某青少年體育館結構樓蓋選型探析

常志巍

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

中、大跨度樓蓋結構形式主要有3種，即普通混凝土樓蓋(預應力梁)、鋼結構樓蓋和型鋼混凝土樓蓋(型鋼混凝土梁)。對于普通混凝土樓蓋而言，當梁跨度超過 20m時一般需要考慮采用預應力梁，以滿足結構受力和經(jīng)濟性指標考量。

預應力梁技術在中、大等跨度混凝土結構中應用非常普遍，常見于體育館、禮堂、市政橋梁等。綜合來看預應力混凝土梁跨度在15m～25m有較好的力學和經(jīng)濟性能[1]，但預應力混凝土延性較差，對于高烈度區(qū)及對延性要求較高的情況應謹慎使用[2]；對于鋼結構樓蓋而言，鋼桁架+混凝土樓蓋是中、大跨度的樓蓋的首選，廣泛應用于中大跨度的改造及新建項目中：如蘇州某游泳館改造項目，典型跨度為31.15m，豎向承重構件為兩端鉸接的鋼桁架[3]。某會展中心，典型跨度為68m，采用兩端帶BRB的延性鋼桁架作為主要承重構件[4]。

型鋼混凝土樓蓋的適用跨度介于普通混凝土樓蓋和鋼結構樓蓋之間，在民用公共建筑及市政領域中均有應用：文獻[5]介紹了型鋼混凝土梁在體育游泳館的應用。該項目開間8.1m、跨度方向為兩跨連續(xù)梁40.5m+8.1m，40.5m跨主梁采用型鋼混凝土梁，截面尺寸為600mm×2200mm；文獻[6]介紹了型鋼混凝土梁在廣州市市廣路長隆天橋中的應用。該橋面寬7.8m、主橋為三跨連續(xù)梁21.95m+5.7m+30.4m，兩端為鉸支座，30.4m跨主梁采用型鋼混凝土梁，截面尺寸為450mm×1850mm。

型鋼混凝土梁在鐵路客站中也有廣泛應用[7-8]，如站房結構設計時，常將承軌層及以下部分采用型鋼混凝土框架梁柱形式作為首選。相比純鋼框架結構或預應力鋼筋混凝土結構等，具有抗動載疲勞、耐久性好、運營維護簡單、梁柱節(jié)點施工方便、工程經(jīng)濟性好等優(yōu)點。鐵路客站由于站房功能的特殊性，其柱網(wǎng)多為 21m×12m 以上的大柱網(wǎng)。新增跨線高架候車室在施工時的火車運營不能中斷，軌道上不允許設置滿堂支撐腳手架，型鋼混凝土中的型鋼在混凝土未澆筑前就已形成鋼結構骨架，具有相當大的承載力，能夠承受構件自重和施工荷載，并且可將模板固定在型鋼上，同時還可以省去為支模板而設置的支撐柱。鑒于以上優(yōu)點型鋼混凝土結構越來越多地被運用到鐵路客站的設計當中。

基此，本文以某青少年體育館36.2m跨度的樓蓋選型為例，介紹樓蓋的選型過程、主要分析結果及經(jīng)濟指標對比，探討型鋼混凝土結構在這種跨度下的適用性，并對施工組織、施工質量的關鍵問題做了論述。

1 工程概況

某青少年體育館位于東南沿海區(qū)域，為地上兩層、地下局部一層的學校體育類建筑，其中一層為游泳館、二層為綜合體運動館，最大跨度36.2m，柱網(wǎng)開間為9.1m，建筑面積為12 873m2，主體結構采用混凝土框架體系，大跨部分采用型鋼混凝土柱+型鋼混凝土梁(圖1)。鑒于近年來頻發(fā)大跨度金屬屋面風災事故[9]，業(yè)主建議采用鋼筋混凝土屋蓋，故屋面結構采用鋼桁架+輕質混凝土屋蓋(圖2)。結構計算參數(shù)如下：抗震設防烈度為7度0.15g，Ⅱ類場地，設計地震分組為第三組，基本風壓0.8kN/m2；抗震設防分類標準為重點設防類；二層樓面附加恒荷載2.0kN/m2，活荷載4.0kN/m2。

圖1 結構鳥瞰圖

圖2 屋面布置圖

2 結構方案選型比較

因游泳館上空的二層樓面梁處于泳池水氣的腐蝕環(huán)境中，業(yè)主不接受游泳館上空采用鋼結構。為增強其耐久性及減少后期維護，只能采用預應力混凝土和型鋼混凝土作為結構樓面體系。

方案早期階段，該建筑采用密柱網(wǎng)的混凝土框架結構，跨度為36.2m的大跨度梁擬采用預應力混凝土。鑒于36.2m跨度大梁對于預應力結構來說，跨度偏大、延性較差，結構工程領域實踐較少[1]，且多見于橋梁領域。故，在方案優(yōu)化階段提出了型鋼混凝土框架體系，擬通過型鋼混凝土梁的高承載力來增大柱距，同時節(jié)省樁基造價，且該體育館為重點設防類建筑，出于對結構延性的考量，且屋蓋質量較大，大跨邊柱均加了鋼骨即采用型鋼混凝土柱以提高延性和承載力。

型鋼混凝土是以型鋼為核心外包鋼筋籠加混凝土的組合結構，簡稱 SRC(Steel Reinforced Concrete)結構。在這種結構的型鋼部分與外包鋼筋籠和混凝土部分形成一個整體共同抵抗荷載作用，具有優(yōu)異的防火、抗震和承重性能[10-11]，但型鋼混凝土結構應與高強度混凝土匹配方可充分發(fā)揮型鋼的作用[12]。與鋼結構相比，型鋼混凝土結構具有耐久性、耐火性和耐腐蝕好的特點，但自重較鋼結構大，施工較復雜；與普通鋼筋混凝土結構相比，型鋼混凝土結構承載力高、抗震性能好、施工周期短，在相同的承載能力下截面較小、自重輕，布置更靈活，但是節(jié)點鋼筋與型鋼混凝土連接復雜，澆注較困難，施工難度較大。

為進一步比較預應力混凝土方案和型鋼混凝土方案的可行性，筆者對兩種方案做了詳細計算和對比：方案一 采用4.55m間距密柱、普通混凝土柱及預應力混凝土梁，預應力梁高550mm×1800mm；方案二 采用9.1m間距型鋼混凝土柱、型鋼混凝土梁，型鋼混凝土梁高為 650mm×2000mm,二層樓蓋的結構面積為4821.80m2(圖1～圖4)。

根據(jù)圖5～圖6配筋方案計算可知，方案一大跨混凝土梁柱配筋困難，且二層以上抽柱，存在比較大的豎向剛度變化；方案二型鋼混凝土梁柱配筋均為構造配筋，上下層剛度均勻。具體計算結果對比見表1。

圖3 方案一(密柱網(wǎng)4.55m)

圖4 方案二(大柱網(wǎng)9.1m)

圖5 方案一配筋簡圖

圖6 方案二配筋簡圖

表1 結構分析主要結果對比

從對比結果可以看出：①兩個方案側向剛度接近，大跨梁的豎向剛度基本一致，考慮到柱距的不同因素，方案二的樓面梁豎向剛度為方案一的兩倍；②周期比方面，方案二優(yōu)于方案一；③混凝土單方用量和樓面梁單方含鋼量方面，方案二優(yōu)于方案一；④考慮到方案二樓面增加型鋼梁合計172t，折合樓面單方用鋼量為35.6kg/m2，方案二的樓面梁綜合用鋼量為67.9kg/m2，方案一優(yōu)于方案二；⑤方案二柱比方案一節(jié)省框架柱落地數(shù)量，可以節(jié)省相應樁基的造價。

3 節(jié)點設計及施工措施

圖7 型鋼混凝土梁

型鋼混凝土梁(圖7)及梁柱節(jié)點(圖8～圖11)復雜，施工難度大、要求高，需要在理解設計意圖的前提下，做好鋼構深化和施工組織設計：(1)為防止鋼梁變形過大，深化時按跨度1/500預起拱；(2)梁柱核心區(qū)存在梁、柱主筋與型鋼相交問題，同時梁、柱箍筋的設置也存在與型鋼相交的問題，需要設計與施工單位做好圖紙交底，需要鋼結構深化單位做好鋼筋排布和板件預留孔和定位孔等深化設計工作；(3)鋼構件大而重，其吊裝、安裝等施工組織要求高，現(xiàn)場焊接施工質量要求高；(4)型鋼混凝土梁柱節(jié)點及型鋼混凝土梁底部，建議采用凝土強度等級不低于C40自密實混凝土，以保證澆筑質量如圖7型鋼混凝土梁澆筑完效果，建議在施工現(xiàn)場做足尺試驗(圖12)積累經(jīng)驗，便于大面積澆筑。

圖8 型鋼混凝土梁大樣

圖9 型鋼混凝土梁柱節(jié)點大樣(一)

圖10 型鋼混凝土梁柱節(jié)點大樣(二)

圖11 承臺大樣

圖12 足尺澆筑試驗

4 結論

(1)預應力混凝土梁樓蓋在，15～25m有較好的力學和經(jīng)濟性能，高烈度區(qū)及對延性要求較高的情況應謹慎使用；鋼桁架混凝土樓蓋在國內(nèi)已知建成的項目中，跨度介于30～68m；型鋼混凝土梁樓蓋的適用跨度介于預應力混凝土梁和鋼桁架之間，不僅廣泛應用于鐵路站房，在民用公建和市政領域也有所應用。

(2)該青少年體育館工程采用36.2m跨度的型鋼混凝土梁+型鋼混凝土柱組成的框架結構是合適的，耐久性好、承載力高。

(3)型鋼混凝土的施工組織和施工質量是關鍵，型鋼混凝土梁可采用自密實混凝土，建議澆筑前采用局部足尺試驗，以確保施工工藝和施工質量。型鋼混凝土結構應與高強度混凝土匹配(建議不低于C40)。