結(jié)構(gòu)工程師輔導(dǎo)：鋼管混凝土構(gòu)件在無(wú)站臺(tái)柱雨棚中的應(yīng)用

   1 引言
       隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、科研、施工隊(duì)伍的日益強(qiáng)大，契合我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、人民生活水平不斷提高，對(duì)鐵路站房建筑提出新的要求，越來(lái)越多的大跨度無(wú)站臺(tái)柱雨棚在我國(guó)新時(shí)期車站中建設(shè)成功。無(wú)站臺(tái)柱雨棚設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明快、造型美觀、富有時(shí)代感和藝術(shù)氣息，使車站站臺(tái)視野寬闊、空間明亮、通行方便，展現(xiàn)出了鐵路新形象。而鋼管混凝土柱以其造型流暢、結(jié)構(gòu)受力性能好、截面尺寸經(jīng)濟(jì)、施工方便等優(yōu)勢(shì)在無(wú)站臺(tái)柱雨棚中得到廣泛應(yīng)用。
   2 鋼管混凝土構(gòu)件的基本概念及特點(diǎn)
       鋼管混凝土（concrete filled steel tube，簡(jiǎn)寫為CFST）是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)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(jié)構(gòu)混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過(guò)程中的相互作用，即鋼管對(duì)混凝土的約束作用，使混凝土處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)之下，從而使混凝土的強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性性能大為改善。同時(shí)，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(guò)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(fèi)用，加快施工速度?？傊ㄟ^(guò)鋼管和混凝土組合而成為鋼管混凝土，不僅可以彌補(bǔ)兩種材料各自的缺點(diǎn)，而且能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，這也是鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所在。鋼管混凝土構(gòu)件有如下特點(diǎn)：
   （1）承載力高1/5，當(dāng)有殘余應(yīng)力存在時(shí)，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(shí)縱向開(kāi)裂。而混凝土卻可以避免或者延緩薄壁鋼管過(guò)早發(fā)生局部屈曲，兩種材料相互彌補(bǔ)了彼此的弱點(diǎn)，發(fā)揮彼此的長(zhǎng)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(duì)于薄壁鋼管來(lái)說(shuō)，其臨界承載力極不穩(wěn)定，因?yàn)樗鼘?duì)局部缺陷很敏感。實(shí)驗(yàn)證明：薄壁鋼管其實(shí)際承載力往往只有理論計(jì)算值的1/3心混凝土單獨(dú)承載力之和，產(chǎn)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(qiáng)混凝土（各國(guó)對(duì)高強(qiáng)混凝土的定義有所不同，在我國(guó)，一般指立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)得到了改善，而且在破壞時(shí)具有很大的塑性變形。試驗(yàn)結(jié)果表明，圓鋼管混凝土軸心受壓短柱破壞時(shí)即使壓縮量很大，但仍沒(méi)有呈現(xiàn)脆性破壞的特征。此外，這種結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載和振動(dòng)荷載時(shí)，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(méi)有綁扎鋼筋、支模和拆模等工序，施工簡(jiǎn)便。因管內(nèi)無(wú)鋼筋，混凝土澆灌容易，振搗密實(shí)。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(shí)混凝土等施工工藝，更可加速鋼管混凝土構(gòu)件的施工進(jìn)度。與預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件相比，不需要構(gòu)件預(yù)制場(chǎng)地；與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件相比，鋼管混凝土的構(gòu)造通常比鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件簡(jiǎn)單，焊縫少，易于制作。特別是組成鋼管混凝土構(gòu)件的鋼管壁厚一般均較小，現(xiàn)場(chǎng)拼接焊簡(jiǎn)便快捷。由于空鋼管構(gòu)件的自重小，可以大大減少運(yùn)輸和吊裝等費(fèi)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(chǔ)的預(yù)留杯口中，免去了復(fù)雜的柱腳構(gòu)造。鋼管混凝土在施工制造方面一個(gè)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(diǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)化。鋼管混凝土本身的施工特點(diǎn)符合現(xiàn)代施工技術(shù)工業(yè)化的要求，可以大量節(jié)約人工費(fèi)用，降低工程造價(jià)。
   （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(xiàn)、協(xié)同互助、共同工作的優(yōu)勢(shì)，使這種結(jié)構(gòu)較鋼結(jié)構(gòu)具有更好的耐火性能，因而可降低防火造價(jià)。另外，火災(zāi)后，隨著外界溫度的降低，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已屈服截面處鋼管的強(qiáng)度可以得到不同程度的恢復(fù)，截面的力學(xué)性能比高溫下有所改善，結(jié)構(gòu)的整體性在火災(zāi)中也將有所提高，這不僅為結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)提供了一個(gè)較安全的工作環(huán)境，也可減少補(bǔ)強(qiáng)工作量，降低維修費(fèi)用。
   （5）經(jīng)濟(jì)效果好作為一種較為合理的結(jié)構(gòu)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(yīng)用，因此，鋼管混凝土具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。大量工程實(shí)際表明：采用鋼管混凝土的承壓構(gòu)件比普通鋼筋混凝土承壓構(gòu)件約可節(jié)約相當(dāng)?shù)幕炷?，減輕結(jié)構(gòu)自重，鋼材用量略高或約略相等；和鋼結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)約約一半的鋼材。
   3 鋼管混凝土構(gòu)件構(gòu)件在無(wú)站臺(tái)柱雨棚中的應(yīng)用
       大跨度無(wú)站臺(tái)柱雨棚的橫向跨度和縱向柱距都較大，柱承載非常大，而無(wú)站臺(tái)柱雨棚要求柱不 能立在站臺(tái)上，而一般立在股道線之間，這樣，柱的尺寸受到限制。同時(shí)，雨棚柱的施工周期也受到限制，以減少對(duì)鐵路線路運(yùn)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(xiàn)在無(wú)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(guó)大跨度無(wú)柱雨棚中的應(yīng)用情況。鋼管混凝土主要利用強(qiáng)度很高的混凝土受壓，所以這種結(jié)構(gòu)最適用于作軸心受壓與小偏心受壓構(gòu)件。因?yàn)橥ǔ２捎脠A形截面，截面高度較小，所以在受彎矩作用時(shí)顯然并無(wú)優(yōu)勢(shì)可言，甚至是不利的，因此，在無(wú)站臺(tái)柱雨棚結(jié)構(gòu)中，有意識(shí)的利用結(jié)構(gòu)形式的改變，把結(jié)構(gòu)的彎矩轉(zhuǎn)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(wú)站臺(tái)柱雨棚設(shè)計(jì)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(diǎn)彎矩都應(yīng)平衡，粱彎矩之和應(yīng)與柱端彎矩大小相等，方向相反。因此，為減少柱端彎矩，應(yīng)盡量讓粱柱節(jié)點(diǎn)處粱彎矩之和減少。對(duì)于多跨雨棚，應(yīng)讓雨棚各跨跨度接近，則中部粱柱連接節(jié)點(diǎn)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(duì)于單跨雨棚，可在兩側(cè)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(shí)平衡中跨端部對(duì)柱頂產(chǎn)生的彎矩，使彎矩通過(guò)拉索傳遞到柱頂部，轉(zhuǎn)化成鋼管混凝土軸壓力。張家界站無(wú)站臺(tái)柱雨棚主跨度為20.5m，兩側(cè)各懸挑19.25m，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力合理，造型輕盈、美觀。
 （2）通過(guò)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(dāng)于鉸接，即柱基本只承受軸向力，如泰州站無(wú)站臺(tái)柱雨棚懸挑側(cè)柱和粱采用撐桿連接，斜撐桿減少了桁架跨度，同時(shí)變柱頂彎矩為軸向力，改善了鋼管混凝土柱的受力性能。對(duì)于邊跨無(wú)懸挑結(jié)構(gòu)時(shí)，增加斜撐桿，能讓本須完全由粱柱節(jié)點(diǎn)傳遞的彎矩和軸力部分通過(guò)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(cè)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(jié)
        鋼管混凝土柱憑借承載力高、塑性韌性好、耐火性能好、經(jīng)濟(jì)效果好、施工方便等諸多優(yōu)異特點(diǎn)，正被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于高層和超高層建筑、橋梁結(jié)構(gòu)以及單層多層工業(yè)廠房等結(jié)構(gòu)中在大跨度無(wú)站臺(tái)柱雨棚結(jié)構(gòu)中，柱子大偏心受壓情況下采用鋼管混凝土柱并不妥當(dāng)，但利用結(jié)構(gòu)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(shí)，采用鋼管混凝土柱，柱截面經(jīng)濟(jì)，造型優(yōu)美，能適合無(wú)站臺(tái)柱雨棚要求。