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1、矩形钢管混凝土结构的经济分析第 l8 卷第 4 期2001 年 12 月特种结构 V0I.18No.4Dec.2001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.加快丁施工进程矩形钢管砼构件作为建筑中的粱和柱,其塑性和韧性都很好,而且节点处理方便,目前已得到广泛地应用,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
2、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究与探索.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去和设计理论,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,用聚台物拌台钢纤维,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究是一种创新和有益的探索,本刊将墙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 2O0O92
3、)(Yo,g/iUniversity.)摘要本文对混合结构,轻钢结构和矩形钢管混凝土结构的梁柱进行了经济比较,说明矩形钢管混凝土结构在多层住宅领域中有较好的经济效益.关键词矩形钢管混凝土结构性价比经济分析ABSTRACTthispgeT,economy.,beamsandcotumofcombinationcotruction,妇缸矾steelcotructionandsteelrecto2tgu!ar 如日 withplainconoteisetaluated.nbeexplainedthatsteel 哪 tubewithctJ2rett?hasbeuereconomyinthedomes
4、tic.KEYWORDSStee1g 如 rtubeledco?lcrett?RatioofpropertyandpriceEconomwanalysis概述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
5、别计算其承载力之和比较要高出 1.7 倍,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SPECIALSTRUCTURES.42001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,基础承台亦为现浇棍凝
6、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桩基.1特种结构 2001 年第 4 期图 1 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 1OOmra 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20Ox20Ox16000 预制方桩(C25).砖混结构材料用量:墙砖 558.66m3,混凝土用量
7、369.29m3.折合单位面积用砖量 0.393,混凝土量 0.26o?,结构造价约为 555 元/m2.同样的建筑改用钢管混凝土框架剪力墙结T_厂l构,柱与梁均采用矩形钢管混凝土,柱截面为 2002OOmra(边柱 )和 20Ox250nm(中间柱);梁截面为 150x250ram(边粱)和 150300|rrI(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 80rrn,柱间设角钢支撑,主要布置在房屋两端,采用 15020O 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
8、:钢管 38.25t,梁,柱素混凝土(C50)59.70m3,楼板混凝土(C30)148.72m3,压型钢板 15t,柱间支撑 5.7t,加气混凝土砌块 1964.66m3,折合单位面积用钢量 30.9kg.混凝土用量 0.208m3,造价约为 610 元/.图 16 层住宅 1 梯 2 户标准层平面图从上述分析可见,混合结构造价比钢管混凝土结构造价便宜 55 元/,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;
9、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,故不需打桩,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一2 一如果上述钢管混凝土结构全用轻钢结构弋替,将会增加整体造价.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(图 1),轻钢结构粱柱代替钢管混凝土结构,柱为高频电焊型钢 300x1506x10(边柱)
10、和 30020Ox6xlo(中间柱),所有柱均外包 C30 厚 50rrma 的混凝土,用 12qrf20 钢筋加强,梁也是高频电焊型钢 350150610SPECIALSTRUCI1JRESN042001.十._No.42001 沈之容等矩形钢管混凝土结构的经济分析(边梁) 和 4002006lo(中间梁),不包混凝土,粱与柱节点为剐性连接,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 的栓钉连接形成钢粱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.寰 1 钢瞥混凝土与轻钢结构比较杓件柱 H=加 0D 哪 f=
11、姗 n截!1_jl上面=f1 圉形截面31.I7=3136cL=吣 5 曲=粥 64删特性:368=5 呛;6哪 E=l5625撮报承载力(N)2I 砌kN】口 5mI 僻 I?m材辩.铜昔舒昆蕞土( 咖)H246 挂凝土(咖)型钢 m.】虹重量0.1100IIl【,造愤(P)281 元瑚元拥元 544 元_性竹比 M72 配 0 强 0 加材质嘟a 柱截面 b.组台桨截面图 2 轻铜结构柱和粱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(1230)195m3,基础混凝土(c25)118,折合单位面积用钢量 45.7kg,混凝土用量 0.2
12、2m3.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元/m2.三,钢管混凝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SPECIALSmUCnJRESN0.42001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用 2m 一 6rrn,钢管壁越厚,其紧箍混凝土的系数越大,构件承载力越高,同时耗钢量增加,造价也会增加很多混凝土强度常用 C30 一 C70,强度越高,其价格也高,用高强度混凝土无疑
13、会增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 200x2nflnl,高度 3000m,钢材为 O235 钢.寰 2 枷 x 枷方柱(H=30 帅 mJ 钢管混凝土构件的性价比锕管套羹材辩用量承鼗蓬价(壁厚程 J 灶梅恃锕杩忭钢性情吨翟度等缎系数钢管掘疆土整津比蛔整体此饲(f()()1%)l 元)【%1B 位嘞 I 懈 B20*I 堋如 972.0 瑚 0 加 0【l 蹦墒 m9锄 O32l5l】2l伪 0 盈聊 mBIo00I【212 翻 69咖 0 商 21g 啦 BB30 咖 00IIj 岱即 B9
14、哂 00 精丑9BC 弛 O 龃博搿 10J为钢管截面面积止为混凝上截面面积;2材料平均价:钢管(.235 钢)320o 元混凝土 C30-3元/.G4350 元/,C50100 元/C(450 元.C)0-500 元一3特种结构 2001 年第 4 期1.套箍系数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.总之值越大,钢材所占比重大,混凝土所占比重较小.2 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
15、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 l=2mm,C70,N=2327kN 与 t=6mm,C40,N=2301kN),而造价却不大相同.前者为 177 元,后者高 388 元.3.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.4.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 l=2mm,C70 的承载力(N=2327kN)几乎比 t:2mm,C30 的承
16、载力(N=1268kN)大一倍,而造价却增加不多,仅增加 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.四,结论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:1.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增长,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 .2.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4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晟小为4mm03.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
