我国钢管混凝土柱在冶金、造船、机械等行业重型厂房中的应用较多^[1], 此类厂房结构高、起重机吨位大、使用要求高, 钢管柱通常做成双肢柱或多肢柱, 多个工程项目应用证明应用钢管混凝土柱的经济效益十分显著。随着高强混凝土的发展和推广应用, 迫切需要钢管的套箍作用克服其脆性, 此时钢管混凝土技术才被大量应用。

在工业厂房特别是重型厂房中, 钢管混凝土柱主要为多肢形式。随着钢管混凝土的应用其出现的问题也越来越多, 尹子峰等^[2]指出由于冬季施工管内混凝土自由水冻结使得30多根钢管混凝土柱出现钢管开裂等问题;杨仁山等^[3]以临港浮体厂施工为例, 分析格构式钢管混凝土柱在其腔内混凝土快速顶升时产生涨裂的原因。以上工程实例表明, 钢管混凝土结构在施工过程中, 如果对顶升引起的荷载估计不足, 可能引发工程事故。

某公司金工车间扩建项目中厂房总长174m, 宽60.5m, 建筑高度32.2m, 总建筑面积8 800m²。车间为单层两连跨钢结构厂房, 其中封闭式主跨跨距36m, 局部敞开跨跨距24.5m。采用钢筋混凝土独立双杯基础, 排架柱采用双肢钢管混凝土和H型钢组合柱, 柱总高33.2m, 双肢钢管柱分别在距管底14.87, 22.67m处各设1道肩梁, 自22.67m处肩梁以上为H型钢柱, 采用610, 710钢管。其中外侧柱肢设计顶升高度为基础顶标高以上21.670m, 内侧柱肢设计顶升高度为基础顶标高以上13.870m, 钢管内浇筑C40混凝土。屋架主钢架采用变截面H型钢梁, 腰梁及屋面采用C型钢, 围护结构采用双层压型钢板, 内部填嵌岩棉。

钢管柱采用场外加工、现场吊装的模式, 管身采用卷管埋弧焊。为方便运输, 先将钢管柱柱身与肩梁组成一体, 并与H型钢上柱一同运至现场, 待组装成整体后开始吊装。

钢管可作为模板, 且有良好的强度和密闭性。一般情况下钢管内部无钢筋骨架, 所以混凝土浇筑十分方便, 可采用泵送顶升浇筑法、立式手工振捣法或高位抛落无振捣法。本工程选用泵送顶升浇筑法, 工艺流程为:在钢管接近地面适当位置安装1根带闸门的进料支管, 直接与泵车输送管相连, 由泵车压力将混凝土连续不断地自下而上顶升灌入钢管, 无需振捣;混凝土泵送顶升浇筑结束后控制泵压2～3min, 然后打入止流闸门, 即可拆除混凝土输送管;待管内混凝土强度达到70%设计强度后切除进料支管, 补焊洞口管壁, 补洞钢板宜为开洞时切下的钢板。

空钢管柱安装就位后, 在施工阶段将承受上部屋架自重、施工荷载及混凝土浇筑时的静水压力。主要研究静水压力作用下的钢管柱力学性能, 并将研究结果用于指导施工方案的选择。将泵送顶升动力过程简化为拟静力过程进行分析, 找出顶升施工过程中的最不利位置, 并对柱身所受影响进行分析, 以便为后续施工提供依据。

仿真分析模型既要反映工程实际情况, 使结果具有足够精度;同时也要进行合理简化, 节约计算量及时间。考虑钢管壁厚较大等因素, 采用壳单元模拟双肢柱钢管。

根据排架柱设计资料及上述基本假设, 按照有限元理论分析要求建立双肢柱空间模型, 如图1所示。模型具有以下特点: (1) 由25 561个单元组成, 均为由映射网格划分得到的四边形单元; (2) 钢管柱斜腹杆与主管相交部位及钢板与主管相交部位均进行网格细化, 对需要细化部分的相贯线或相交线进行网格划分数目设定; (3) 仅考虑空钢管柱的受力。

建立有限元模型时采用一系列力学假定, 便于排除次要因素的影响, 使计算结果更为直观, 主要假定如下。

1) 不考虑湿混凝土与钢管壁间的摩擦, 管内流态混凝土只传递液压力。

2) 浇筑完成时的湿混凝土静水压力为P=ρ_cgH₁, ρ_c, H₁分别为未固结的混凝土密度及管内浇筑高度。

3) 忽略泵送顶升浇筑时泵动压力的影响。

根据文献[4], [5]可知, 管内混凝土在顶升浇筑完成时达到最高位置, 此时钢管柱各点静水压力达到最大。

由钢管柱应力、应变云图可知, 混凝土顶升至最高位置时, 钢管最大应力、应变均发生在距浇筑口最近的节点部位, 最大应力≤51.5MPa, 最大应变约为3.6×10^-4, 不会引起柱身发生破裂或不可接受的变形。

对管内混凝土浇筑至不同高度时的钢管柱进行受力分析, 结果如图2所示。由图2可知, 在静水压力作用下, 钢管柱最大应力、应变随柱内混凝土浇筑高度近似呈线性变化。

当不具备有限元分析能力时, 可采用相对传统的压力容器受力公式进行计算, 并将计算结果作为控制依据。

本工程圆形钢管柱管径与壁厚之比较大, 钢管柱固定就位后两端封闭, 可近似视为旋转薄壁壳体。工程实际中, 即使壳壁很薄, 壳体中仍存在一定弯曲应力, 如果在计算过程中略去不计, 误差仍在允许范围内, 可大大简化计算。当采用薄壁容器相关方法进行分析时, 假定微元体仅受拉应力和剪力, 即假设应力沿壁厚均匀分布, 忽略壳壁中弯矩的影响^[6]。建立微元体平衡方程式和壳体区域平衡方程式如下:

式中:t为壁厚 (mm) ;ρ₁为第1 (经线) 曲率半径 (mm) ;ρ₂为第2 (纬线) 曲率半径 (mm) ;为径向应力 (MPa) ;σ_θ为环向应力 (MPa) ;p为作用于壳体内表面的压力 (MPa) ;d为单元体2个第1曲率半径夹角 (rad) 。

因钢管柱属于竖向构件, 可忽略初凝前内部混凝土自重。同时, 混凝土对钢管的作用力为轴对称荷载, 在同一截面上各处相等且垂直于管壁内表面, 此时p为常数。圆钢管中存在以下几何关系:

式中:r为平行圆半径 (mm) 。

将式 (3) 和式 (4) 代入式 (1) 和式 (2) 可分别推导出σ_θ, 。对半径为r的圆筒壳体有ρ₁=∞, ρ₂=r, 按文献[7]中压力容器承压计算公式可得:

式中:p_w为焊缝最大允许压力 (MPa) ;D_i为钢管内径 (mm) ;[σ]为材料许用应力设计值 (MPa) 。

计算结果相比有限元分析结果偏于安全。

钢管柱肩梁通常作为吊车梁轨道等的承力点, 在使用过程中受力复杂。肩梁部位因腹板插入钢管在内部形成多道竖向对接焊缝和水平环向焊缝, 同时受周边加劲板的影响, 构造和受力情况极为复杂。节点组装过程中焊缝焊接质量受人为因素影响较大, 尤其是钢板厚度较大时。顶升过程中混凝土作用于此类节点的压力较大, 个别焊缝失效后引起爆裂, 影响整个钢管结构的完整性, 因此需计算焊缝承载力。

为简化计算, 仍将管身视为密闭的旋转薄壁壳体容器, 壁厚与直径相比可忽略不计, 假设混凝土按液体考虑, 管内混凝土压强为P, 则在任意一个圆形断面管身钢板同时受轴向和径向2个方向力的作用。

1) 钢管柱受到的轴向力为:

2) 钢管柱受到的径向力为:

式中:δ为轴向应力 (MPa) ;δ₀为径向应力 (MPa) ;l为平行圆半径 (mm) 。

3) 为简化计算, 忽略轴向力影响, 选取管身最不利部位焊缝, 得到焊缝最大允许压力为:

由计算结果可知, 当管内压强达到17.61MPa时会引起对接焊缝破裂。

通过2种方法对管身整体耐压力进行计算, 得到管身最大承压力在有限元分析时为51.5MPa, 在简易计算时为17.10MPa;同时选取管身最不利部位焊缝进行计算, 得到最大许用应力为17.61MPa。通过计算分析掌握了管身整体及局部受力情况, 顶升时管身所受最大应力应小于上述最小值才能保证整体完整性, 与相关文献及类似工程调研结果相符^[8,9,10]。

混凝土浇筑过程中对钢管柱进行实时应力监测并收集数据, 施工完成后分析监测数据与理论数据的符合程度, 可为后续施工和研究提供依据。

1) 加强钢管柱制作过程质量管控, 可有效减少焊缝部位出现隐患的可能, 保证钢管柱管内混凝土泵送顶升过程中的柱身安全和完整性。

2) 通过有限元分析得到最不利状态下构件各部位应力状态, 采用简易方法验算, 并与有限元结果进行对比, 验证简易计算方法的适用性及精度。

3) 使用传统计算方法对可能发生破裂的焊缝进行进一步复核, 确定最终的泵送压力, 保证输送泵选型合理及钢管柱身安全。