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摘 要：钢管混凝土柱新型???构件在220 kV及以下变电站构架实际应用较少，该文通过试算一组钢管混凝土柱与三角形钢管桁架梁组成的单杆门型构架，发现钢管混凝土柱的应用能满足工程的需要。相比以往采用人字杆门型构架能节约材料，节约用地。
关键词：变电站构架 钢管混凝土 截面设计
中图分类号：U318 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0061-02
钢管砼柱因其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质。即管柱外部包裹钢管材料，管柱内部充填混凝土材料，因钢管壁对管内混凝土形成的刚性拘束作用，防止了管内混凝土的脆性破坏。实验和理论分析证明，钢管混凝土在轴向压力作用下，钢管的轴向和径向受压而环向受拉，混凝土则三向皆受压，钢管和混凝土皆处于三向应力状态。三向受压的混凝土抗压强度大大提高，同时塑性增大，其物理性能上发生了质的变化，由原来的脆性材料转变为塑性材料。正是这种结构力学性质的根本变化，决定了钢管砼的基本性能和特点，并作为新型的第五种建筑组合结构显示出巨大的生命力和发展前景。
钢管砼的特征与优势如下：钢管砼柱的抗压和抗剪承载力高，相当于钢管和混凝土二者之和的2倍以上；钢管砼柱截面比钢筋混凝土柱可减少60%以上，轮廓尺寸也比钢柱小，扩大了建筑物的使用空间和面积；柱子截面减小，自重减小，有利于结构抗震，相当于设防烈度下降一级；钢管砼柱自重减少，减轻了地基承受的荷载，相应降低了地基基础造价；钢管壁薄便于选材、制造与现场焊接，是施工最为快捷的建筑结构；钢管砼柱内的混凝土可大量吸收热能，其耐火性优于钢柱，从而比钢柱可节省耐火涂料50%以上； 钢管砼具有的核心混凝土三向受压特性，利于刚刚问世的C60～80高强度混凝土安全可靠地推广应用。
由于上述各项优点，采用钢管砼柱时可节省大量的建筑材料，且素混凝土无须振捣，施工方便，工期短。根据计算，与钢筋混凝土柱相比，可节约混凝土60～70%，同时降低造价。若与全钢结构的钢柱相比，则可节约钢材50%，其工程造价也可降低45%。
在高层建筑设计中，钢管砼柱可以仅控制长细比而不必限制轴压比。此外因其整体性能好，还克服了普通钢结构钢柱存在的局部失稳的缺点。因此，与钢筋混凝土柱相比，截面设计可以减少60%以上。
根据《变电构架设计手册》钢管混凝土单肢柱的受压承载力满足条件：N为轴向压力设计值（N）；Nu为钢管混凝土单肢柱的承载力设计值（N）；钢管混凝土单肢柱的承载力设计值计算满足条件：Nu=（该文数值为21138 kN），N0=fcAc（1+）（该文数值为1988 kN）faAa/fcAc（该文数值为0.891）N0为钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值（N）；θ为钢管混凝土的套箍指标；fc为混凝土的抗压强度设计值（N/mm2）；Ac为钢管内混凝土的横截面面积（mm2）；fa为钢管的抗拉、压强度设计值（N/mm2）；Aa-钢管的横截面面积（mm2）；为考虑长细比影响的承载力折减系数，按下式计算：当时：（该文数值为0.343）当时：，式中d为钢管外径（mm）；为柱的等效长度（mm），按规定计算；为考虑偏心率影响的承载力折减系数，按下式计算：当/rc≤1.55时：，e0=M2/N当e0/rc>1.55时：0.4（e0/rc）（该文数值为31），式中e0为柱较大弯矩端的轴向压力对构件截面重心的偏心距（mm）；rc为钢管的内半径（mm）；M2为柱两端弯矩设计值之较大者（N·mm）；N为轴向压力设计值（N）。
钢管混凝土一般受双向偏心压力作用，即双向偏心受压构件。根据材料力学，双向偏心受压是轴向压缩与双向纯弯曲的组合变形。此时截面上的最大拉（压）应力为：，根据《钢管混凝土技术规范》钢管混凝土结构进行弹性内力和位移计算时，钢管混凝土柱的截面刚度可按下列规定计算：EA=EsAs+EcAc EI=EsIs+EcIc GA=GsAs+GcAc，式中：EA为钢管混凝土柱的组合轴压刚度；EI为钢管混凝土柱的组合抗弯度；GA为钢管混凝土柱的组合剪切刚度；Es、Ec分别为钢管、钢管内混凝土的弹性模量；Gs、Gc分别为钢管、钢管内混凝土的剪变模量；As、Ac分别为钢管、钢管内混凝土的截面面积；Is、Ic分别为钢管、钢管内混凝土的截面惯性矩；根据《三角形立体管桁架的刚度分析》三角形桁架梁的等效刚度：
=235*106mm4
单杆门架柱与三角形桁架梁内力计算模型可简化为水平和垂直两个方向分别受力的平面刚架计算模型。由材料力学计算获得钢管混凝土柱的截面应力。
某110 kV变电站单跨门架高10 m，梁跨度8 m，地线柱高度3 m。构架梁为3相挂点，导线挂点高度为10 m，偏角17°。地线挂点高度13 m，偏角0°。钢管混凝土柱采用273*8钢管C25混凝土实心柱。三角形桁架梁弦杆22圆钢，腹杆18圆钢。
荷载工况按最严重覆冰控制：（单位：kN）水平拉力（导线/地线）30/5垂直荷载（导线/地线）12/2。
钢管柱截面参数计算结果：EA=27158N/mm2，EI=26400N/mm2由结构力学力法对称结构计算得：垂直向：M1=M2=MA=MB=4kN·mN=56.4kN；水平向：MA=MB=134.5kN·m，N=12.7kN=68.64 MPa<215 MPa=-70.6 MPa<215 MPa，钢管混凝土截面满足要求。
实心钢管混凝土构件的钢管外径或边长不宜小于100 mm，壁厚不宜小于4 mm。实心钢管混凝土构件含钢率宜为6%～10%，混凝土强度等级宜为C40～C60。管内混凝土可采用泵送顶升浇灌法、立式手工浇捣法或高位抛落无振捣法。泵送顶升浇灌法，由泵车将混凝土连续不断地自下而上挤压入钢管内，无需振捣，钢管直径宜不小于泵直径的两倍。适用于管内无膈板等阻碍物的情况，如工业厂房柱。立式手工浇捣法，当钢管直径大于350 mm时，可采用内部振捣器（振捣棒或锅底形振捣器等）。每次振捣时间不少于30 s，一次浇筑高度不宜大于2 m；当钢管直径小于350 mm时，可采用附着在钢管上的外部振捣器进行振捣，外部振捣器的位置应随着混凝土的浇筑的进展加以调整振捣。外部振捣器的工作范围，以钢管横向振幅不小于0.3 mm为有效，振幅可用百分表实测。每次振捣时间不宜少于30 s，一次浇筑的高度不宜大于振捣器的有效工作范围和2～3 m柱长。高位抛落无振捣法适用于钢管直径大于350 mm，高度不小于4 m的情况。对于抛落高度不足4 m的区段，应用内部振捣器振实。一次抛落的混凝土量宜在0.35～0.7 m3左右，用料斗装填，料斗的下口尺寸应比钢管内径小100～200 mm，以便混凝土下落时，管内空气得以顺利排出。混凝土配合比应根据混凝土设计等级计算，并通过试验后确定，除满足强度指标外，尚应注意混凝土塌落度的选择。
参考文献
[1] 中南电力设计院.变电构架设计手册[M].湖北科学技术出版社，2006.
[2] 王恒华，朱俊.三角形立体管桁架的刚度分析[C]//第六届全国现代结构工程学术研讨会论文集.天津大学，2006.
[3] GB50936-2014，钢管混凝土结构技术规范[S].中华人民共和国住房和城乡建设部，2012.
关键词：变电站构架 钢管混凝土 截面设计
中图分类号：U318 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0061-02
钢管砼柱因其结构特征，同时具备了钢管和混凝土两种材料的性质。即管柱外部包裹钢管材料，管柱内部充填混凝土材料，因钢管壁对管内混凝土形成的刚性拘束作用，防止了管内混凝土的脆性破坏。实验和理论分析证明，钢管混凝土在轴向压力作用下，钢管的轴向和径向受压而环向受拉，混凝土则三向皆受压，钢管和混凝土皆处于三向应力状态。三向受压的混凝土抗压强度大大提高，同时塑性增大，其物理性能上发生了质的变化，由原来的脆性材料转变为塑性材料。正是这种结构力学性质的根本变化，决定了钢管砼的基本性能和特点，并作为新型的第五种建筑组合结构显示出巨大的生命力和发展前景。
钢管砼的特征与优势如下：钢管砼柱的抗压和抗剪承载力高，相当于钢管和混凝土二者之和的2倍以上；钢管砼柱截面比钢筋混凝土柱可减少60%以上，轮廓尺寸也比钢柱小，扩大了建筑物的使用空间和面积；柱子截面减小，自重减小，有利于结构抗震，相当于设防烈度下降一级；钢管砼柱自重减少，减轻了地基承受的荷载，相应降低了地基基础造价；钢管壁薄便于选材、制造与现场焊接，是施工最为快捷的建筑结构；钢管砼柱内的混凝土可大量吸收热能，其耐火性优于钢柱，从而比钢柱可节省耐火涂料50%以上； 钢管砼具有的核心混凝土三向受压特性，利于刚刚问世的C60～80高强度混凝土安全可靠地推广应用。
由于上述各项优点，采用钢管砼柱时可节省大量的建筑材料，且素混凝土无须振捣，施工方便，工期短。根据计算，与钢筋混凝土柱相比，可节约混凝土60～70%，同时降低造价。若与全钢结构的钢柱相比，则可节约钢材50%，其工程造价也可降低45%。
在高层建筑设计中，钢管砼柱可以仅控制长细比而不必限制轴压比。此外因其整体性能好，还克服了普通钢结构钢柱存在的局部失稳的缺点。因此，与钢筋混凝土柱相比，截面设计可以减少60%以上。
根据《变电构架设计手册》钢管混凝土单肢柱的受压承载力满足条件：N为轴向压力设计值（N）；Nu为钢管混凝土单肢柱的承载力设计值（N）；钢管混凝土单肢柱的承载力设计值计算满足条件：Nu=（该文数值为21138 kN），N0=fcAc（1+）（该文数值为1988 kN）faAa/fcAc（该文数值为0.891）N0为钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值（N）；θ为钢管混凝土的套箍指标；fc为混凝土的抗压强度设计值（N/mm2）；Ac为钢管内混凝土的横截面面积（mm2）；fa为钢管的抗拉、压强度设计值（N/mm2）；Aa-钢管的横截面面积（mm2）；为考虑长细比影响的承载力折减系数，按下式计算：当时：（该文数值为0.343）当时：，式中d为钢管外径（mm）；为柱的等效长度（mm），按规定计算；为考虑偏心率影响的承载力折减系数，按下式计算：当/rc≤1.55时：，e0=M2/N当e0/rc>1.55时：0.4（e0/rc）（该文数值为31），式中e0为柱较大弯矩端的轴向压力对构件截面重心的偏心距（mm）；rc为钢管的内半径（mm）；M2为柱两端弯矩设计值之较大者（N·mm）；N为轴向压力设计值（N）。
钢管混凝土一般受双向偏心压力作用，即双向偏心受压构件。根据材料力学，双向偏心受压是轴向压缩与双向纯弯曲的组合变形。此时截面上的最大拉（压）应力为：，根据《钢管混凝土技术规范》钢管混凝土结构进行弹性内力和位移计算时，钢管混凝土柱的截面刚度可按下列规定计算：EA=EsAs+EcAc EI=EsIs+EcIc GA=GsAs+GcAc，式中：EA为钢管混凝土柱的组合轴压刚度；EI为钢管混凝土柱的组合抗弯度；GA为钢管混凝土柱的组合剪切刚度；Es、Ec分别为钢管、钢管内混凝土的弹性模量；Gs、Gc分别为钢管、钢管内混凝土的剪变模量；As、Ac分别为钢管、钢管内混凝土的截面面积；Is、Ic分别为钢管、钢管内混凝土的截面惯性矩；根据《三角形立体管桁架的刚度分析》三角形桁架梁的等效刚度：
=235*106mm4
单杆门架柱与三角形桁架梁内力计算模型可简化为水平和垂直两个方向分别受力的平面刚架计算模型。由材料力学计算获得钢管混凝土柱的截面应力。
某110 kV变电站单跨门架高10 m，梁跨度8 m，地线柱高度3 m。构架梁为3相挂点，导线挂点高度为10 m，偏角17°。地线挂点高度13 m，偏角0°。钢管混凝土柱采用273*8钢管C25混凝土实心柱。三角形桁架梁弦杆22圆钢，腹杆18圆钢。
荷载工况按最严重覆冰控制：（单位：kN）水平拉力（导线/地线）30/5垂直荷载（导线/地线）12/2。
钢管柱截面参数计算结果：EA=27158N/mm2，EI=26400N/mm2由结构力学力法对称结构计算得：垂直向：M1=M2=MA=MB=4kN·mN=56.4kN；水平向：MA=MB=134.5kN·m，N=12.7kN=68.64 MPa<215 MPa=-70.6 MPa<215 MPa，钢管混凝土截面满足要求。
实心钢管混凝土构件的钢管外径或边长不宜小于100 mm，壁厚不宜小于4 mm。实心钢管混凝土构件含钢率宜为6%～10%，混凝土强度等级宜为C40～C60。管内混凝土可采用泵送顶升浇灌法、立式手工浇捣法或高位抛落无振捣法。泵送顶升浇灌法，由泵车将混凝土连续不断地自下而上挤压入钢管内，无需振捣，钢管直径宜不小于泵直径的两倍。适用于管内无膈板等阻碍物的情况，如工业厂房柱。立式手工浇捣法，当钢管直径大于350 mm时，可采用内部振捣器（振捣棒或锅底形振捣器等）。每次振捣时间不少于30 s，一次浇筑高度不宜大于2 m；当钢管直径小于350 mm时，可采用附着在钢管上的外部振捣器进行振捣，外部振捣器的位置应随着混凝土的浇筑的进展加以调整振捣。外部振捣器的工作范围，以钢管横向振幅不小于0.3 mm为有效，振幅可用百分表实测。每次振捣时间不宜少于30 s，一次浇筑的高度不宜大于振捣器的有效工作范围和2～3 m柱长。高位抛落无振捣法适用于钢管直径大于350 mm，高度不小于4 m的情况。对于抛落高度不足4 m的区段，应用内部振捣器振实。一次抛落的混凝土量宜在0.35～0.7 m3左右，用料斗装填，料斗的下口尺寸应比钢管内径小100～200 mm，以便混凝土下落时，管内空气得以顺利排出。混凝土配合比应根据混凝土设计等级计算，并通过试验后确定，除满足强度指标外，尚应注意混凝土塌落度的选择。
参考文献
[1] 中南电力设计院.变电构架设计手册[M].湖北科学技术出版社，2006.
[2] 王恒华，朱俊.三角形立体管桁架的刚度分析[C]//第六届全国现代结构工程学术研讨会论文集.天津大学，2006.
[3] GB50936-2014，钢管混凝土结构技术规范[S].中华人民共和国住房和城乡建设部，2012.