大跨度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用探討

黃明超 上海申建工程設(shè)計(jì)院有限公司

1 前言

隨著建筑使用功能的多樣化，經(jīng)常要用到大空間，如展覽館的頂部、會議廳的屋面、地鐵站房等。大跨度空間可以根據(jù)工程實(shí)際情況，通過型鋼混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁、鋼筋混凝土折線形屋架等來實(shí)現(xiàn)。

2 型鋼混凝土梁在大跨度混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 實(shí)例介紹

本工程為某規(guī)劃館，地上兩層，地下一層，建筑高度為15m。地上建筑面積9300m2，縱橫兩個方向長度均為76m，地下建筑面積13200m2，設(shè)計(jì)使用年限為100 年；安全等級為一級；耐火等級為一級。建筑抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防（乙）類，抗震設(shè)防烈度為6度，基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。場地類別為Ⅱ類?？拐鸬燃墸嚎蚣転槿墸ň植看罂缍忍帪槎墸；撅L(fēng)壓為0.45kN/m2（n=100y）。地面粗糙度類別：B 類?；狙褐担篠o=0.50kN/m2。單體造型上由正方形演化而來，在角部進(jìn)行均勻擠壓，使得形體變化均勻。幕墻構(gòu)架最大外挑長度為4.1m。

該規(guī)劃館采用混凝土框架結(jié)構(gòu)?！?.000 標(biāo)高處中間部分為城市沙盤主展區(qū)，沙盤主展區(qū)下部柱子伸到±0.000 為止，使得該區(qū)域在上部形成大空間結(jié)構(gòu)。本節(jié)主要對城市沙盤主展區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)介紹，該區(qū)域屋面縱橫兩個方向跨度均為42m?？紤]到建筑對屋面做法的要求，本工程屋面采取鋼筋混凝土屋面。按這個要求，在設(shè)計(jì)方案階段，考慮過使用普通混凝土梁，但是由于該屋面恒荷載較大、梁跨度較大，使得梁截面大、配筋多，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重增大，不經(jīng)濟(jì)，不采用該方案。經(jīng)比較，采用在屋面縱橫雙向布置型鋼混凝土梁的方案，能較好地滿足承載力和變形要求。

本工程采用型鋼混凝土梁截面均為500mm×2000mm，間距為8.4m，內(nèi)置H 型鋼1700mm×250mm×25mm×32mm；型鋼混凝土梁之間設(shè)置300mm×750mm 混凝土梁，將板格劃分成4.2m×4.2m。型鋼梁材質(zhì)為Q355B，混凝土梁強(qiáng)度等級為C35，鋼梁上下翼緣均設(shè)置栓釘，栓釘直徑為19mm，縱向間距為200mm，型鋼混凝土梁抗震等級為二級。鋼筋強(qiáng)度等級為HRB400。

經(jīng)過計(jì)算在長期荷載作用下，型鋼混凝土梁跨中最大撓度為103.1mm，梁按跨度1/1000 起拱，反拱值為42mm。

為實(shí)現(xiàn)梁柱剛接，型鋼混凝土梁兩端的柱子采取型鋼混凝土柱，形成型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。在鋼柱頂部工廠焊接長度為700mm 的懸臂梁，懸臂梁的截面和材質(zhì)與型鋼梁相同。型鋼梁和懸臂梁采用栓焊連接方式實(shí)現(xiàn)剛接，腹板采用10.9 級M20 摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。

實(shí)際構(gòu)造中，型鋼混凝土柱中的箍筋可以設(shè)置成菱形，菱形四邊與柱最外側(cè)箍筋在同一豎向平面內(nèi)，便于施工。

本工程主體結(jié)構(gòu)已施工完畢，狀況良好。

2.2 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

（1）含鋼率上限高?！督M合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對于型鋼柱的規(guī)定：型鋼混凝土框架柱的含鋼率不宜大于15%（第6.1.1條）；對于型鋼梁的規(guī)定：混凝土的保護(hù)層厚度不小于100mm。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，一般可按混凝土梁的高度減去300mm 作為型鋼梁的高度，型鋼梁的腹板可設(shè)置較薄，減少用鋼量。

（2）承載能力高。采用了型鋼混凝土構(gòu)件的建筑，由于提高了承載力，因而可以減小構(gòu)件截面，從而增加了建筑使用面積，達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，由于采取了型鋼混凝土梁，整個建筑自重減輕，地震作用對建筑的影響也有所減小。

（3）材料的特性利用充分。該結(jié)構(gòu)形式充分利用了混凝土抗壓強(qiáng)度高和鋼材抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)。另外，在設(shè)計(jì)中一般可采用Q355B鋼材，采用較高等級的材料對梁抗剪能力的提高非常有用。（4）防腐、耐火等性能上好。利用混凝土天然優(yōu)勢，減少油漆等維護(hù)工作。

2.3 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處的混凝土為整體澆筑，因此，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造主要集中在型鋼梁和型鋼柱的連接、鋼筋與型鋼柱的連接上。

型鋼混凝土梁中的縱向鋼筋和型鋼混凝土的柱子連接一般采用以下幾個方法。

（1）在柱內(nèi)型鋼對應(yīng)鋼筋處打孔。鋼筋穿孔洞，孔直徑大于縱向鋼筋直徑。

（2）增加鋼牛腿。鋼牛腿工廠焊接在鋼柱上，鋼筋現(xiàn)場焊接在鋼牛腿上。這種方法對于配筋數(shù)量較小的情況有良好的效果，且減少了鋼筋錨固量。

（3）混凝土梁端部加腋。在混凝土梁端加腋，增大了混凝土構(gòu)件的寬度，從而減小與鋼柱連接的鋼筋數(shù)量。

（4）在型鋼柱上設(shè)置套筒。這種方法應(yīng)用廣泛，施工也較為方便，本工程按該方案進(jìn)行節(jié)點(diǎn)處理。另外，為了減少鋼筋與鋼柱連接的連接數(shù)量，設(shè)計(jì)時(shí)可以將混凝土柱內(nèi)型鋼的翼緣寬度減小，同時(shí)增大腹板高度以獲得較大的慣性矩。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上，可在鋼柱對應(yīng)套筒位置設(shè)置加勁板，加勁板切角，然后和鋼柱腹板現(xiàn)場焊接連接。加勁板設(shè)置切角主要是為了避免焊接時(shí)應(yīng)力集中。

混凝土梁中的拉筋也需要特殊處理，梁的拉筋設(shè)置有以下三種做法。

（1）在型鋼梁上穿孔；

（2）拉筋端部彎折，現(xiàn)場進(jìn)行焊接，雙面焊接長度不小于5d；

（3）在梁的腹板兩側(cè)工廠焊接連接板，拉筋不穿過腹板，在現(xiàn)場直接焊接在連接板上。

考慮到第一種方法對型鋼梁腹板有削弱，第二種方法現(xiàn)場焊接量大，本工程采取第三種做法：在腹板兩側(cè)工廠焊接連接板，連接板的尺寸為70mm×50mm×6mm，材質(zhì)為Q235B，混凝土梁的拉筋不穿過腹板，直接焊接在連接板上。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土梁在大跨度混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 實(shí)例介紹

本工程位于上海市區(qū)，建筑面積12700m2，地上十二層，建筑高度為45m，一層地下室。三層及以下長78.1m，寬21.5m；三層以上長53.5m，寬21.5m。底部兩層層高為4.5m，三層及以上層高為4.0m。底部三層柱子截面主要為800mm×800mm，三層～七層柱子截面主要為700mm×700mm，七層以上主要為

600mm×600mm。

在設(shè)計(jì)之初，考慮到結(jié)構(gòu)體型較為規(guī)則，為了滿足建筑對使用空間的要求，避免剪力墻對使用的影響，本工程采用框架結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)使用年限為50年；安全等級為二級；耐火等級為二級。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，場地類別為Ⅳ類，抗震等級：框架為二級（局部大跨度處為一級）?；撅L(fēng)壓為0.55kN/m2(n=50y)。地面粗糙度類別：B類?；狙褐担篠o=0.20kN/m2。

由于本工程有高低屋面，低屋面在第三層、4-8軸以東，高屋面在4-8軸以西。低屋面下絕大部分為鏤空區(qū)域。低屋面最大跨度為20.6m。在設(shè)計(jì)方案比選時(shí)，對梁的截面形式考慮過：（1）普通混凝土梁；（2）型鋼混凝土梁；（3）預(yù)應(yīng)力梁。

由于跨度大，采取普通鋼筋混凝土梁時(shí)，需要的梁截面大，配筋多，不經(jīng)濟(jì)，因此第一種方案不予考慮。

另外，由于該大跨度位于房屋端部，如采用型鋼梁難以和混凝土柱子形成剛性連接。為了達(dá)到剛接效果而在混凝土柱中增加型鋼，按著構(gòu)造要求只能放下400mm高的型鋼，經(jīng)過計(jì)算，400mm高的型鋼截面過小，需要增大柱子截面。且采用型鋼柱之后，柱腳設(shè)計(jì)也復(fù)雜，增大施工難度。綜上，第二種方案也不予考慮。

為了保證結(jié)構(gòu)在較大屋面的荷載作用下有良好的抗變形和抗裂性能，本工程局部采取后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，即在4-8軸～4-11軸交4-B軸、4-C軸設(shè)置預(yù)應(yīng)力梁，預(yù)應(yīng)力梁混凝土強(qiáng)度等級為C40，預(yù)應(yīng)力梁間距6.3m。預(yù)應(yīng)力梁設(shè)置在低屋面屋頂，下面為會議廳，預(yù)應(yīng)力梁跨度為20.6m，預(yù)應(yīng)力梁截面為500mm×1300mm。與預(yù)應(yīng)力垂直方向設(shè)置有300mm×600mm 混凝土次梁，次梁間距4.2m～3.75m不等。

預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力1339MPa，采用一次超張拉（按3%）錨固工藝，梁內(nèi)單根鋼絞線張拉控制力為193kN。采用外凸式錨具，張拉端均凸出120mm，再后澆C40 細(xì)石混凝土封錨，封錨區(qū)內(nèi)設(shè)兩層直徑為8mm、間距為50mm箍筋網(wǎng)片。預(yù)應(yīng)力梁內(nèi)的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋為2×10Φ15.2mm，預(yù)應(yīng)力筋布置盡可能與荷載產(chǎn)生的彎矩一致，在屋面荷載產(chǎn)生彎矩較大的截面處，布置預(yù)應(yīng)力筋時(shí)，盡可能是鋼筋在受拉邊緣，在本工程中預(yù)應(yīng)力鋼筋在跨中時(shí)靠近下翼緣，支座處靠近上部。

目前本工程已投入使用，未見裂縫，各項(xiàng)指標(biāo)良好。

3.2 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一般情況下，在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，常常會用預(yù)拉高強(qiáng)鋼筋的彈性回縮力，對混凝土結(jié)構(gòu)施加一個預(yù)設(shè)的應(yīng)力，從而使得混凝土在荷載作用下，以合適的應(yīng)力狀態(tài)工作，克服混凝土受拉強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮混凝土受壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）截面小，承載力高。由于預(yù)應(yīng)力混凝結(jié)構(gòu)采用的是高強(qiáng)度材料，在同等荷載作用下、同樣截面尺寸情況下用來抵抗相同彎矩所需要的鋼筋就小。（2）抗裂性性能好。對施加混凝土梁施加預(yù)應(yīng)力之后，構(gòu)件的裂縫出現(xiàn)會大大延遲。在外荷載作用下，混凝土梁不出現(xiàn)裂縫或者裂縫推遲出現(xiàn)，從而使得構(gòu)件的剛度提高，增強(qiáng)了構(gòu)件的耐久性。（3）結(jié)構(gòu)安全性高。施加預(yù)應(yīng)力實(shí)際上對預(yù)應(yīng)力筋和混凝土進(jìn)行了一次強(qiáng)度檢驗(yàn)，如果材料能經(jīng)得起預(yù)張拉，則可初步認(rèn)為其在正常荷載作用下是可靠的。

由于曲線預(yù)應(yīng)力筋的存在，混凝土梁在支座處所受到的剪力減小，預(yù)先施加的預(yù)壓應(yīng)力使得主拉應(yīng)力減小。

預(yù)應(yīng)力混凝土也有以下缺點(diǎn)。

（1）工藝比較復(fù)雜，對施工單位要求高；

（2）對設(shè)備要求高，需要專門的設(shè)備；

（3）輔助材料較多，如導(dǎo)管、錨具等。

3.3 注意事項(xiàng)

（1）預(yù)應(yīng)力筋鋪設(shè)施工時(shí)，預(yù)應(yīng)力梁每1m（最大不超過1.5m）設(shè)置固定支架以保證預(yù)應(yīng)力筋的曲線定位；（2）澆筑混凝土前進(jìn)行電氣焊作業(yè)時(shí)，應(yīng)采取可靠措施保護(hù)波紋管等預(yù)應(yīng)力組件不受損傷，鋼絞線不得電焊、通電、搭接回路；（3）當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線遇見洞口時(shí)，應(yīng)使鋼絞線繞過洞口，曲線的曲率半徑＞6.5m，最小不得小于2m；（4）混凝土澆筑完成后，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)，防止張拉前出現(xiàn)早期收縮裂縫；（5）預(yù)應(yīng)力張拉需待達(dá)到設(shè)計(jì)張拉強(qiáng)度后方可進(jìn)行，張拉對稱進(jìn)行；（6）預(yù)應(yīng)力施工單位應(yīng)編制詳細(xì)的預(yù)應(yīng)力施工及張拉方案，包括張拉順序及安全保證措施等。

4 混凝土折線形屋架在大跨度混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)例

4.1 實(shí)例介紹

本工程為上海市某地鐵停車場運(yùn)用庫設(shè)計(jì)項(xiàng)目。建筑面積25860m2，地上一層，建筑高度為10m。運(yùn)用庫采用框排架，柱子截面大多為400mm×600mm，柱子水平向間距6m，豎向間距18m。由于結(jié)構(gòu)體型非常規(guī)則，考慮到施工方便、施工速度、模數(shù)化生產(chǎn)等要求，本工程采用鋼筋混凝土折線形屋架。設(shè)計(jì)使用年限為50年；安全等級為二級；耐火等級為二級。建筑抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防（丙）類，抗震設(shè)防烈度為7 度，基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。場地類別為Ⅳ類?？拐鸬燃墸嚎蚣転槎?。基本風(fēng)壓為0.55kN/m2(n=50y)。地面粗糙度類別：B類?；狙褐担篠o=0.20kN/m2。

由于該項(xiàng)目為地鐵停車場，如果采用鋼結(jié)構(gòu)，后期油漆等維護(hù)較為不便?；炷两Y(jié)構(gòu)在防火性能上有天然優(yōu)勢。采用混凝土折線形屋架，方便施工。

4.2 混凝土折線形屋架構(gòu)造細(xì)節(jié)

該項(xiàng)目中，屋面采用鋼骨架輕型板，屋面板芯材厚度100mm，天溝板芯材厚度80mm。鋼骨架輕型屋面板與屋架上弦預(yù)埋件焊接點(diǎn)，每塊板不得少于三條。天溝板必須焊四條，焊縫長不得小于80mm，焊腳尺寸不得小于6mm。在設(shè)計(jì)該類屋面板時(shí)必須強(qiáng)調(diào)屋面板與屋架上弦的焊接構(gòu)造措施，這樣才能從設(shè)計(jì)上保證地震作用下屋面板不發(fā)生錯位、移動。

為增強(qiáng)屋架在平面和空間的穩(wěn)定性，屋架需設(shè)置水平支撐和垂直支撐。屋面上弦水平支撐設(shè)置在建筑物兩端、變形縫兩側(cè)和柱間支撐對應(yīng)位置，屋面下弦水平支撐設(shè)置在建筑物兩端和變形縫兩側(cè)，整個建筑物在屋架端部和中間通長設(shè)置剛性系桿。

為了增強(qiáng)整體抗風(fēng)、抗震能力本工程在每個區(qū)域設(shè)置兩道下柱支撐、四道上柱支撐，柱頂設(shè)置剛性系桿。在計(jì)算柱間支撐時(shí)，尤其要注意核對程序?qū)χ斡?jì)算長度的計(jì)算，以免所選擇截面偏小。

另外，由于柱間支撐截面一般不大，而且數(shù)量少，但是所起作用非常大，對整體體系的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的作用，因此，適當(dāng)加大柱間支撐的截面，對結(jié)構(gòu)安全很有利。

目前本工程已竣工并投入使用，情況良好。

5 結(jié)束語

在進(jìn)行大跨度混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)建筑對屋面材料的要求、屋面跨度的大小、建筑防火要求、后續(xù)維護(hù)方便性、施工周期等因素綜合考慮，選定合適的結(jié)構(gòu)方案。