鋼骨混凝土的設計與應用

文天宇 張煜梓

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和建筑技術的進步,高層建筑和大跨度建筑成為建筑結構發(fā)展的主要方向之一。由混凝土包裹鋼骨做成的鋼骨混凝土結構(SRC),充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的特點,雖然我國鋼骨混凝土技術起步比國外晚一些,但在我國得到了越來越多的應用。鋼骨混凝土和鋼結構、木結構、砌體結構以及鋼筋混凝土結構并列為五大結構之一。其中實腹式鋼骨混凝土構件具有較好的抗震性能、節(jié)約鋼材、提高混凝土利用系數(shù)、施工方便等優(yōu)點,在工程建設中得到廣泛應用。SRC結構的特點是在混凝土內配置鋼骨,這些鋼骨可以是軋制的,也可以是焊接的。在大型建筑中經(jīng)常配置焊接的鋼骨,可以根據(jù)構件截面大小、受力特點,考慮到受力的合理性,靈活選擇焊接鋼骨各個板件的寬度和厚度。所配置的鋼骨的形式有角鋼、工字鋼、寬翼緣工字鋼、雙十字鋼、雙槽鋼、十字形鋼、箱形方鋼管等,工程中常用H形和十字形[1]。

1 鋼骨混凝土結構特點

鋼骨混凝土結構的技術含量高,施工難度大,它具有以下幾個特點:1)承載力高,鋼材的強度遠高于混凝土的強度,因此與鋼筋混凝土結構相比鋼骨混凝土結構的承載力較高,約為鋼筋混凝土結構的1520倍。2)剛度大,鋼材的彈性模量比混凝土高出一個數(shù)量級。3)抗震性能好。4)節(jié)省鋼材,與鋼結構相比可節(jié)省大量鋼材。5)耐久性與耐火性好,混凝土可以作為型鋼的保護層,勁性混凝土結構的耐久性與耐火性都比鋼結構好得多。

2 鋼骨混凝土設計要點

目前,我國有兩本行業(yè)標準可供工程設計人員參考:其一是建設部頒發(fā)的JGJ 138-200113v型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程;其二是原冶金工業(yè)部頒發(fā)的YA 9052-20061381型鋼混凝土結構設計規(guī)程。鋼骨混凝土結構設計主要考慮的因素:1)鋼骨的含鋼率[3]:關于鋼骨混凝土構件的最小和最大含鋼率,目前沒有統(tǒng)一的認識,但當鋼骨含鋼率小于2%時,可以采用鋼筋混凝土構件,而沒有必要采用鋼骨混凝土構件。當鋼骨含鋼率太大時,鋼骨與混凝土不能有效地共同工作,混凝土的作用不能完全發(fā)揮,且混凝土澆筑施工有困難。因此,在冶金部行業(yè)標準YB 9082-97鋼骨混凝土結構設計規(guī)程中將鋼骨含鋼率定為2%～15%。一般來說,較為合理的含鋼率為5%～8%。另在建設部行業(yè)標準JGJ 138-2001型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程中定為4%～10%。在中廣大廈鋼骨混凝土柱的設計中,考慮到建設單位盡量節(jié)約鋼材,節(jié)省資金的要求,經(jīng)專家委員會認可,鋼骨柱的含鋼率確定為3.5%。2)鋼骨的寬厚比:鋼板的厚度不宜小于6mm,一般為翼緣板20mm以上,腹板16mm以上,但當鋼板厚度大于36mm時,鋼材的厚度方向的斷面收縮率應符合現(xiàn)行國家標準GB 5313厚度方向性能鋼板中的Z15級的規(guī)定。這是因為厚度較大的鋼板在軋制過程中存在各向異性,由于在焊縫附近常形成約束,焊接時容易引起層狀撕裂,焊接質量不易保證。鋼骨的寬厚比應滿足規(guī)范的要求。3)鋼骨的混凝土保護層厚度:根據(jù)規(guī)范規(guī)定,對鋼骨柱,混凝土最小保護層厚度不宜小于120mm,對鋼骨梁則不宜小于100mm。4)要重視鋼骨混凝土柱與鋼筋混凝土梁在構造連接上的配合協(xié)調問題。鋼骨混凝土結構與普通鋼筋混凝土結構設計中不同且難度最大的是:a.需確定鋼骨柱中每根鋼筋的準確位置;b.根據(jù)鋼骨這種型鋼翼緣的寬度確定框架梁的寬度;c.確定框架梁中每根鋼筋的位置;d.根據(jù)柱梁鋼筋的位置確定鋼骨穿孔的位置;e.鋼骨中穿鋼筋的孔徑由鋼筋直徑確定,一般比鋼筋直徑大4mm～6mm;f.鋼骨中縱橫兩方向穿鋼筋孔的位置至少應錯開一個孔徑。

3 鋼骨的制作與構造措施

1)鋼骨的制作必須采用機械加工,并宜由鋼結構制作廠家承擔。型鋼的切割、焊接、運輸、吊裝、探傷檢驗應符合現(xiàn)行國家標準GB 50205鋼結構工程施工及驗收規(guī)范、JGJ 81建筑鋼結構焊接技術規(guī)程、GB 50221鋼結構工程質量檢驗評定標準的規(guī)定,鋼材、焊接材料、螺栓等應有質量證明書,質量應符合國家有關規(guī)范的規(guī)定。焊接前應將構件焊接面除油、除銹,焊工應持證上崗。施工中應確保施工現(xiàn)場型鋼柱拼接和梁柱節(jié)點連接的焊接質量,型鋼鋼板的制孔應采用工廠車床制孔,嚴禁現(xiàn)場用氧氣切割開孔,在鋼骨制作完成后,建設單位不可隨意變更,以免引起孔位改變造成施工困難。2)鋼骨混凝土中設置抗剪栓釘?shù)囊?。鋼骨混凝土與鋼筋混凝土結構的顯著區(qū)別之一是型鋼與混凝土的粘結力遠遠小于鋼筋與混凝土的粘結力。根據(jù)國內外的試驗,大約只相當于光面鋼筋粘結力的45%。因此,在鋼筋混凝土結構中認為鋼筋與混凝土是共同工作的,直至構件破壞。而在鋼骨混凝土中,由于粘結滑移的存在,將影響到構件的破壞形態(tài)、計算假定、構件承載能力及剛度、裂縫。通?？捎脙煞N方法解決:一種是在構件上另設剪切連接件(栓釘),并按照計算確定其數(shù)量,即滑移面上的剪力全由剪切連接件承擔,稱為完全剪力連接。這樣可以認為型鋼與混凝土完全共同工作。另一種方法是在計算中考慮粘結滑移對承載力的影響,同時在型鋼的一定部位:a.柱腳及柱腳向上一層范圍內;b.與框架梁連接的牛腿的上、下翼緣處;c.結構過渡層范圍內的鋼骨翼緣處加設抗剪栓釘作為構造要求。構件中設置的栓釘應符合國家現(xiàn)行標準GB 10433圓柱頭焊釘?shù)囊?guī)定,栓釘直徑一般為19,長度不宜小于4倍栓釘直徑,間距不宜小于6倍栓釘直徑,且不宜大于200mm。并采用特制的設釘槍進行焊接,焊接質量應滿足規(guī)范要求。3)鋼骨的拼接。鋼骨柱的長度應根據(jù)鋼材的生產(chǎn)和運輸長度限制及建筑物層高綜合考慮,一般每三層為一根,其工地拼接接頭宜設于框架梁頂面以上1 m～3 m處。鋼骨柱的工地拼接一般有三種形式:a.全焊接連接;b.全螺栓連接;c.栓、焊混合連接。設計施工中多采用第三種形式,即鋼骨柱翼緣采用全溶透的剖口對接焊縫連接,腹板采用摩擦型高強度螺栓連接。中廣大廈設計中的鋼骨工地拼接采用第三種形式。4)鋼骨柱的柱腳構造。a.鋼骨柱的柱腳分為埋入式和非埋入式兩種,在抗震區(qū)宜采用埋入式柱腳,柱腳鋼骨的混凝土最小保護層厚度為:中間柱:不得小于180mm;邊柱和角柱:不得小于250mm。b.鋼骨柱埋入式柱腳的埋入深度不應小于3倍型鋼柱截面高度,在柱腳部位和柱腳向上一層的范圍內,鋼骨柱翼緣外側設置栓釘,栓釘直徑不小于 19,間距不大于200mm,且栓釘至翼緣板邊緣的距離大于50mm。5)鋼骨柱的節(jié)點構造框架梁、柱節(jié)點核心區(qū)是結構受力的關鍵部位,設計時應保證傳力明確,安全可靠,施工方便,節(jié)點核心區(qū)不允許有過大的變形。在鋼骨混凝土結構中,梁、柱節(jié)點包括以下幾種形式:a.鋼骨混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接;b.鋼梁—鋼骨混凝土柱的連接;c.鋼筋混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接。

4 鋼骨混凝土的應用

鋼骨混凝土由于在截面中配置了型鋼,可使構件承載力、剛度大大提高,因而大大減小了構件的截面尺寸,可增加房屋的有效使用面積。此外,型鋼混凝土具有很好的延性和耗能能力,適于在地震區(qū)應用。鋼骨混凝土結構的研究和應用在國外開始較早,我國因國情的限制,起步較晚,工程應用就更少,我國從20世紀50年代開始應用型鋼混凝土結構,主要用于工業(yè)廠房,如包頭電廠主廠房和鞍山鋼鐵公司的混鐵爐基礎。直到1997年11月冶金工業(yè)部正式發(fā)布了有關規(guī)程,并于1998年5月1日起施行。20世紀80年代初期,隨著我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展,SRC結構在我國迅速興起。近年來,型鋼混凝土在上海、廣州、武漢、深圳、大連等地的高層建筑中都有所應用。型鋼混凝土最初在歐美和日本的研究和應用比較多。20世紀初,西方國家為提高鋼結構的防火性能,應用了型鋼外包混凝土的型鋼混凝土柱。隨后不久,人們認識到這種組合柱比純鋼柱的剛度要高。1908年Burr做了空腹式型鋼混凝土柱的試驗,發(fā)現(xiàn)型鋼外包混凝土后強度和剛度都有大大提高。從1920年開始,美國、英國和歐洲一些國家相繼開展了型鋼混凝土的研究。1948年出版的英國BS449規(guī)范認為將鋼柱埋置在混凝土中增加了截面的最小回轉半徑,它是最早認為混凝土中的型鋼增加了柱剛性的標準[1]。目前鋼骨混凝土應用需要解決的問題主要有:1)鋼骨與混凝土的共同工作;2)受力性能與混凝土結構的異同;3)軸壓承載力的計算;4)正截面承載力計算;5)斜截面承載力計算;6)變形和裂縫計算;7)節(jié)點和柱腳的鏈接形式。

[1]白國良,秦福華.型鋼鋼筋混凝土原理與設計[M].上海:上海科學技術出版社,2000:6-35.

[2]YB 9082-97,鋼骨混凝土結構設計規(guī)程[S].

[3]池田尚治.鋼—混凝土組合結構設計手冊[M].李先瑞,耿花榮,譯.北京:地震出版社,1992.

[4]潘書云.鋼—混凝土混合結構體系研究概述[J].山西建筑,2009,35(7):62-63.