層設有600噸天車一臺，天車軌頂標高33m。上述天車除600噸天車外工作級別均為A5級，600噸天車工作級別為A3級。
　　該車間的特點是廠房非常高大，達到了40m以上；車間跨度大，達到了36m；天車噸位大，達到了600噸，如此大噸位的廠房在全國范圍內也是非常少見的。廠房的以上特點對于車間立柱的強度、塑性、耐疲勞以及耐沖擊的要求更高。經多方計算比較本車間最終確定采用鋼管混凝土組合柱作為主要構件進行設計，其受力性能以及經濟指標均較傳統的混凝土柱和格構式型鋼柱更為優越。其建成后必將會為大跨度、大柱距、大噸位天車的工業建筑提供一個可借鑒的結構范例，并能進一步在實際中驗證鋼管混凝土格構柱的工程優越性。
　　該車間地處天津軍糧城附近，臨近塘沽開發區，因車間高度過大，風荷載影響會較為顯著，故風荷載取值未按天津地區0.5KN/m2，而是按塘沽地區的風荷載0.55KN/m2取值，并且考慮了1.05的風荷載放大系數；地震設防烈度7度，基本地震加速度0.15g，第一組，III類場地土；車間屋面采用輕鋼彩板屋面，維護系統采用高頻焊接型鋼，屋面支撐系統采用單角鋼支撐，自重較輕，按0.45KN/m2考慮；活載按天津地區雪荷載0.4KN/m2與標準活荷載0.3KN/m2取二者中較大值，并與0.2KN/m2的公用吊掛荷載疊加計算；本工程天車噸位非常大導致肩梁天車反力非常大，兩側附跨肩梁處天車（125t）反力2356KN（最大輪壓）、475KN（最小輪壓），中間主跨下層肩梁處天車（125t）反力2387KN（最大輪壓）、490KN（最小輪壓），上層肩梁處天車（600t）反力5375KN（最大輪壓）、1498KN（最小輪壓）。
　　本工程采用中國建筑設計研究院編制的PKPM-STPJ進行的模型計算。
　　車間立柱選型：
　　本車間兩側附跨天車起重量較小，采用傳統的型鋼格構柱完全能滿足設計要求，型鋼格構柱非本文所討論的范圍，在此不再敷述。本文僅討論中間主跨因車間高度過大，天車起重量過大而采用鋼管混凝土組合柱的優越性。
　　1. 不同形式柱的比較
　　傳統的大型工業廠房排架柱，一般都采用鋼筋混凝土或鋼為材料，組成格構式柱，以承受屋蓋、吊車、風以及地震力傳來的荷載。其中前者自重大，施工時需要大量的模板，其質量受氣候及季節的影響較大，與其他結構構件(如吊車梁，屋蓋支座、圍護及柱間支撐)的連接較為復雜，需預先埋設預埋件，對整個工程來說費工費料，工程進度緩慢，并缺乏美觀性；在大跨度、大柱網、大吊車作用下，其截面非常大，從而影響車間的利用率。后者由于采用結構鋼一種材料組成，其承壓能力相對較弱，而且焊接工作量過大，焊接應力也相應增大，因而也不是很理想。鋼管混凝土柱即由鋼管制作成鋼柱或鋼格構柱，并在管內填充混凝土形成的復合材料構件，它集鋼筋混凝土和鋼各自的優越性于一體，大大提高了排架柱的受力及耐疲勞性能，因而在大跨度、大柱網、大吊車作用下，比以往的鋼筋混凝土柱或鋼柱更有優越性。經計算分析，本工程采用鋼管混凝土柱與鋼柱相比，在保持自重相近和承載能力相同條件下，可節省鋼材約50％，焊接工作量可大幅度減少；與普通混凝土柱相比，在保持鋼材用鋼量相近和承載能力相同條件下，構件截面面積可減小一半，混凝土和水泥用量以及構件自重相應減少50％。
　　2. 柱形式與截面的確定
　　常用的單層工業廠房鋼管混凝土格構式組合柱截面形式有雙肢柱、三肢柱、四肢柱。雙肢柱及三肢柱一般用于輕型無吊車或吊車起重量較輕的單跨、多跨廠房。本工程由于車間高度過高，吊車及風荷載較大，因而下柱采用四肢柱，600噸吊車軌頂以上采用焊接工字鋼柱。根據計算分析結果及吊車布置選用柱截面，鋼管規格基本均為480x14mm。
　　鋼管混凝土格構式組合柱，柱肢間通過腹桿連成整體，一方面可減小柱肢的計算長度，另一方面承受部分水平荷載。腹桿采用鋼管，其壁厚不大于柱肢管壁，與柱肢鋼管直接焊接。一般來說斜腹桿與水平面的夾角宜在四十五度左右。腹桿間在柱肢上的距離應大于50mm以減少焊接應力。因腹桿鋼管直徑較小，考慮到施工采購的問題，按Q235B進行設計。
　　組合柱的材質及節點構造
　　1.柱腳
　　為使柱腳的剛接性能得到充分保證，本工程柱腳采用傳統的插入式柱腳。柱腳鋼管的端頭必須用封板封閉，這對解決柱與基礎連接面的局部受壓強度是非常有利的，但考慮到柱腳灌漿的方便，在封閉端板上還開設了直徑240mm的泌漿孔，以保證灌漿混凝土能充分的灌滿。根據本工程的受力情況，我們在封板與柱肢連接處增設加勁肋以提高其剛度，另外由于鋼管柱肢與基礎混凝土的粘剪強度較弱，柱腳鋼管需設置抗剪栓釘。本工程鋼管混凝土組合柱，柱腳直接插入兩個杯口基礎中，安裝就位并校正固定后，再用細石混凝土分兩次灌筑與基礎連成整體。由于柱承受的水平荷載及彎距很大，按照規范規定，柱腳插入深度取5倍管徑。
　　2.肩梁
　　格構式階形變截面柱往往用肩梁來連接。本工程上柱內肢直接焊于肩梁上翼緣板，外肢穿過上翼緣板與肩梁下翼緣板焊接。這種連接方式避免了柱接頭在同一平面的缺陷，有利于提高柱的整體強度。肩梁相當于轉換梁，把上柱荷載通過轉換傳遞給下柱。肩梁兩端由上下翼緣、腹板與下柱柱肢以剖口焊縫連接。為了加強剛度和傳力的可靠性，肩梁腹板盡可能穿過下柱柱肢，并加設必要的肋板。由于吊車噸位特別大，肩梁又是上下柱連接的關鍵部位，我們在選定柱平面尺度時，將吊車梁位置設計在下柱內肢管軸線處，使受力更直接，傳力途徑更簡短。同時，把肩梁的上翼緣板設計成一整塊鋼板，在上翼緣板合適位置開有直徑100mm的孔，可以散發因箱形肩梁焊接時產生的焊接煙塵；在肩梁的下翼緣板上開設最小邊長400mm的孔洞，其目的是可以使焊接工人及工具可以進入肩梁內部進行焊接。
　　3.材質
　　單層廠房中鋼管混凝土組合柱由于承受吊車及風荷載，所以柱的鋼管材質也應有一定的韌性。本工程中，鋼管采用Q345B鋼制作的軋制無縫鋼管或螺旋焊接管。柱內混凝土應盡可能減少游離水份。我們選用C40無收縮混凝土，水灰比控制在0.45以內，骨料粒徑0．5-3cm，坍落度取15～18cm以利于泵送頂升澆灌法施工。
　　鋼管混凝土組合柱的計算要點簡述
　　鋼管混凝土組合柱由多個鋼管混凝土柱肢組成，應根據排架分析結果，分別對整體承載力和單肢承載力進行驗算。驗算公式見《鋼管混凝土結構設計與施工規程》(CECS28:90)第4.2.5條。
　　當柱肢承受拉力時，只考慮鋼管作用，忽略混凝土的抗拉強度；由于柱肢鋼管對管內混凝土有緊箍作用，當柱受壓時，管內混凝土處于三向應力狀態，因此受壓計算除考慮鋼管與混凝土抗壓能力外，尚應計入核心混凝土抗壓強度提高系數。
　　鋼管混凝土組合柱整體承載力計算時，必須根據柱的長細比及偏心率情況進行折減，具體見有關規范。三肢、四肢柱受壓彎時，由于排架柱柱距比跨度要小，彎矩作用平面外柱密而多，同時又有多道柱間支撐及吊車梁連接，一般不必驗算彎矩作用平面外的整體穩定性，但應驗算平面內穩定性及單肢節間局部穩定性。
　　組合柱腹桿計算，其內力取實際作用于格構柱上的橫向剪力設計值與格構柱軸心受壓短柱的承載力設計值算得的剪力中較大者進行驗算。除需驗算腹桿的強度及穩定外，腹桿與柱肢的焊縫也必須計算。承受軸心荷載格構柱的剪力設計值可認為沿構件全長不變。
　　肩梁的計算，一方面要考慮其作為簡支梁承受肩梁上部柱的荷載，同時，它作為特殊綴板的作用也不容忽視。
　　組合柱的柱腳出現拉力時，需驗算混凝土的抗粘剪強度。當不滿足要求時，可在鋼管上加焊栓釘連接件或短鋼筋。
　　結束語：
　　鋼管混凝土組合柱替代傳統的鋼筋混凝土柱或鋼格構柱，對工業建筑工程中的大跨度、大柱距、大吊車的廠房來說，具有不可低估的優越性。天津賽瑞機器設備有限公司超重型機加工車間的設計方案對比表明，本工程采用鋼管混凝土柱與鋼柱相比，可節省鋼材約50％，焊接工作量可大幅度減少；與普通混凝土柱相比，在保持鋼材用鋼量相近和承載能力相同條件下，構件截面面積可減小一半，混凝土和水泥用量、構件自重相應減少50％。充分顯示了鋼管混凝土柱作為組合材料受力構件的力學優勢。
　　參考文獻：
　　1.劉大海楊翠如型鋼鋼管混凝土高樓計算和構造中國建筑工業出版社
　　2.鋼管混凝土結構設計與施工規程CECS28:90中國計劃出版社
　　3.韓林如楊有福現代鋼管混凝土結構技術中國建筑工業出版社