管材展-钢管展-2024广州国际管材及管材加工设备展－-巨浪展览-THE 24th CHINA(GUANGZHOU)INT'L TUBE & PIPE PROCESSING EQUIPMENT EXHIBITION

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矩形钢管混凝土结构的经济分析-管材展-钢管展-2016广州国际管材展－中国展出效果最好的管材展-巨浪展览-The 17th China(Guangzhou)Int'l Tube&Pipe Expo
2015年10月30日管材展-钢管展-steel tube expo-tube &pipe expo

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特种结构bookmark0编者按：钢管砼结构是一种新型建筑构件，薄壁钢管内填灌素砼，有效地提高了钢管局部稳定，在钢管紧箍下，核心砼处于三向压应力状态，提高了砼材料性能。钢管与砼相结合充分发挥各自优势，承载力大大提高，从而使构件截面减小，整体重量减轻，节省了材料和造价。钢管砼构件可在工厂预制，作为一种建筑产品，运到施工现场组装，加快了施工进程。
　　矩形钢管砼构件作为建筑中的梁和柱，其塑性和韧性都很好，而且节点处理方便，目前己得到广泛地应用，取得较好的经济效益和社会效益。有些国家还制定了相应的规范。目前钢管砼结构设计理念基本上还是简单的叠加思想，没有发挥钢与砼2种材料组合后的性能优点。矩形钢管砼结构的力学性能有必要进一步研宄与探索，寻求钢管与砼之间相互作用而产生的效应，进而计算不同标号材料组成的构件，在不同荷载形式下的极限承载力，同时确定实用计算方法和设计理论，通过试验验证而用于实际工程设计。
　　在钢管砼中掺合少量钢纤维来提高和改善砼的受力性能是一种较好的方法，用聚合物拌合钢纤维，又增强了砼与钢纤维的粘结力。通过试验证实了这些措施可提高钢管砼结构的承载能力。
　　钢管砼结构的试验研宄是一种创新和有益的探索，本刊将陆续刊载此方面的一些优秀文章。
　　矩形钢管混凝土结构的经济分析沈之容蒋涛（同济大学上海200092）形钢管混凝土结构在多层住宅领域中有较好的经济效益。
　　多层住宅采用矩形钢管混凝土构件组成框架剪力墙结构是目前较先进的一种结构体系。由矩形钢管混凝土柱和梁组合成刚性连接的框架结构，采用现浇混凝土楼板、钢结构支撑、新型轻质内外墙体这种结构体系具有很好的经济和社会效益。
　　矩形钢管混凝土结构是在薄壁钢管内充填素混凝土，有效地提高了钢管的局部稳定，钢管对混凝土的紧箍作用又提高了混凝土的承载能力。钢管与混凝土相结合，相互取长补短，充分发挥各自优势。试验研究表明：钢管混凝土的承载力与同样截面尺寸的两种材料，分别计算其承载力之和比较要高出1. 7倍1，因此，钢管混凝土结构发挥了两种材料的潜力，可使构件截面减小，承载能力提高，整体重量减轻。
　　钢管混凝土构件一般都是在工厂预制，营造成一种建筑产品，运到施工现场进行组装，可以说是全新的工业化、标准化和集约化的房屋生产方式。采用钢管混凝土结构房屋体系是加快城市旧区改造，实现住宅产业化、现代化，提高住宅经济和社会效益的重要措施。
　　一、钢管混凝土结构与混合结构比较多层住宅最传统的结构形式是砖与混凝土的混合结构。一般做法是：承重墙采用普通砖墙结构，构造柱与圈梁均为钢筋混凝土结构，楼板为现浇钢筋混凝土板，基础承台亦为现浇混凝土。由于上海（这样的地区）属于软土地基，6层以上住宅必须采用基。
　　为普通6层住宅，1梯2户标准层建筑平面图，其平面面积每层223.56m2+13.44m2（阳台）=237m2，6层总面积为1422m2.根据计算：房屋山墙及横向承重隔墙采用37墙，纵向外墙及内隔墙采用24墙，填充墙为12墙，均为普通砖；楼板为厚度100mm的现浇混凝土板（C30）；构造柱和圈梁均为钢筋混凝土（C30）；基础承台为现浇混凝土（C25），并采用200X200X16000预制方（C25）。砖混结构材料用量：墙砖558. 66m3，混凝土用量369.单位面积用砖量0.393m3，混凝土量0.260m3，结构，柱与梁均采用矩形钢管混凝土，柱截面为200X200mm（边柱）和200X（中间柱）；梁截面为150X250mm（边梁）和150X300mm（中间梁）；钢管材料均为Q235钢，壁厚4mm，素混凝土用C50.楼板为压型钢板现浇混凝土，厚度为80，柱间设角钢支撑，主要布置在房屋两端，采用150~200厚加气混凝土砌块内外墙。基础为片筏基础，底板厚度250mm，立柱之间有地梁并与筏基现浇成整体。其材料用量为：钢管38.25t梁、柱素从上述分析可见，混合结构造价比钢管混凝土结构造价便宜55元/m2，相当于便宜9%.钢管混凝土柱和梁都是工厂预制，现场组装，施工周期大大缩短。6层钢管混凝土住宅，采用轻质墙体其整体重量相当于同样建筑面积混合结构的60%；压型钢板混凝土楼面施工时可免除支撑，甚至可以隔层同时施工，加快施工进度；铰接柱改善了基础受力，6层钢管混凝土结构房屋整体重量相当于4层普通砖混结构重量，故不需打，节约了基础造价。所以两种结构方案进行综合比较可以说大致持平。
　　二、钢管混凝土结构与轻钢结构比较如果上述钢管混凝土结构全用轻钢结构代替，将会加整体造价。表1为钢管混凝土和轻钢结构常用截面的技术经济比较。
　　同样高度（跨度）柱和梁的两种结构比较，其极限承载力差不多，但造价大不相同，轻钢结构比钢管混凝土贵2 8倍（柱）和1.96倍（梁），性价比要降低33%（柱）和53%（梁）。
　　在同一建筑中（），轻钢结构梁柱代替钢管混凝土结构，柱为高频电焊H型钢300X150X6\10（边柱）和300\200\6父10（中间柱），所有柱均外包C30厚50mm的混凝土，用12Y0钢筋加强，梁也是高频电焊H型钢350X（边梁）和400X 10（中间梁），不包混凝土，梁与柱节点为刚性连接，可免去抗剪支撑。钢材为Q345钢，可充分利用高强轻质特点。楼板仍为钢筋混凝土现浇板，与梁用19mm的栓钉连接形成钢梁混凝土楼板的组合结构，柱与基础铰接。
　　内外墙仍用轻质加气混凝土砌块。
　　表1钢管混凝土与轻钢结构比较轻钢结构柱和梁轻钢结构的材料用量：H型钢（Q345钢）66t，连接件等480kg柱外包混凝土和楼板混凝土195m3，基础混凝土（C25）118m3，折合单位面积用钢量457kg混凝土用量0.22m3.结构造价约为712元/m2.从上述分析可见，轻钢结构造价比钢管混凝土结构造价贵102元/m2，比混合结构造价贵157三、钢管混凝土构件的优化设计多层住宅采用矩形钢管混凝土框架结构，与砖混结构或轻钢结构比较，优势是明显的，即比砖混结构施工要快很多，比轻钢结构造价要低不少。
　　但是钢管混凝土结构还有钢管壁厚和混凝土强度搭配的问题。一般来说钢管壁厚可~6mm，钢管壁越厚，其紧箍混凝土的系数越大，构件承载力越高，同时耗钢量加，造价也会加很多。混凝土强度常用C30~C70，强度越高，其价格也高，用高强度混凝土无疑会加构件承载力及其造价的。
　　表2为钢管混凝土柱5种不同管壁厚度和5种不同混凝土强度的承载力和造价分析，所有柱均为轴心受压、截面200X表2200X200方柱（H=3000m）钢管混凝土构件的性价比钢管壁厚混凝土强度等级套箍系数材料用量承载力N性价比（N/P）钢管混凝土构件整体钢占比例构件整体（元）钢占比例注：1.其中，为钢材屈服极限为混凝土抗压强度标准值，为钢管截面面积，为混凝土截面面积；2.套箍系数5反映出钢管混凝土中的钢管和核心混凝土几何和物理特性参数的影响。壁厚较薄的钢管对核心混凝土约束较小，厚壁钢管的套箍系数比薄壁钢管大很多。不同混凝土强度的套箍系数也不相同，高强度混凝土被约束的影响比较小。总之5值越大，钢材所占比重大，混凝土所占比重较小。
　　钢管壁厚不变的情况下混凝土强度等级越高，构件承载力也越高。混凝土强度不变时，钢管壁越厚，当然构件承载力越大。如果薄壁钢管和高强度混凝土搭配与厚壁钢管和低强度混凝土搭配其承载力比较接近（如t=2mmC70，N =2301kN），而造价却不大相同，目LI者为177兀，后者高388兀。
　　钢管混凝土柱的承载力由钢管及其被约束的核心混凝土共同组成，但钢所占的份额不大。大多数承载力由混凝土负担，而其价格正好相反，钢管造价占了构件整体造价的大多数份额。
　　构件的承载力（N）及其造价（P）组成性价比（N/P），性价比越高，其经济效益越好。例如钢管混凝土柱t=2mm，C70的承载力（N=2327kN）几乎比t=2mmC30的承载力（N=1268kN）大一倍，而造价却加不多，仅加177元一154元=23元。所以采用薄壁钢管和高强度混凝土搭配是一种优化的选择。
　　矩形钢管混凝土结构用在多层住宅是一个发展方向，它有很多优点，会产生较大的经济和社会效益。
　　通过钢对管混凝土柱和梁（梁的各种钢管壁厚与混凝土强度搭配，其极限弯矩、造价和性价比与柱的计算结果类似）的分析比较可以得出下列结论：混凝土强度等级越高，其性价比越高。但是混凝土强度等级不能无限长，因为高标号混凝土浇制比较困难，实际价格往往超出市场平均价格，所以采用C50比较合理。
　　钢管壁厚越薄，其性价比越高。但实际上不能单从承载力和造价来考虑，还要考虑锈蚀、防火和使用年限等问题。钢管壁太薄对防锈和防火均不利，所以有些规范规定钢管壁厚最小为钢管混凝土梁、柱具有优良的耐火性能，火灾时钢管混凝土梁、柱由于填充混凝土的热容量在受力情况下，可以耐受较长时间的火灾作用。
　　因此在一定条件下，可不进行耐火被覆。无耐火被覆的钢管混凝土柱在火灾2h后尚有40%的强度，无被覆钢管混凝土柱边宽250mm时可耐火钢管混凝土梁、柱采用闭口管，内灌素混凝土，其内壁不会腐蚀，仅外周暴露，比一般轻钢结构里外暴露要好很多。如采用国产09磷铜稀土（09PCuREA）高耐侯钢，则其耐大气腐蚀性能比Q235钢高3~5倍。建成后一次油漆至少可保持50年目前耐侯钢比Q235钢贵20%左右，但其强度比Q235大40%，总体上是比较合算。
　　钢管混凝土结构房屋较轻，其6层整体重量相当于砖混结构房屋的4层，自重轻，其抗震性能好。另外钢管混凝土梁、柱壁厚仅4mm压型钢板厚度0.8mm其节点板与焊缝均很薄，所以梁、柱的韧性良好，也就是比较耐震。
　　钢管混凝土结构中梁、柱节点均为焊接，房屋两边角部分自底到屋顶均设柱间支撑，外环梁形成‘圈梁“与现浇混凝土楼板连在一起，通过支撑强整体刚度，有利于房屋抗震。
　　总而言之，钢管混凝土结构多层住宅，由于重量轻有利于基础及抗震，施工快有利于旧区改造、动迁回搬和投资周转综合经济效益，显示了新型住宅的优越性。

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