方钢管混凝土柱在多层轻钢结构中的应用

方钢管混凝土柱在多层轻钢结构中的应用
摘要：本文阐述方钢管混凝土结构体系在轻钢结构住宅中的应用概况及其优点，介绍方钢管混凝土柱的结构设计分析方法及其将来的研究展望。

本文可供从事轻钢结构住宅或相关设计工作的人员技术参考。

关键词：方钢管混凝土柱；多层轻钢结构；优点；结构设计；技术难点Abstract: this paper expounds the concrete filled square steel tubes structure system in light of the application of the steel structure housing situation and advantages, introduces the structure of the concrete-filled steel tube column party design analysis method and its future research prospect，and provides light steel structure housing or related design work for the staff technology reference.
Key words: square steel tube concrete column; Multi-layer light steel structure; Advantages; Structure design; Technical difficulties
0 概况
随着人类对住宅要求越来越高，建筑房屋的绝热、抗震及抗压性能越来越理想。

这一切都源于人类对房屋质量的舒适感与安全感的追求，钢—混凝土组合的建筑结构就是人类追求建筑房屋舒适与安全的产物。

钢—混凝土结构早在19世纪就已开始被人类所注意，并对其展开一系列的研究开发，其综合了钢材的韧性与混凝土材料的较好的抗压性能，更好地发挥了建筑材料的材质特点，而避免各自的缺点。

由于环保意识的不断加强及材料短缺越来越严重，国外很多国家如澳大利亚、日本、美国等，都在在积极研发和设计更多钢管混凝土结构的应用。

而我国在近几年内也开始研究开发、设计与制造、施工安装轻钢结构，也取得了很大的成就，如首都博物馆新馆的设计与施工[1]。

1 方钢管混凝土柱结构体系的优点
1.1节约钢材，降低造价
一般情况下，由于方钢管混凝土加入钢结构，降低了建筑物的自重，相当于混凝土结构的一半，而基础荷载相对变小，经济效益明显提高，己成为公认的节材、经济、施工简捷的结构形式。

1.2抗震性能好
由于钢管的材料的存在，提高了整体结构的强度、塑性和韧性，因此在同样
的震动条件下，其能更好地克服因超载而发生断裂现象，更好地适应动力荷载的压力，其良好的延展性在抗震性能方面表现得无可挑剔。

1.3防锈蚀和抗火性能优于钢柱
方钢管混凝土柱只是外表面需涂防锈漆，而钢柱全周边皆需防锈蚀，显然，可以大大节省防锈漆。

且方钢管混凝土由于其管内设置有混凝土结构，可以吸收大量热量，因而耐火时间比钢柱更长。

所用的防火涂料比钢柱更少，造价也比钢柱更低，性价比更高。

1.4抗扭、抗剪性能优越
方钢管混凝土柱的抗扭和抗剪性能都很好，延性大，强度高。

建筑物的一些边柱和角柱，在地震作用下，将同时承受轴心压力、弯矩、扭矩和剪力作用。

对于方钢管混凝土柱来说，在复杂应力作用下的承载力很高，并且其塑性和延性更好，安全而可靠[2]。

2 方钢管混凝土柱的结构设计
2.1主要计算依据
方钢管混凝土柱的机构设计过程应依据建筑设计单位提供的建筑设计方案、并参考有关的国家建筑设计规程、规范，如《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）等等[3]。

2.2轴向受力构件计算
2.2.1轴心受压构件的强度计算
根据钢管和混凝土共同工作的机制，参照我国建筑结构设计统一标准的规定，轴心受压构件的强度承载力设值的计算公式为：
Nu=α(fAs+fc Ac)
上式中α是与钢管对混凝土的约束效应和混凝土徐变对承载力影响等因素有关的系数，前者对混凝土的强度有所提高，后者则相反。

考虑到α的影响因素比较复杂，对轴心受压构件的强度承载力的提高有限，对于管壁较薄的构件更是如此，为方便使用，取α=1，即得到方钢管混凝土轴心受压构件的强度计算公式：
N≤Nu u= fAs+fcAc
2.2.2轴心受压构件的稳定计算
根据试验资料，方钢管混凝土轴心受压构件受力较接近于钢构件，因此采用钢结构类似的计算公式：
公式中的轴心受压稳定系数也近似地采用现行国家标准《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中的b曲线：
构件的长细比则按考虑钢管和管内混凝土共同工作后的影响
2.2.3轴心受拉构件的强度计算
由于混凝土的抗拉强度相对于钢管较小，在计算方钢管混凝土轴心受拉构件时可不计入混凝土的作用，只考虑方钢管抵抗所有拉力，由极限状态即可得到方钢竹混凝土的抗拉承载力计算公式：
N≤Asf
2.3弯、拉弯构件计算
其中包括a、弯矩作用在一个主平面内的方钢管混凝土压弯构件的强度计算；
b、弯矩作用在一个主平面内的方钢管混凝土压弯构件的稳定计算；
c、弯矩作用在一个主平面内的方钢管混凝土拉弯曲构件计算；
d、弯矩作用在两个主平面内的双轴压弯方钢管混凝土构件的强度计算；
e、弯矩作用在两个主平面内的双轴压弯方钢管混凝土构件的稳定计算。

但由于论文章节的安排，在本文就不详细介绍。

2.4节点连接设计
梁-柱连接的性能是影响结构整体性能的关键，合理的连接节点应该有足够的强度和适当的刚度，即满足“强节点、弱杆件”原则。

方钢管混凝土柱与H型钢梁的连接，按照连接处相对转动约束作用的大小，可以分为：柔性连接、半刚性连接和刚性连接三种。

其中半刚性连接可减少施工现场的焊接工程量，且节点外观简捷、传力明确，钢柱制作与混凝土的浇筑质量不受影响，柱两侧梁高不等构造容易处理，避免了内隔板与外环板由于焊接残余应力影响，而在地震力的反复作用下节点处钢材易发生分层或脆性破坏的缺点。

3方钢管混凝土柱结构设计的研究方向
虽然钢管混凝土住宅具有较多的优势，但在实际中的应用时，还存在一些善待解决的难题。

3.1结构理论研究需进一步完善
对方钢管混凝土构件来说，目前对构件动力性能的研究还是基于试验结果，缺乏理论分析方法，不利于深入全面研究其动力特性，同时不利于对实用抗震设计方法的研究。

3.2设计理论需要进一步完善
目前国内的建筑规程虽然对圆钢管混凝土构件和方钢管混凝土构建的设计做了有关说明，但有些依据还不能非常准确地描述方钢管混凝土柱体构件的性能，相差误差还比较大，设计过程仅仅对混凝土和钢管部分进行简单的叠加，这样降低了该结构的优势。

而采用研究理论进行计算时，公式却显得过于烦琐，还需要结合实际的实验数据进行大量简化。

3.3结构形式需要进一步完善
由于钢管混凝上构件的抗弯性能低于抗压性能，因此钢管混凝土框架抗侧力性能比较弱，仅采用框架结构一般不能满足抗震要求，需要增加抗侧力体系，一般为柱间支撑。

但是柱间支撑的增加限制了建筑开窗的灵活性。

因此，进行该类型住宅设计需要建筑和结构有机结合。

3.4节点的优化设计
梁柱刚接节点，需要传递弯矩。

在现场施工时，如果仅对钢管进行节点拼接，由于略去混凝土部分的抗弯承载力，节点强度将低于构件强度，不符合“强节点，弱构件”的设计原则。

而考虑节点处混凝土部分的作用，施工时不可避兔混凝土的二次浇注，不符合全装配式住宅施工要求。

因此对于梁柱端头和节点均应另行设计，节点的优化设计和试验将成为设计工作中的重要部分。

3.5结构防火处理
虽然钢管混凝土具有较好的抗火灾性能，并且通过理论计算和工程实例验证。

但目前的规程仍规定按照钢结构防火要求处理，防火处理将大量增加工程造价，该问题已成为钢管混凝土结构和轻钢结构在工程应用中的瓶预问题。

4 结束语
多层轻钢建筑中采用方钢管混凝土结构可大大增加其结构的承载力和可靠度，提高建筑品位，缩短施工工期，提高了住宅的抗震性能，节省了建筑过程的有关材料费用，具有非常好的经济效益和社会效益。

对于目前木材、矿产资源缺乏的国情来说，方钢管混凝土柱体构建是相当具有发展潜力结构形式。

但是，由于国内建设设计人员对方钢管混凝土构件的各种性能的研究分析工作才处于比较初级的阶段，在其结构布置、设计方法、施工措施等方面的技术还需要进一步
提高。

参考文献
[1] 徐祖元. 首都博物馆新馆钢结构工程施工技术[J]. 建筑技术，2006，（09）
[2] 宋国涛,高日，刘智敏等. 一种新型钢-混凝土组合桁架的特点及应用[J]. 建筑技术开发，2005，（03）
[3] 陈全，石永久，王元清等. 钢-混凝土叠合板组合楼盖在多层轻钢房屋中的应用[J]. 工业建筑，2001，（06）。