結構工程師輔導：鋼管混凝土構件在無站臺柱雨棚中的應用

   1 引言
       隨著我國鋼結構設計、科研、施工隊伍的日益強大，契合我國經濟迅速發(fā)展、人民生活水平不斷提高，對鐵路站房建筑提出新的要求，越來越多的大跨度無站臺柱雨棚在我國新時期車站中建設成功。無站臺柱雨棚設計簡潔明快、造型美觀、富有時代感和藝術氣息，使車站站臺視野寬闊、空間明亮、通行方便，展現出了鐵路新形象。而鋼管混凝土柱以其造型流暢、結構受力性能好、截面尺寸經濟、施工方便等優(yōu)勢在無站臺柱雨棚中得到廣泛應用。
   2 鋼管混凝土構件的基本概念及特點
       鋼管混凝土（concrete filled steel tube，簡寫為CFST）是指在鋼管中填充混凝土而形成的構件，按截面形式不同，可分為矩形鋼管混凝土、圓鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土等，工程中常用的幾種截面形式有圓形、正方形和矩形。鋼管結構混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，即鋼管對混凝土的約束作用，使混凝土處于復雜應力狀態(tài)之下，從而使混凝土的強度得以提高，塑性和韌性性能大為改善。同時，由于混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，可以保證其材料性能的充分發(fā)揮，另外，在鋼管混凝土的施工過程中，鋼管還可以作為澆注其核心混凝土的模板，與鋼筋混凝土相比，節(jié)省模板費用，加快施工速度。總之，通過鋼管和混凝土組合而成為鋼管混凝土，不僅可以彌補兩種材料各自的缺點，而且能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)點，這也是鋼管混凝土組合結構的優(yōu)勢所在。鋼管混凝土構件有如下特點：
   （1）承載力高1/5，當有殘余應力存在時，影響將更大。在鋼管中填充混凝土形成鋼管混凝土后，鋼管約束了混凝土，在軸心受壓荷載作用下，混凝土三向受壓，延緩了受壓時縱向開裂。而混凝土卻可以避免或者延緩薄壁鋼管過早發(fā)生局部屈曲，兩種材料相互彌補了彼此的弱點，發(fā)揮彼此的長處，從而使鋼管混凝土具有很高的承載力，大大高于組成鋼管混凝土的鋼管和核對于薄壁鋼管來說，其臨界承載力極不穩(wěn)定，因為它對局部缺陷很敏感。實驗證明：薄壁鋼管其實際承載力往往只有理論計算值的1/3心混凝土單獨承載力之和，產生所謂“1 ＋ 1>2”的“組合”效果。
   （2）塑性和韌性好混凝土脆性較大，高強混凝土（各國對高強混凝土的定義有所不同，在我國，一般指立方體抗壓強度標準值f cu，k≥50MPa 的混凝土）更是如此，其工作的可靠性因此大為降低。如果將混凝土灌入鋼管中形成鋼管混凝土，核心混凝土在鋼管的約束下，不但在使用階段改善了彈性性質得到了改善，而且在破壞時具有很大的塑性變形。試驗結果表明，圓鋼管混凝土軸心受壓短柱破壞時即使壓縮量很大，但仍沒有呈現脆性破壞的特征。此外，這種結構在承受沖擊荷載和振動荷載時，也具有很大的韌性。由于鋼管混凝土具有良好的塑性和韌性，因而抗震性能良好。
   （3）施工方便與鋼筋混凝土相比，采用鋼管混凝土柱沒有綁扎鋼筋、支模和拆模等工序，施工簡便。因管內無鋼筋，混凝土澆灌容易，振搗密實。特別是目前采用泵送混凝土，高位拋落不振搗混凝土和免振自密實混凝土等施工工藝，更可加速鋼管混凝土構件的施工進度。與預制鋼筋混凝土構件相比，不需要構件預制場地；與鋼結構構件相比，鋼管混凝土的構造通常比鋼結構構件簡單，焊縫少，易于制作。特別是組成鋼管混凝土構件的鋼管壁厚一般均較小，現場拼接焊簡便快捷。由于空鋼管構件的自重小，可以大大減少運輸和吊裝等費用。此外，鋼管混凝土柱不論是單管柱或組合柱，和普通鋼柱相比，柱腳零件少，焊縫短，可以直接插入混凝土基礎的預留杯口中，免去了復雜的柱腳構造。鋼管混凝土在施工制造方面一個重要的發(fā)展方向是其鋼管以及與鋼梁或鋼筋混凝土梁連接節(jié)點制造的標準化。鋼管混凝土本身的施工特點符合現代施工技術工業(yè)化的要求，可以大量節(jié)約人工費用，降低工程造價。
   （4）耐火性能較好由于組成鋼管混凝土的鋼管和其核心混凝土之間相互貢獻、協(xié)同互助、共同工作的優(yōu)勢，使這種結構較鋼結構具有更好的耐火性能，因而可降低防火造價。另外，火災后，隨著外界溫度的降低，鋼管混凝土結構已屈服截面處鋼管的強度可以得到不同程度的恢復，截面的力學性能比高溫下有所改善，結構的整體性在火災中也將有所提高，這不僅為結構的加固補強提供了一個較安全的工作環(huán)境，也可減少補強工作量，降低維修費用。
   （5）經濟效果好作為一種較為合理的結構形式，采用鋼管混凝土可以很好地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料的特性和潛力，使材料得到更為充分和合理的應用，因此，鋼管混凝土具有良好的經濟效果。大量工程實際表明：采用鋼管混凝土的承壓構件比普通鋼筋混凝土承壓構件約可節(jié)約相當的混凝土，減輕結構自重，鋼材用量略高或約略相等；和鋼結構相比，可節(jié)約約一半的鋼材。
   3 鋼管混凝土構件構件在無站臺柱雨棚中的應用
       大跨度無站臺柱雨棚的橫向跨度和縱向柱距都較大，柱承載非常大，而無站臺柱雨棚要求柱不 能立在站臺上，而一般立在股道線之間，這樣，柱的尺寸受到限制。同時，雨棚柱的施工周期也受到限制，以減少對鐵路線路運行的影響。顯然，在諸種條件下，采用鋼管混凝土柱是非常適宜的。因此，現在無柱雨棚柱采用主要形式是鋼管混凝土柱。表1 為鋼管混凝土柱在我國大跨度無柱雨棚中的應用情況。鋼管混凝土主要利用強度很高的混凝土受壓，所以這種結構最適用于作軸心受壓與小偏心受壓構件。因為通常采用圓形截面，截面高度較小，所以在受彎矩作用時顯然并無優(yōu)勢可言，甚至是不利的，因此，在無站臺柱雨棚結構中，有意識的利用結構形式的改變，把結構的彎矩轉化為軸向力，減少柱彎矩，從而改善鋼管混凝土柱的受力特性。在無站臺柱雨棚設計中，要減少柱的彎矩，主要的措施是減少軸向力的偏心和減少柱端彎矩。主要方法如下：
   （1）盡量讓雨棚粱彎矩自身平衡。雨棚粱不論采用剛架、桁架或拱，在粱柱連接處，節(jié)點彎矩都應平衡，粱彎矩之和應與柱端彎矩大小相等，方向相反。因此，為減少柱端彎矩，應盡量讓粱柱節(jié)點處粱彎矩之和減少。對于多跨雨棚，應讓雨棚各跨跨度接近，則中部粱柱連接節(jié)點處左右兩粱邊彎矩大小相差不大，而方向相反，在抵消后柱端的反向彎矩也不大；對于單跨雨棚，可在兩側采用懸挑，在柱上部采用拉索（撐桿）連接屋蓋懸挑端和中跨，這樣，有效的減少了懸挑桁架端部彎矩，同時平衡中跨端部對柱頂產生的彎矩，使彎矩通過拉索傳遞到柱頂部，轉化成鋼管混凝土軸壓力。張家界站無站臺柱雨棚主跨度為20.5m，兩側各懸挑19.25m，結構采用630 變肢距（1.2 3.0m）鋼管混凝土雙肢柱，在柱上部采用拉索連接屋蓋懸挑端和中跨，結構受力合理，造型輕盈、美觀。
 （2）通過斜撐桿連接柱和粱在中柱上方，斜撐桿與粱柱都鉸接，而柱和粱不直接相連，那么粱柱相當于鉸接，即柱基本只承受軸向力，如泰州站無站臺柱雨棚懸挑側柱和粱采用撐桿連接，斜撐桿減少了桁架跨度，同時變柱頂彎矩為軸向力，改善了鋼管混凝土柱的受力性能。對于邊跨無懸挑結構時，增加斜撐桿，能讓本須完全由粱柱節(jié)點傳遞的彎矩和軸力部分通過斜撐桿軸向力而作用于柱上，這樣一方面減少了主粱的跨度，另外一方面增加柱的抗側能力，而主粱也因斜撐桿起到類似起拱的作用，減少了柱端的彎矩。
 4 小結
        鋼管混凝土柱憑借承載力高、塑性韌性好、耐火性能好、經濟效果好、施工方便等諸多優(yōu)異特點，正被越來越廣泛的應用于高層和超高層建筑、橋梁結構以及單層多層工業(yè)廠房等結構中在大跨度無站臺柱雨棚結構中，柱子大偏心受壓情況下采用鋼管混凝土柱并不妥當，但利用結構形式的改變，減少柱端彎矩，使柱子變成軸心受壓或者小偏心受壓，此時，采用鋼管混凝土柱，柱截面經濟，造型優(yōu)美，能適合無站臺柱雨棚要求。