談型鋼混凝土在大跨度建筑中的應(yīng)用

耿光華

(蘇州市規(guī)劃設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江蘇蘇州 215006)

0 引言

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)(SRC結(jié)構(gòu))，又稱鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，是指結(jié)構(gòu)桿件或構(gòu)件，以型鋼為骨架，外圍包以鋼筋混凝土，所形成的組合結(jié)構(gòu)。其基本上屬于鋼筋混凝土范疇，具有承載力大，延性好，剛度大的特點(diǎn)。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑用型鋼的廣泛推廣，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有廣闊前景。

1 工程概況

蘇州市體育中心健身館工程由法國何斐德建筑設(shè)計公司進(jìn)行建筑方案設(shè)計，是蘇州市體育中心體育場及體育館配套工程。長為171．3 m，寬為126．3 m，高為22．2 m，總建筑面積約40 000 m2。地下1層，約20 000 m2，為家樂福超市及游泳館設(shè)備用房，地上5層，為游泳館，網(wǎng)球館及羽毛球館等綜合健身館。其中游泳館頂3層樓面跨度為18 m+35．4 m，上為羽毛球館;貴賓網(wǎng)球中心頂5層屋面跨度為20 m+33．6 m，上為屋頂花園。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土(局部型鋼混凝土)框排架結(jié)構(gòu)，樓板采用普通梁板結(jié)構(gòu)，游泳館頂及貴賓網(wǎng)球中心頂大跨度樓面采用型鋼混凝土組合框架。羽毛球館屋頂跨度為53．4 m輕鋼屋頂，采用倒三角鋼管桁架。廣場部分地下室頂板采用寬扁梁以降低結(jié)構(gòu)層高。為滿足建筑要求，主樓和大地下室之間不設(shè)縫，采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)減小絕對沉降量，并通過后澆帶解決主要的施工期間沉降差問題。本工程地震設(shè)防烈度6度，抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，3層樓面35．4 m鋼骨混凝土梁，5層屋面20 m+33．6 m鋼骨混凝土梁，53．4 m鋼結(jié)構(gòu)桁架及與這些梁相連的柱安全等級提高一級，即為一級，重要性系數(shù)γ=1．1。擬建場地土類型評為中軟場地土，建筑場地類別劃為Ⅲ類。

2 結(jié)構(gòu)選型

本工程結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)在于:1)樓屋面結(jié)構(gòu)跨度大，荷載較重;2)室內(nèi)游泳館較為潮濕;對結(jié)構(gòu)耐久性提出了較高要求;3)整體結(jié)構(gòu)較為空曠，抗震要求高。如果采用一般鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)難以滿足大跨、載重要求;如果采用全鋼框架結(jié)構(gòu)，防腐蝕要求較高，將來給使用維護(hù)帶來不便。型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)勢:

1)相比一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有:a．承載力高，由于其中型鋼可不受含鋼率的限制，其承載力可以高于同樣外形尺寸的鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力一倍以上，從而可以控制構(gòu)件的截面積，減輕結(jié)構(gòu)體自重，并增加建筑的使用面積和使用空間高度;b．控制梁截面剛度后，能減小梁柱線剛度比，使其更易于實現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的抗震目標(biāo)，避免在柱端形成塑性鉸;c．由于梁內(nèi)型鋼的設(shè)置，其延性比一般混凝土有明顯提高，因此在大震中呈現(xiàn)出較好的抗震性能。

2)相比鋼結(jié)構(gòu)具有:a．由于外包裹混凝土，克服了鋼結(jié)構(gòu)耐火性能和耐久性能方面的缺陷。b．由于外包裹混凝土對型鋼的約束，克服了一般鋼結(jié)構(gòu)容易受壓失穩(wěn)的弱點(diǎn)。c．比鋼結(jié)構(gòu)可節(jié)省大量鋼材，使鋼材的性能得以充分發(fā)揮，一般可比純鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材30%以上。

依據(jù)以上特點(diǎn)，本工程游泳館頂3層18 m+35．4 m跨度樓面，貴賓網(wǎng)球中心5層屋面20 m+33．6 m跨度屋面，采用了型鋼混凝土組合框架結(jié)構(gòu)，是較為可行的解決方案。

3 主要結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)上述選型要求，對貴賓網(wǎng)球中心樓面梁，跨度20 m+33．6 m，采用型鋼混凝土形式。如圖1所示，對小跨，柱截面800×800，布置500×2 200混凝土梁，內(nèi)設(shè)型鋼H2 000×400×30×60。對大跨，柱截面1 000×1 000，布置400×1 200混凝土梁，內(nèi)設(shè)型鋼H1 000×300×24×30。為保證梁內(nèi)鋼筋排布，梁截面做成工字形，見圖2。游泳館頂3層樓面布置形式基本相同。

圖1 鋼骨立面圖

4 需考慮的問題

一般型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于多、高層建筑中一般跨度或中型跨度結(jié)構(gòu)。本工程部分結(jié)構(gòu)跨度超過33 m，屬大跨度結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用也帶來了一系列問題:

1)為滿足承載力及變形要求，大跨度處需結(jié)構(gòu)梁高及梁寬均較大，如果采用一般矩形截面，型鋼混凝土主梁自重較大，占整個樓蓋結(jié)構(gòu)自重比例較高，約為1/3～1/2，隨著自重增加，又要求采用更高更寬的主梁，主梁自重占整個樓蓋結(jié)構(gòu)自重比例也隨之增大，樓蓋自重的增加，整體結(jié)構(gòu)地震力加大，抗震不利。因此，在充分發(fā)揮型鋼混凝土承載力前提下，有效減小結(jié)構(gòu)梁自重，對大跨度結(jié)構(gòu)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)顯得尤其重要。實際設(shè)計采用了工字形截面主梁，在同等梁寬的情況下，減小了鋼筋混凝土腹板厚度，有效減輕了結(jié)構(gòu)梁自重，從而明顯減小整個樓蓋結(jié)構(gòu)自重。

2)由于跨度的增加，型鋼混凝土中型鋼截面較大，長度及單構(gòu)件重量較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮運(yùn)輸，拼裝及吊裝要求。設(shè)計結(jié)合結(jié)構(gòu)受力情況將整個框架分為多個構(gòu)件以滿足運(yùn)輸，拼裝及吊裝要求;同時由于本工程為大地下室，地下室頂樓蓋設(shè)計適當(dāng)考慮吊裝要求，為施工提供必要條件。

3)型鋼混凝土中由于型鋼與鋼筋同時存在，為保證受力及施工，設(shè)計時必須要考慮鋼筋的搭接、錨固等受型鋼的影響，盡量避免或減少鋼筋穿過梁、柱型鋼翼緣，同時盡量減少主筋穿過梁、柱型鋼腹板，對于必須穿過梁、柱型鋼腹板的，預(yù)開孔洞均逐一注明。

4)大跨度主梁截面較高，多為2 m以上，梁下翼緣一般無支撐，平面外剛度較差，應(yīng)有足夠措施保證梁下部平面外整體穩(wěn)定。設(shè)計時每隔8 m左右將次梁在主梁交接處將次梁加高至主梁高度1/2以上，以保證梁下部平面外穩(wěn)定。

5)由于大跨度，梁柱節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力較大且受力情況復(fù)雜，采取有效措施保證節(jié)點(diǎn)處安全對滿足整體結(jié)構(gòu)抗震要求顯得尤為重要，結(jié)構(gòu)設(shè)計對大跨梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)處腹板應(yīng)力復(fù)雜，實際設(shè)計對梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用加勁肋對腹板進(jìn)行分隔加強(qiáng)，改善腹板受力情況。

圖2 梁柱截面圖

6)由于混凝土構(gòu)件中型鋼的存在，特別是選用工字形梁截面以及對梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用加勁肋，對施工帶來較高難度，特別是混凝土的澆筑。設(shè)計中采用在型鋼應(yīng)力小的區(qū)域開設(shè)透氣孔，并對混凝土澆筑順序提出具體要求，對特別難澆筑區(qū)域采用提高一級細(xì)石混凝土，以保證混凝土澆筑順利完成，通過施工方努力，實際效果良好。

5 結(jié)語

1)采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以解決跨度大、梁高受限的問題，同時，增加結(jié)構(gòu)剛度，提高了抗震性能。

2)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在構(gòu)造上是設(shè)計的難點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)設(shè)計相對較復(fù)雜，設(shè)計時應(yīng)充分考慮到其特點(diǎn)，根據(jù)計算要求，合理布置型鋼以及鋼筋排布，做好節(jié)點(diǎn)及特殊構(gòu)件的設(shè)計。

3)型鋼的加工和制作，應(yīng)考慮構(gòu)件內(nèi)鋼筋及箍筋的影響，同時，也應(yīng)滿足混凝土澆筑等施工的要求。