双向弯矩作用下的四肢格构钢管混凝土柱设计.docx

双向弯矩作用下的四肢格构钢管混凝土柱设计［摘要］由于使用需要，某码头钢管混凝土排架柱之间不能设置柱 间支撑，使得排架柱处于双偏压的受力状态，给结构设计带来一定困难 参考了国内相应的规范和规程，讨论了两种整体承载力的计算方法并详细 的介绍了该排架柱的计算过程［关键词］四肢构格式钢管混凝土柱；双偏压；柱间支撑；整体承载 力；计算方法Design and Calculating of the Four-limbs Lattice Concrete Filled Steel TubeColumn with Biaxial Eccentric CompressionLiWei［abstract］ : Due to demand of use, the ridge directional bracing can not be setted between the CFST column of 700t crane in the dock which causes the column in the state of biaxial eccentric compression and leads to a few difficulties in structural design.Base on domestic codes and specifications,two calculating methods of monolithic bearing capacity are discussed and the process of calculating is introduced in detail.[key word] : four-limbs lattice concrete filled steel tube （CFST） column; biaxial eccentric compression; ridge directional bracing; monolithic bearing capacity; calculating method前言 本项目为某柴油机生产基地顺岸式大件码头700t桥式起重机车间（平面图及割面图见图1, 2, 3）。

基地车间制造的成品柴油 机由700t平板车运出车间到大件码头，再由码头的700t起重机吊运至 驳船货舱水工工艺要求，整个码头只 可设置纵向间距为21m和29m 的三极排架，排架横向跨度为29m由于考虑驳船及700t平板车行驶 及转向需要，排架 的纵向不能设柱间支撑，这使得以700t起重机纵向制 动荷载 为主的纵向水平荷载只能通过排架柱自身传递至基础经分析后， 车间的横向采用排架形式，排架柱采用四肢钢管混凝土柱，屋盖网架铰接 于上柱柱顶对于车间的纵向，由于700t桥式起重机纵向水平制动荷载 较大，若也采用排架结构，则排架柱在水平制动荷载作用下的水平位移很 难满足容许值的要求为减小钢管柱的水平位移，车间纵向采用刚结框架 的结构形式，即在纵向的上柱柱顶（网架支座下部）固接一双肢组合钢 梁，钢梁与钢柱组成纵向框架由于纵向为刚结框 架，在水平荷载作用 下，会有纵向弯矩作用，再加上横向排架的弯矩作用，钢管混凝土柱受双 向弯矩的作用，这成为钢管混凝土柱结构设计的重点荷载及内力计算 荷载计算（以②轴处的排架为例）屋面荷载：屋盖采用网架结构，由于建筑要求横向立面为波浪形，故需采用双层网架，其单位面积荷载取值 g1=0.5 kN/m2 o屋面彩板及檩条自重g2 = 0・3 kN/m2。

则0.8 kN/m2 （标准值）屋面活载q= 0.5kN/m2 （标准值）风荷载：上海地区基本风压①0=0.55 kN/m2 ,由于工程位于近海地区， 其地面粗糙度类别为A类，风压高度变化系数按结构总高39.9m取值 Pz=1.92整个排架仅在阶形柱的上柱部分有围护结构，此部分的风载体 形系数N s1=+0.8 （向风面）；N s2=-0.5 （背风面）o阶形柱的下柱 部分无围护，其风载体型系数按《建筑结构荷载规范》［5］中表7.3.1中 项次34的圆钢塔架类别进行选取，其横向挡风系数> 0.5,且N z^0d2> 0.015,故此部分的体型系数Ns=1.9x 0.6= 1.14本结构的基本 自振周期T1=0.477s> 0.25s,故应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振影 响，其风振系数吊车荷载：根据吊车资料，吊车工作制级别：A5 ；吊车起重量Q=700t,两 台小车自重G1=300t,桥架重G2=370t；最大轮压PVmax =820kN, 最大水平轮轮压PHmax = 650kN（此为吊车设计单位按吊车发生卡轨的可能而考虑的荷载）;则作用于排架柱的最大反力:Dmax= PVmaxx（1+La1/ La+ ・・・+ Lb/ Lb+ …）=820 x 10.19=8364kN作用于排架柱的最小反力：Dmin = PVmin x Dmax/ PVmax=3485kN 吊车横向水平制动荷载：TH= =33.3kNTmax =TH x Dmax/ PVmax=340kN此荷载值比吊车资料中的 PHmax小，且不可能与PHmax同时作用，故在横向排架的计算中仅考 虑PHmax=650kN作为横向水平荷载。

吊车纵向水平制动荷载：TZ =0.1x（吊车一侧刹车轮最大轮压之和）= 0.1x （6x 820）=492kN其余附加荷载：a■纵向刚结桁架式钢梁自重产生的集中力：F1=265kN （恒载）b■箱形吊车梁和制动结构以及吊车轨 道联结件自重产生的集中如 F2=45.5x24=1091kN （恒载）地震荷载抗震设防烈度为7度，场地类别为W类由于本工程的吊 车为软钩吊车，地震作用不考虑吊重的重力，所以其组合不会起控制作用， 但在进行电算时仍考虑地震作用内力计算说明横向排架及纵向刚接框架利用PKPM软件STS程序 进行内力计算横向排架即按普通的钢结构厂房的排架形式进行计算，计算所得的结果为竖向轴力 N、横向弯矩Mx和剪力Vx纵向刚接框架取A轴或B轴的一棋框架输入由于程序中无双肢组合式钢梁的截面形式，故采用与此截面相同（截面积及惯性矩均相 同）的双肢（工字形）格构柱形式输入程序中为了在进行钢管混凝土柱 设计时内力不重复计 入，故在纵向框架计算时分为两种工况：1.吊车纵向 水平制 动荷载作用（作用与中柱与边柱的两种情况） 2.纵向风荷载 作用以上两种工况单独计算，其所得的内力为纵向弯矩My和剪力 Vy。

横向排架与纵向框架的内力计算结果即作为 钢管混凝土柱设计的控 制内力另外，由于整个结构的6根立柱中4根位于重件码头上，另2 根则位于码头外侧的墩式基座上这两部分可能产生沉降差，从而对结构 造成影响根据水工结构的资料，重件码头与墩式基座的沉降差约为 30mm现利用SAP2000程序进行在支座位移因素影响下的 纵向框架 结构内力分析，得到的计算结果与纵向，横向结构 内力计算的结果组合 后，进行钢管混凝土柱的设计三■钢管混凝土柱设计1 ■内力组合（下面所注内力均为中柱GZ2下柱底部截面内力）：根据横向排架的电算结果，起控制作用的内力组合有两组，分别 为：① Mx = -21257.3kN?m ； Vx =-933.3kN; N=1184.3kN.（内力均为设计值，符号规定如下：弯矩M以逆时针方向为正；剪力V以使杆件顺时针转动为正；轴力N以压力为正② Mx =-13174.6kN?m ； Vx =-562.9kN;N=12984.4kN.由纵向框架的电算结果摘录得：① 由吊车级向水平制动荷载产生的内力：Myd = 4645kN?m ； Vyd = 274kN ；② 由纵向风荷载产生的内力：Myw = 1656kN?m ； Vyw = 80kN ；③ 由支座沉降产生的内力：Myz = 345kN?m ； Vyz = 9.8kN ；N=855.4kN④ 由于中柱GZ2左右两侧吊车梁截面尺寸不同造成的偏心荷载 产生的附加弯矩Myd‘= 62.1kN?m （恒载）⑤ 当吊车车轮位于一侧吊车梁时，由于吊车梁支座对肩梁中心偏 位产生的弯矩 Myd ”= 820x9.33x0.17= 1300.6kN?m （活载）以上内力均为单个工况下计算而得的，还需按下列原 则进行组合：支座沉降、吊车梁截面不同而产生偏心荷载都为永久作用，其效应 按永久荷载效应参与组合。

吊车纵向水平制动荷载产生的内力较大，故作为主要的可变荷载参与荷载组合吊车梁支座反力偏心而产生的内力由于是在吊车满载时（按最大轮压计算支座反力），故其按吊车荷载参与组合，组合值系数为°.7纵向风载与横向风载不可能同时作用，所以在已经考虑了横向风载 产生的荷载效应后不应再计入纵向风载的效应按上述原则进行组合的纵向内力设计值：My =4645+62.1+345+13°°.6x°.7=5965.5 kN?mVy = 274+9.8=283.8 kN而横向内力的设计值为：① Mx =-21257.3kN?m ； Vx =-933.3kN;N=1184.3kN.（用于单肢受拉强度验算）② Mx = -13174.6kN?m ； Vx =-562.9kN;N=12984.4+855=13839.4kN.（用于整体及单肢稳定性验算）钢管砼 柱整体稳定性验算 对于双向偏心受压受力状态下的钢管砼柱的整体稳定 性，现采用两种方法进行验算① 方法一：对于双偏压作用下的钢管砼柱的整体稳定性，《钢管 混 凝土结构设计与施工规程》（JCJ01-89） [2]（以下简称《规程》（（JCJ01-89））中没有具体的验算公式，其公式（5.0.10-1, 2）为 单偏压情况下的钢管混凝土格构式组合柱的弯矩平面内的稳定性验算，若 仅采用此公式计算，不考虑另一方向的弯矩作用，明显是不安全的。

在参 考了《钢结构设计规范》（GB50017-2003 ） [1]（以下简称《钢 规》）中关于弯矩作用在 两个主平面内的双轴对称箱形（闭口）截面压 弯构件的稳定性验算公式（5.2.5-1, 2）后，在《规程》（（JCJ01-89))公式( 5.0.10-1, 2)基础上，添加考虑另一方向弯矩作用的一项算式，组 合成下列两个公式来验算钢管砼柱的整体稳定性：

按换算长细比查《规程》(JCJ01-89)附表三得：稳定系数 = 0.943,= 0.868截面模量 W1x=Ix/2H=3.71 x 105 cm3。