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摘要：针对某炼钢转炉车间的钢管混凝土四肢柱双腹板肩梁进行了简化计算和有限元分析，探讨了此类肩梁的传力机理和受力特点。
关键词：钢管混凝土；肩梁；四肢柱
Abstract: in a steelmaking converter workshop of dual limbs concrete filled steel tube column web shoulder beams, the simplified calculation and finite element analysis, the traner mechani of such shoulder beam is discussed and the mechanical characteristics.
Keywords: concrete filled steel tube; Shoulder beam; Limbs column.
2095-2104(2013)
钢管混凝土结构是由混凝土填入薄壁钢管内而形成的一种组合结构。早在19世纪80年代，钢管混凝土结构就已经出现。随着经济的快速增长和社会需求的不断扩大，近年来我国加工制造业也飞速发展，重型及超重型设备的需求逐年增加，与之相应的超大设备加工机械也应运而生，为了满足超大型设备的布置以及各种先进生产工艺发展的需要，促使工业厂房不断朝着大跨度、大柱距、大吨位吊车的方向发展。而钢管混凝土作为一种新兴的主要结构，以轴心受压和作偏心较小的受压构件为主的组合结构，在大型工业厂房的设计应用中也越来越显示出其突出的优点。实践表明，工业厂房中采用钢管混凝土格构柱比采用常规钢格构柱可节约用钢量 40%左右。但由于钢管混凝土结构柱的肩梁部分是由钢结构肩梁与钢管混凝土柱共同组成，它们各自的受力分析及共同作用的量化评估是一个十分复杂的问题，目前国内外尚无成熟的方法与经验，成为设计中的一大难点。
本工程钢管混凝土柱肩梁在构造上采用四肢双腹板做法，由 4 根钢管混凝土柱、上下肩梁翼缘板（即肩梁上下盖板）、长向肩梁腹板、短向肩梁腹板及实腹工字形截面上柱等组成，见图1。肩梁腹板采用整块钢板，下柱的钢管先开槽开坡口，将短向肩梁腹板插入钢管槽内然后再焊接。
图1 肩梁结构示意图
作用在肩梁上的荷载为上柱柱底内力和吊车梁传至肩梁的荷载，其中，上柱传给肩梁的内力为：
N=1101KN M=2066KN*m V=263KN
两侧吊车梁传至肩梁的荷载设计值为：
P1=3070KN P1=5600KN
图2 肩梁简化计算模型
肩梁腹板顶部在吊车梁搁置点处受极大的正应力、剪应力和局部压应力，须验算此处的折算应力。肩梁的正应力、剪应力、折算应力分别按以下公式计算：
钢材取理想弹塑性模型，弹性模量 EX=
图3 肩梁有限元分析模型
在上柱和两侧吊车荷载共同作用下的有限元分析结果如下：
图4 肩梁上下盖板应力云图
图5 短向肩梁及支承加劲应力云图
图6长向肩梁腹板的应力云图
肩梁腹板最大应力 N/mm
结论
（1）从简化计算方法和有限元分析的结果对比可以看出，肩梁计算时，不考虑翼缘的方法趋于保守，在设计中有较高的安全储备。
（2）肩梁盖板应力分布很不均匀，应力分布集中在吊车梁支座区域。加劲区域应力分布基本均匀。局部应力集中，主要是吊车荷载引起的，因此在肩梁上盖板顶部设置吊车梁支座垫板，从而改善吊车梁支座处应力集中是很有必要的。
（3）整个肩梁腹板应力水平不高。肩梁与下柱连接的局部区域有应力集中的情况出现，主要原因是该部位在肩梁与下柱连接的最末端，属于截面突变区域。
参考文献
《钢结构设计规范》（GB50017—2003）
韩昌标、戴雅萍. 单层大跨超高厂房钢管混凝土柱肩梁的有限元分析[J] 苏州科技学院学报2012,25(4)
于安林,童根树.钢管混凝土四肢柱单斜缀杆双腹板肩梁的受力性能[J]. 西安公路交通大学学报,1998,18(2)
关键词：钢管混凝土；肩梁；四肢柱
Abstract: in a steelmaking converter workshop of dual limbs concrete filled steel tube column web shoulder beams, the simplified calculation and finite element analysis, the traner mechani of such shoulder beam is discussed and the mechanical characteristics.
Keywords: concrete filled steel tube; Shoulder beam; Limbs column.
2095-2104(2013)
钢管混凝土结构是由混凝土填入薄壁钢管内而形成的一种组合结构。早在19世纪80年代，钢管混凝土结构就已经出现。随着经济的快速增长和社会需求的不断扩大，近年来我国加工制造业也飞速发展，重型及超重型设备的需求逐年增加，与之相应的超大设备加工机械也应运而生，为了满足超大型设备的布置以及各种先进生产工艺发展的需要，促使工业厂房不断朝着大跨度、大柱距、大吨位吊车的方向发展。而钢管混凝土作为一种新兴的主要结构，以轴心受压和作偏心较小的受压构件为主的组合结构，在大型工业厂房的设计应用中也越来越显示出其突出的优点。实践表明，工业厂房中采用钢管混凝土格构柱比采用常规钢格构柱可节约用钢量 40%左右。但由于钢管混凝土结构柱的肩梁部分是由钢结构肩梁与钢管混凝土柱共同组成，它们各自的受力分析及共同作用的量化评估是一个十分复杂的问题，目前国内外尚无成熟的方法与经验，成为设计中的一大难点。
1 工程概况
我公司设计的某转炉炼钢车间项目，厂房横向采用刚接框架体系。主厂房柱采用钢结构，上柱采用实腹工字形截面，中柱采用实腹工字形柱或实腹工字形截面组成的双肢格构式柱，下柱采用格构式钢管混凝土柱。柱下段与基础固接，采用插入式柱脚。厂房共7跨，横向全长190m。现选取其中一个中间柱列之肩梁进行受力分析，该柱上柱为实腹工字形截面（H1000X450X12X25）摘自：论文查重www.udooo.com
，下柱采用格构式钢管混凝土四肢柱，柱肢钢管￠406X8，内部填充0混凝土，横向缀条采用￠159X6，纵向缀条采用￠108X6，钢材为Q345。该柱两侧柱跨的吊车分别为2X225t和2X100t。本工程钢管混凝土柱肩梁在构造上采用四肢双腹板做法，由 4 根钢管混凝土柱、上下肩梁翼缘板（即肩梁上下盖板）、长向肩梁腹板、短向肩梁腹板及实腹工字形截面上柱等组成，见图1。肩梁腹板采用整块钢板，下柱的钢管先开槽开坡口，将短向肩梁腹板插入钢管槽内然后再焊接。
图1 肩梁结构示意图
作用在肩梁上的荷载为上柱柱底内力和吊车梁传至肩梁的荷载，其中，上柱传给肩梁的内力为：
N=1101KN M=2066KN*m V=263KN
两侧吊车梁传至肩梁的荷载设计值为：
P1=3070KN P1=5600KN
2 肩梁的简化计算
肩梁在柱截面长度和宽度方向分别简化为简支梁进行计算，简支梁跨度分别取两方向管肢中心的距离，不考虑上、下翼缘（即上下盖板）的作用， 仅考虑肩梁腹板的作用。计算简图如图2：图2 肩梁简化计算模型
肩梁腹板顶部在吊车梁搁置点处受极大的正应力、剪应力和局部压应力，须验算此处的折算应力。肩梁的正应力、剪应力、折算应力分别按以下公式计算：
3 肩梁的有限元分析
由于钢板、钢管与混凝土之间黏结力大小，顶盖板与核心混凝土的接触承压力大小尚缺少研究数据，因此为简化计算和建模，我们将钢管及钢管中的混凝土等刚度换算为一定厚度的钢管，仅按纯钢肩梁计算分析该部分作用。钢材取理想弹塑性模型，弹性模量 EX=
2.06X105N/mm2，屈服强度为fy=345 N/mm2，泊松比0.3。
通过Midas Gen软件建模并对几何模型进行网格划分，由于研究的重点为肩梁部分，钢管混凝土柱肢底部边界条件对肩梁影响较小，所以采用固结模拟。经过试算后，最终的网格单元大小为80mmX80mm时可以真实的反应板件的应力状态，划分采用四边形映射网格结合三边形网格过渡的方式，划分后的模型如图3：图3 肩梁有限元分析模型
在上柱和两侧吊车荷载共同作用下的有限元分析结果如下：
图4 肩梁上下盖板应力云图
图5 短向肩梁及支承加劲应力云图
图6长向肩梁腹板的应力云图
肩梁腹板最大应力 N/mm
结论
（1）从简化计算方法和有限元分析的结果对比可以看出，肩梁计算时，不考虑翼缘的方法趋于保守，在设计中有较高的安全储备。
（2）肩梁盖板应力分布很不均匀，应力分布集中在吊车梁支座区域。加劲区域应力分布基本均匀。局部应力集中，主要是吊车荷载引起的，因此在肩梁上盖板顶部设置吊车梁支座垫板，从而改善吊车梁支座处应力集中是很有必要的。
（3）整个肩梁腹板应力水平不高。肩梁与下柱连接的局部区域有应力集中的情况出现，主要原因是该部位在肩梁与下柱连接的最末端，属于截面突变区域。
参考文献
《钢结构设计规范》（GB50017—2003）
韩昌标、戴雅萍. 单层大跨超高厂房钢管混凝土柱肩梁的有限元分析[J] 苏州科技学院学报2012,25(4)
于安林,童根树.钢管混凝土四肢柱单斜缀杆双腹板肩梁的受力性能[J]. 西安公路交通大学学报,1998,18(2)