地铁车站钢管混凝土复合结构优化设计.pdf

张伟森等 ： 地铁车站钢管混凝土复合结构优化设计 5 7 地铁车站钢管混凝土复合结构优化设计 张伟森 ， 曾 ( 1 ．上海交通大学土木工程 系。 上海2 0 0 2 4 0； 智 ， 高宪民 2 ．中铁十六局集团有限公司 ， 北京1 0 1 1 0 0) 【 摘要】 本研究以实际工程为依托， 通过对工程主体钢管混凝土复合结构进行内力分析， 评价原设计方案 的合理性， 并进行优化设计。计算结果表明， 保持直径不变 ， 壁厚从 3 5 ram减小至 2 4 ra m， 用钢量下降 3 0 ． 9 5 ％； 保 持壁厚不变， 直径由1 6 0 0 m m减小至 1 5 0 0 m m， 用钢量下降 6 ． 4 4 ％； 若同时将外直径减小至 1 5 0 0 ra m， 壁厚减小至 2 4 ram， 用钢量比原方案下降 3 5 ． 3 6 ％。 【 关键词】 钢管混凝土柱I 夕 直径； 用钢量； 优化设计 【 中图分类号】 U 1 2 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 【 2 0 1 3 ) 0 1 — 0 0 5 7 — 0 2 OPTI MAL DES I GN OF CONC ：RETE F I LL ED S TEEL COLUMN I N METRO P R0J E CT Z HANG W e i — s e n ，Z E NG Z h i ，G AO X i a n — mi n ( 1 ． D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a ； 2 ． C h i n a R a i l w a y 1 6 t h B u r e a u G r o u p C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 1 1 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： E x a mp l e a n a l y s i s o f t h e i n n e r f o r c e o f t h e c o n c r e t e — fi l l e d s t e e l t u b e s t r u c t u r e i S d o n e i n t h i s p a p e r a n d t h e r a fi o n ali ~ o f d e s i g n p r o p o s a l i s e v a l u a t e d ．T h e n the o p t i ma l d e s i g n o f c o n c r e t e d fi l l e d s t e e l c o l u mn i S p r o p o s e d ．Th e v o l u me o f s t e e l ma y d e c r e a s e wi th the d e c r e a s e o f d i a me t e r o f c o l u mn an d t h i c k n e s s o f s t e e l t u b e ．I f the t h i c k n e s s o f s t e e l t u b e d e c r e a s e s f r o m 3 5 mm t o 2 4 mm．t h e v o l u me o f s t e e l d e c r e a s e s 3 0 ． 9 5 ％ ：I f the d i a me t e r o f c o l u mn d e c r e a s e s f r o m 1 6 0 0 ml n t o 1 5 0 0 mm。the v o l u me o f s t e e l d e c r e a s e s 6． 4 4 ％ ：Ⅱ the the t h i c k n e s s o f s t e e l t u b e d e c r e a s e s t o 2 4 mm，a n d t h e d i am e t e r o f c o 1 ． u mn s i mu l t a n e o u s l y d e c r e a s e s t o 1 5 0 0 mm．t h e v o l u me o f s t e e l d e c r e a s e s 3 5 ． 3 6 ％ ． Ke y wo r ds： c o n c r e t e — fi l l e d s t e e l t u b e；t h i c k n e s s o f s t e e l t u b e；v o l u me o f s t e e l ；o p t i mal d e s i g n 钢管混凝土是在钢管中填充素混凝土而形成的一种组 合结构 ， 由于钢管与混凝土优势互补 ， 克服了二者单独受力 时的缺陷， 使其极限承载能力及性能得到大幅提高” j 。钢 管混凝土能更优越 的发挥 出钢材和混凝土的承载能力， 能 够适应城市化建设 向大跨度、 承载力大的方向发展。随着 国家经济建设的发展， 钢管混凝土结构在我国的高层建筑、 地铁车站工程和大跨度桥 梁工程中得到了卓有成效 的应 用。在钢管混凝土构件的设计中， 钢管径厚 比是设计的关 键。根据《 钢管混凝土结构设计与施工规程》 的规定， 钢 管混凝土构件的含钢率可从 4 ． 7 ％增至 2 5 ． O ％ 。如此大 的变化幅度给实际设计带来不便 ， 往往会造成用钢量不合 理的情况， 造成材料浪费。本文以实际工程为依托 ， 通过对 钢管混凝土复合结构进行结构内力分析， 评价原钢管混凝 土复合结构设计方案的合理性并进行优化设计。 1 工程概况 某地铁车站为地下二层岛式站台车站。主体结构平面 图见图 1 。车站结构平面为长方形 ， 东西长约 7 5 m， 南北宽 约4 8 m， 基坑深度约3 2 m， 总占地面积约 3 6 0 0 m 。 主体结构采用三层五跨现浇劲性钢筋混凝土框架结 构， 节点 区各 层 层 高 自上 而 下 依 次 为： 8 ． 1 9 m， 7 ． 3 l m， 图l 节点主体结构平面布置图 1 3 ． 1 5 2 m， 结构最大跨度为 2 1 ． 4 6 m， 部分跨度较大的梁采用 H型钢混凝土梁， 柱采用圆形钢管混凝土柱。主体钢柱 由 1 9条直径为 1 6 0 0 ra m壁厚为 3 5 m m焊接钢管柱组成， 层面主 体由大频焊接 H型钢通过焊接和高强度螺栓连接。车站侧 墙采用内衬墙和地下连接墙叠合式结构， 地下连接墙既是施 工阶段的临时支护结构， 又是使用阶段主体结构的一部分。 2工程地质及水 文地质概 况 本工程场地土体主要分五层 ： 第一层素填土， 顶板标高 0 m， 层厚 2 m， 平均渗透系数 K=0 ． 0 5 0 m ／ d ； 第二层粉砂， 顶 板标高 一 2 m， 层厚5 m， 平均渗透系数 K=8 ． 3 0 0 m ／ d ； 第三层 5 8 低温建筑技术 2 0 1 3年第 1期( 总第 1 7 5期 ) 粉质粘土， 顶板标高 一7 m， 层厚 5 m， 平均渗透系数 K= 0 ． 0 0 2 m ／ d ； 第四层砂质粘土， 顶板标高 一1 2 m， 层厚 6 m， 平均 渗透系数K=0 ． 4 0 0 m ／ d ； 第五层风化花岗岩直至影响外。经 取水样试验分析 ， 地下水对混凝土结构不具腐蚀性， 对钢筋 混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性， 对钢结构具弱腐蚀性。 3 复合结构设计分 析 在对复合钢结构进行校核过程中发现， 原有设计方案 中设计钢管混凝土柱时过于保守， 存在材料严重浪费的问 题 ， 因此有必要对方案进行优化设计。主要是通过 P K P M软 件， 并结合实际情况， 设计出四套不同的方案， 通过对 比找 出最优设计方案 ， 达到提高施工效率， 节省材料的目的。 钢结构优化设计时， 对比的四种设计方案分别是： 原设 计方案 ； 减小壁厚方案； 减小柱截面方案； 综合方案。 四种方案的荷载布置简图如图2所示。设计过程中涉 及的荷载及荷载分项系数组合如表 1 所示。 水浮 、人防荷藏 图2 荷载布置简图 表 1 荷载分项系数组合 图3 节点主体结构 P K P M计算模 型 采用 P K P M软件对结构安全性进行验算。计算模型简 图见图3 。该模型尺寸按节点主体结构尺寸 1 ： 1 建立， 形状 呈长方体 ， 长7 3 4 7 0 m m， 宽4 2 6 0 0 m m， 高2 8 6 5 2 m m。在 P K P M 中设定为三层地下室结构， 地下水位埋深 1 I n 。覆土厚度 3 7 5 m。采用如下公式对三个方案的用钢量计算 ： A = 7 『 [ r 一( r —t ) ] ( 1 ) M =n H A P ( 2 ) 式中， A 为钢管混凝土中钢材的截面面积， m ； t 为钢管 壁厚， m； r 为钢管混凝土柱半径， m； M为钢管混凝土柱的总 用钢量， t ； n 为钢管混凝土柱的数量； H= 柱长， m； 为钢材 的密度， k m 。 4 分析讨论 ( 1 ) 原设计方案。原设计方案钢管直径为 1 6 0 0 ram， 壁厚为 3 5 m m， 计算得每根钢材的截面面积为0 ． 1 7 2 0 8 1 m ， 取钢材的密度为 7 ． 8 51 0 k g ／ m ， 可得原设计中钢管混凝 土总用钢量为7 3 5 ． 3 8 t 。 ( 2 ) 减小壁厚方案。该方案只考虑壁厚的影响， 原设 计方案直径不变， 将壁厚减小为 2 4 m m后， 通过分析验算通 过。再通过 ( 1 ) 、 ( 2 ) 两式计算得钢管混凝土总用钢量为 5 0 7 ． 8 0 t ， 用钢量比原设计方案下降 3 0 ． 9 5 ％。 ( 3 ) 减小柱截面方案。该方案只考虑直径的影响， 原 方案直径减小为 1 5 0 0 m m， 壁厚不变， 通过分析验算通过。 计算得总用钢量为 6 8 8 ． 0 2 t ， 用钢量比原方案下降6 ． 4 4 ％。 ( 4 ) 综合方案。该方案综合考虑壁厚和直径的影响， 将直径减小为 1 5 0 0 ra m， 壁厚减小为 2 4 ram， 分析验算， 得出 总用钢量为4 7 5 ． 3 4 t ， 用钢量比原方案下降3 5 ． 3 6 ％， 见表 2 。 表 2 各方案用钢量 比较 5结语 ①本工程主体结构钢柱可采用 l 9根直径为 1 6 0 0 mm， 壁厚为2 4 m m的钢管混凝土柱。与原设计直径为 1 6 0 0 m m， 壁厚为3 5 m m的钢管混凝土柱相比， 用钢量下降3 0 ． 9 5 ％ ； ② 仅改变钢管混凝土柱 的外直 径至 1 5 0 0 m m， 用钢 量下降 6 ． 4 4 ％。若同时将壁厚减小至 2 4 m m， 用钢量与原设计相比 下降 3 5 ． 3 6 ％； ③在可以承担各种荷载的最不利情况的条件 下， 仅减小钢管混凝土柱外直径或壁厚都可能降低用钢量。 鉴于地下车站的特殊性， 截面选取还应综合考虑如径厚比 等多方面的 因素。 参 考文献 [ 1 ] 钟善桐． 钢管混凝土结构( 第三版) [ M] ．北京： 清华大学出 版社 ． 2 0 0 3 ． [ 2 ] C E C S 2 8 ： 9 0 ， 钢管混凝土结构设计与施工规程[ S ] ． [ 3 ] 沈曼哗， 朱召泉．钢管混凝土柱合理径厚 比选择的研究[ c ] ∥ 巾国钢结构协会结构稳定与疲劳分会 2 0 0 6年学术交流会 论文集 ， 2 0 0 6： 1 9 9—2 0 1 ． [ 收稿 日期] 2 0 1 2—0 9— 2 1 [ 作者简介] 张伟森( 1 9 8 2 一) ， 男， 广东兴宁人． 硕士研究生 从事城市轨道交通方 面的研究工作。