高層建筑鋼混梁施工及有限元分析

摘" 要：高層建筑的出現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和建筑工藝提出更高的要求，采用更為有效、更為安全的梁結(jié)構(gòu)是其中的關(guān)鍵。在各種梁結(jié)構(gòu)中，鋼混梁同時(shí)具備鋼梁和混凝土梁的優(yōu)勢(shì)，承載性能好、適用于在高層建筑中使用。為此，針對(duì)鋼混梁進(jìn)行詳細(xì)的研究。第一項(xiàng)研究工作，是依據(jù)高層建筑的需要，給出鋼混梁的施工工藝流程和詳細(xì)步驟。第二項(xiàng)研究工作，是在截面模型的基礎(chǔ)上，給出鋼混梁的力學(xué)性能分析模型，可以對(duì)鋼混梁的抗彎效果進(jìn)行分析。第三項(xiàng)研究工作，是在有限元分析工具的幫助下，對(duì)鋼混梁進(jìn)行抗彎性能量化測(cè)試和分析。測(cè)試從鋼混梁的抗彎效果、最大撓度與跨中距離關(guān)系等角度出發(fā)，驗(yàn)證鋼含量增加有利于提升鋼混梁的抗彎效果。

關(guān)鍵詞：高層建筑；建筑結(jié)構(gòu)；鋼混梁；施工；有限元分析

中圖分類號(hào)：TU973" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）08-0086-04

Abstract： The emergence of high-rise buildings has put forward higher requirements for building structures and building processes， and the adoption of more effective and safer beam structures is the key. Among various beam structures， steel-concrete beams have the advantages of both steel beams and concrete beams， have good bearing properties and are suitable for use in high-rise buildings. To this end， detailed research was carried out on steel-concrete beams. The first research work is to provide the construction process and detailed steps of steel-concrete beams based on the needs of high-rise buildings. The second research work is to provide a mechanical performance analysis model of steel-concrete beams based on the section model， which can analyze the bending resistance effect of steel-concrete beams. The third research work is to quantitatively test and analyze the bending performance of steel-concrete beams with the help of finite element analysis tools. From the perspectives of the flexural effect of steel-concrete beams， the relationship between maximum deflection and mid-span distance， the test verified that increasing the steel content is conducive to improving the flexural effect of steel-concrete beams.

Keywords： high-rise building; building structure; steel-concrete beam; construction; finite element analysis

城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，極大地改善了城市樣貌和基本生活條件。在居住方面，因城鎮(zhèn)化引發(fā)的住宅新建，使得一座座高層建筑拔地而起，聳立在城市中形成了全新的建筑文化和城市特征。相比于多層建筑，高層建筑能夠提供的有效居住空間更大，能夠容納的城市人口更多[1]。但是，高層建筑因?yàn)楦叨鹊拇蠓忍岣?、總重的大幅度增加，也?duì)建筑工藝、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。為了更好地滿足高層建筑的安全性需求，在大跨度的承載區(qū)域采用鋼混梁是一種有效的方法[2]。所謂的鋼混梁，是將鋼梁和混凝土梁結(jié)合而成的一種梁的結(jié)構(gòu)形式，這種混合結(jié)構(gòu)形式可以充分發(fā)揮鋼梁、混凝土梁的2種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，使得梁結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度、抗壓性能和承載優(yōu)勢(shì)[3]。因此，鋼混梁已經(jīng)成為高層建筑中一種非常重要的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行施工技術(shù)和力學(xué)性能的研究，對(duì)于提升鋼混梁結(jié)構(gòu)性能具有重要的意義，對(duì)于高層建筑安全也有非常大的輔助作用。

1" 高層建筑鋼混梁的施工流程

在高層建筑中進(jìn)行的鋼混梁施工，包括的流程如下。①進(jìn)行鋼梁的梁體制作，根據(jù)建筑的需求充分考慮梁體高度、寬度和厚度，以及鋼梁的承載能力等等。②在鋼梁梁體的合適位置、鋼梁安裝的合適位置，配置剪力釘，以確保其整體安裝后能夠承載足夠的剪切力。③面板施工，即在鋼梁梁體的基礎(chǔ)上，進(jìn)行混凝土的澆筑，從而實(shí)現(xiàn)鋼-混凝土結(jié)構(gòu)。④對(duì)于梁體和安裝位置如墻體等進(jìn)行接縫處理。⑤對(duì)于一些規(guī)范的結(jié)構(gòu)，一般都有標(biāo)準(zhǔn)的建筑格式，用模板約束施工。⑥對(duì)接縫位置等對(duì)接處進(jìn)行混凝土澆筑，以起到強(qiáng)化作用，增強(qiáng)連接的可靠性。同時(shí)考慮混凝土的養(yǎng)護(hù)問題。⑦對(duì)于跨度較大的鋼混梁，要配置輔助支撐的支座，支座的高度、位置也要精準(zhǔn)控制。⑧整體安裝完畢后，對(duì)鋼混梁進(jìn)行平穩(wěn)性測(cè)試，對(duì)于不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的，要進(jìn)行進(jìn)一步的處理。鋼混梁施工的詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1" 鋼混梁的施工流程

2" 鋼混梁力學(xué)性能分析模型

通過前面的施工流程闡述可以看出，高層建筑中鋼混梁的施工包含復(fù)雜的步驟，通過結(jié)構(gòu)形式上對(duì)2種梁的合理配置，達(dá)到更好的效果。這2種梁分別是鋼質(zhì)材料的梁和混凝土材料的梁。鋼混梁施工過程中，對(duì)于梁整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮高層建筑的尺寸要求，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行慎重的調(diào)整。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為了驗(yàn)證鋼混梁是否滿足了預(yù)期的功能需求和安全性需求，需要通過力學(xué)分析等手段進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。為了展開這種測(cè)試和分析，就需要建立鋼混梁內(nèi)部的結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，以便于進(jìn)行數(shù)學(xué)意義上的量化和分析。要構(gòu)建鋼混梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，一個(gè)直觀的想法就是將鋼混梁剖開，從內(nèi)部觀察其結(jié)構(gòu)、各關(guān)鍵參數(shù)，從而構(gòu)建出對(duì)應(yīng)的分析模型。這里采用工程制圖學(xué)中的剖面法進(jìn)行鋼混梁的分析和建模。

2.1" 基于剖面的分析模型

從材料學(xué)的角度看，鋼混梁兼具了鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這2種材料都是具有較高剛度的材料，在承受外部重載荷的過程中，也很少發(fā)生塑性變形[4]。因此，可以根據(jù)這一特點(diǎn)進(jìn)行建模。建模過程中，將鋼混梁看成近似鋼體，并將混凝土部分也近似看成鋼材質(zhì)，這樣就形成了一個(gè)統(tǒng)一的近似鋼質(zhì)的模型。

式中：FS為鋼混梁中鋼材質(zhì)的結(jié)構(gòu)部分所承載的法向力的大小，J為鋼混梁整體所承載的彎矩的大小，dS為鋼混梁中純混凝土材質(zhì)梁的截面中的中心位置到達(dá)截面下方邊緣處的長(zhǎng)度距離，IS為鋼混梁中鋼材質(zhì)的結(jié)構(gòu)部分所承載的的慣性矩大小。

3" 鋼混梁結(jié)構(gòu)施工及有限元分析

針對(duì)高層建筑的梁結(jié)構(gòu)施工問題及鋼混梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，給出了鋼混梁的施工流程和力學(xué)分析模型。為了驗(yàn)證前述工作的有效性，對(duì)鋼混梁施工后的力學(xué)性能，依托公式（1）到公式（6），進(jìn)行有限元軟件的量化分析。這里，給出了一個(gè)跨度較大的梁，作為有限元分析的對(duì)象，結(jié)果如圖2所示。

在圖2中的結(jié)構(gòu)下，鋼混梁分別采取鋼質(zhì)材料和混凝土材料，以便于形成鋼混結(jié)構(gòu)。鋼質(zhì)材料的型號(hào)為Q235鋼，混凝土材料的型號(hào)為C50混凝土。為了檢驗(yàn)不同鋼質(zhì)材料配比對(duì)于鋼混梁性能的影響，分別考察鋼質(zhì)材料含量為0.5、鋼質(zhì)材料含量為1.0、鋼質(zhì)材料含量為1.5三種情況。

首先對(duì)3種材質(zhì)的鋼混梁進(jìn)行抗彎效果的檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

從4組柱狀圖的結(jié)果可以明顯看出：①鋼質(zhì)材料含量的變化，并不會(huì)引起最大載荷的明顯變化，4種情況下混合梁可以承受的最大載荷相差不多。②鋼質(zhì)材料含量越大，梁結(jié)構(gòu)的抗彎性能越強(qiáng)、可以承受的撓度變形越大。顯然，鋼質(zhì)材料含量為1.5的鋼混梁，其可以承受的撓度變形比基本材料可以承受的撓度變形，有80%左右的增長(zhǎng)。

進(jìn)一步來觀察不同材質(zhì)的梁所出現(xiàn)的撓度在空間維度上的變化，如圖4所示。

圖4中，橫坐標(biāo)代表了最大撓度出現(xiàn)的位置與跨中的相對(duì)距離的大小，縱坐標(biāo)代表了撓度的大小。從圖4中的結(jié)果可以看出，距離跨中越近的位置上，撓度越大；反之，距離跨中越遠(yuǎn)的位置上，撓度越小。鋼質(zhì)材料含量越大，撓度變形越大，在距離跨中不同位置上都有同樣的表現(xiàn)。

考慮到不同施工要求的情況下，對(duì)鋼混梁的強(qiáng)度要求還會(huì)有所不同，也為了給出更高的安全性保證，對(duì)鋼混材料中混凝土采取不同的型號(hào)，分別形成C50混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼、C75混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼、C100混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼3種材料，用于鋼混梁結(jié)構(gòu)的建造施工和裝配。對(duì)于這3種材料的最大變形對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，混凝土型號(hào)越高、其強(qiáng)度越大、鋼混梁結(jié)構(gòu)的安全性也越高。C100混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼材料形成的鋼混梁，可以承受最大撓度為15 mm的變形；C75混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼材料形成的鋼混梁，可以承受最大撓度為14 mm的變形。但顯然，這種變化相對(duì)于C50混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼材料形成的鋼混梁，可以承受最大撓度為13 mm的變形，提升效果并不是特別明顯。

因此，在可以滿足安全性要求的前提下，為了降低建造成本、提高性價(jià)比，選用C50混凝土+Q235結(jié)構(gòu)鋼材料建構(gòu)鋼混梁，即可以滿足高層建筑的要求。這3種材料的撓度變化范圍，與圖3的結(jié)果類似，不再闡述。

4" 結(jié)束語

城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，極大地改善了城市樣貌和基本生活條件。相比于多層建筑，高層建筑能夠提供的有效居住空間更大，能夠容納的城市人口更多。但是，高層建筑因?yàn)楦叨鹊拇蠓忍岣摺⒖傊氐拇蠓仍黾?，也?duì)建筑工藝、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。為了更好地滿足高層建筑的安全性需求，在大跨度的承載區(qū)域采用鋼混梁是一種有效的方法。本文中，針對(duì)高層建筑鋼混梁結(jié)構(gòu)展開研究。首先，給出了鋼混梁結(jié)構(gòu)的施工流程。其次，構(gòu)建了基于截面的鋼混梁力學(xué)性能分析模型，主要用于對(duì)其彎曲和受力等特征進(jìn)行分析。最后，通過有限元分析，給出鋼混梁的力學(xué)性能量化分析結(jié)果，測(cè)試實(shí)驗(yàn)中對(duì)鋼混梁的抗彎效果、最大撓度與跨中距離關(guān)系等進(jìn)行了測(cè)試，形成了鋼混梁安全測(cè)試的體系化方法。

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