型鋼混凝土在大跨度懸臂梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

董大勇

【摘 要】在一些高大跨度的項目施工過程中，施工的混凝土組合梁是施工的重中之重。本文以我國的大型跨度的挑梁工程為例，重點介紹了在大型梁施工過程中應(yīng)該注意的問題，并結(jié)合當(dāng)前的建筑水平，對剛型混凝土在大梁中的使用提出了探索性的研究課題，為了使我國的建筑行業(yè)擁有更加美好的前景，需要對大型跨度的建筑結(jié)構(gòu)綜合分析，獲得最佳的綜合效益。

【關(guān)鍵詞】型鋼混凝土；大跨度懸挑梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計

和傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料相比，型鋼作為一種新興的建筑材料有著眾多的優(yōu)勢，不僅可以節(jié)約建材，增加截面的堅硬程度，可以讓耐火性和耐腐蝕性更強，從而保證建筑的穩(wěn)定性和使用壽命。這是因為型鋼中各種配鋼率有所不同，比一般結(jié)構(gòu)的鋼材剛賠率大，甚至可以達到一倍以上。因此，為了保證整體的建筑質(zhì)量，需要做好性能延伸方面的問題，改善鋼筋混凝土的脆性，保證整體的抗震性結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)更加的持久耐用。

0.工程概況

我國某處的商業(yè)中心，辦公樓集聚。一般的辦公樓的建筑面積較大，通常會設(shè)置有地下兩層機構(gòu)，作為地上樓層的附屬樓層，地下樓層一般是車位或是地下商場等結(jié)構(gòu)類 型，在建筑的水平方面，需要和地上的樓層一樣，而且辦公樓的建筑性能和壽命一般在50年左右，這和住宅比起來，使用壽命較短，但是所需要的建材結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，和傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，這種建筑大部分采用的是剪刀墻的結(jié)構(gòu)類型，配合局部混凝土的機構(gòu)形式，抗震等級方面務(wù)必做到8級設(shè)防，才能夠保證基本的抗震要求。根據(jù)大型的抗震等級規(guī)范設(shè)計，我國的大型結(jié)構(gòu)的建筑一般會在其主體結(jié)構(gòu)處設(shè)置剪刀墻，來保證建筑物的穩(wěn)定性。

根據(jù)建筑方案大型會議室要求從A軸往外出挑8.1m，根據(jù)《北京市建筑設(shè)計技術(shù)細則》表5.1.1-3中對懸挑梁高度的要求為h=L/5～L/7， 故此處挑梁高應(yīng)為1.15～1.60m。本工程由于建筑投資、造型功能等方面的要求，梁高限為0.8～1.0m。如何完成這一大跨度懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是對結(jié)構(gòu)工程師的挑戰(zhàn)。

1.低高大跨度懸臂梁的設(shè)計

（1）在大跨度建筑中，普遍使用的是低而高的大型跨度的橫梁設(shè)計結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)在選型和橫截面的布置方面，都需要承擔(dān)較大的剪刀力，因此，在設(shè)計的過程中，需要首先對所選取的鋼筋和混凝土進行配置型鋼，同時，采取型鋼腹板的承載能力，可以大幅度的提高整體的承載力，改善了鋼型結(jié)構(gòu)的脆弱類型，使其具有更好的延展性及耗能性。

經(jīng)比選，確定懸臂梁采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計方案。以截面抗剪承載力作為控制條件，確定型鋼混凝土懸臂梁KHL106，KHL206 的截面尺寸為600mm×800mm，內(nèi)部為工字型鋼梁。同時根據(jù)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》的要求，取經(jīng)濟含鋼率4.5%，即型鋼面積約為21600mm2，實配型鋼面積采用20600mm2。型鋼的出挑長度根據(jù)懸臂梁彎矩包絡(luò)圖確定，取梁軸線長度的70%。梁體內(nèi)混凝土強度等級為C30，型鋼采用Q235B。

在懸臂梁的實施中，和傳統(tǒng)的懸梁方式有所不同，其計算的結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)擴大10%，這也就意味著橫截面的面積和側(cè) 拉的鋼筋承受能力在下降，受壓側(cè)鋼筋的承受能力在縮小。一般來說，鋼筋的配筋率有具體的要求，而在上下梁和鋼筋的擺放位置上，需要和中型梁相互匹配，確保柱主筋和箍筋之間的有效性，同時按照相關(guān)的規(guī)范進行設(shè)計，確保合理的布置。

（2）低高大跨度懸臂梁的抗剪連接。

將型鋼放置于梁的上部， 可較好地發(fā)揮型鋼材料的抗拉性能， 但型鋼上翼緣混凝土的界面間存在較大的剪應(yīng)力，極可能產(chǎn)生相對滑移，因而抗剪連接件成為型鋼混凝土組合梁充分發(fā)揮各材料性能的關(guān)鍵。本工程為避免型鋼與混凝土接觸面滑移， 在型鋼上下翼緣處間隔150mm設(shè)置兩排直徑19mm、長80mm的剪力釘。剪刀釘?shù)脑O(shè)計過程需要專業(yè)人員進行，首先對施工現(xiàn)場的環(huán)境進行勘察，確定剪刀釘?shù)幕镜囊?guī)格，然而通過對現(xiàn)場所需的剪刀釘?shù)臋C器設(shè)備的測試，保證剪刀釘按照圖紙的要求進行設(shè)計，不可出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象，而在剪刀釘?shù)墓芾磉^程管理過程中，施工人員需要對現(xiàn)場環(huán)境做好勘查，確保項目能夠在工期內(nèi)完成，同時確保工程質(zhì)量和施工人員的基本素質(zhì)水平，保證基本的建筑進度，是建筑師需要重點做好的問題。

（3）低高大跨度懸臂梁的承載力計算。

在確定挑梁尺寸后，通過可能出現(xiàn)的不利情況進行分析， 找出最不利的一組內(nèi)力值進行截面驗算。同時發(fā)現(xiàn)對民用建筑結(jié)構(gòu)中的長懸臂構(gòu)件而言，豎向地震作用不是結(jié)構(gòu)的最終控制內(nèi)力。同時， 取最不利荷載組合工況下的內(nèi)力， 利用ABAQUS軟件對本懸臂梁進行有限元分析。分析的過程要做到科學(xué)合理，選用設(shè)計水平過硬的專業(yè)人士進行分析，確保數(shù)據(jù)的精確有效性，同時在做好這一分析之后，需要對內(nèi)力組合進行抗震能力的測試，每個建筑物都需要取樣調(diào)查，才能夠保證基本的建筑不受外在環(huán)境的影響和損壞，保證基本的建筑結(jié)構(gòu)堅固性，是每個設(shè)計師工作的重點。

其中，型鋼和混凝土采用三維8節(jié)點實體單元模擬，鋼筋采用線性三維桁架單元模擬。采用嵌入技術(shù)模擬鋼筋，型鋼與混凝土之間的相互作用，不考慮滑移等因素的影響。通過在懸臂梁上施加均布荷載， 梁端施加集中荷載的方式模擬最不利工況下構(gòu)件的荷載條件， 可以看出懸臂梁約束端混凝土應(yīng)力較大，最大值為7.64MPa，低于C30混凝土的抗壓強度設(shè)計值14.3MPa；懸臂梁端縱向鋼筋受拉應(yīng)力最大值為5.10MPa， 遠低于其抗拉強度設(shè)計值。從型鋼應(yīng)力分布圖中可以看出無約束端型鋼所分擔(dān)的內(nèi)力已經(jīng)很小， 故從經(jīng)濟上考慮可適當(dāng)縮短型鋼長度。另從懸臂梁內(nèi)應(yīng)力的矢量分布可看出型鋼與鋼筋骨架能很好地協(xié)調(diào)工作，共同承擔(dān)荷載。從各個角度進行懸臂梁的施工和數(shù)據(jù)的分析，保證項目在可行的范圍內(nèi)有序的發(fā)展，同時保證經(jīng)濟效益，確保施工安全。

（4）低高大跨度懸臂梁的裂縫和撓度驗算按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 138-2001）第5.2.2條驗算裂縫寬度，KHL106梁在充分考慮裂縫寬度分布的不均勻性和荷載長期效應(yīng)組合影響的最大裂縫寬度ωmax為0.29mm，而規(guī)范規(guī)定的允許值[ω]為0.3mm，滿足規(guī)范要求。按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（GB 138-2001）第5.2.3條驗算撓度，KHL106梁的縱向收拉鋼筋的配筋率ρ=1.5%時，在充分考慮荷載短期效應(yīng)和長期效應(yīng)組合作用下的最大撓度為49.496mm，而規(guī)范規(guī)定的允許撓度[f]為l0/250=64mm，滿足規(guī)范要求。

2.結(jié)語

總而言之，在進行鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)的施工時，需要對其抗震等級進行測定，同時合理的配比含鋼率，確保混凝土柱可以達到合適的配鋼需要。一般來說，鋼板的厚度不宜過高，需要按照相關(guān)的規(guī)定進行設(shè)置。最后，在施工的整體過程中，都要考慮到各個方面的協(xié)調(diào)問題，確保各種銜接的有效率，從而保證整體項目的順利進行。

【參考文獻】

[1]北京市建筑設(shè)計標準化辦公室.北京市建筑設(shè)計技術(shù)細則（結(jié)構(gòu)專業(yè)）[M].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]YB9082-1997.鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程.北京：冶金工業(yè)出版社，1997.