型钢混凝土在大跨度悬梁结构中的应用

王红

摘  要：本文对型钢混凝土结构的承载力、抗震性、防火性能在大跨度悬梁结构中的应用做了详细阐述，并且结合实际工程进行分析和研究，对型钢混凝土结构设计的关键要素进行提炼，为以后的工程提供高一定的参考。

关键词：型钢混凝土;大跨度悬臂梁;结构设计

型钢混凝土结构（SRC）的好坏影响着结构的安全、功能、成本。型钢混凝土结构（SRC）和普通钢筋混凝土（RC）结构相比有整体性能强、延性好、刚度大、耐火性好、耐久性好的优势。并且在配筋率比RC结构要大，对于需要同样承载能力的结构来说，SRC可以减小一定的构件截面积，从而比RC至少节省1/3的钢材，这种截面更小、自重更轻、布置更灵活的优点让SRC在大跨度悬梁结构中得到广泛的应用。

一、工程概况

本工程是商业中心办公楼，建筑面积3960m2，主要分为地下地上两部分，地下1层，地上2层。地下层高为3.6m，首层层高4.0m，二层层高3.8m。

根据建筑要求，办公楼是丙类建筑，使用年限是50年，抗震设防为8度，根据受力情况和施工难度综合考虑形成结构形式是普通钢筋混凝土框架-剪力墙结构+局部型钢混凝土。

因为本工程空间结构多变，造型要求复杂，梁高限为0.8～1.0m，要设置大悬梁结构，所以对结构工程要求较高。

二、低高大跨度悬臂梁的设计

1.低高大跨度悬臂梁的选型及截面布置

建筑整体结构比较复杂，特别是大跨度悬臂梁结构要承担较大剪力。为了提高悬臂梁整体的抗剪承载力工程采用了型钢腹板提升构件强度和延性。

因为结构跨度大，受力复杂且重要性高，最终经过设计师讨论和对比，型钢混凝土结构形式成为最合适的结构方案。工程中采用截面尺寸为600mm×800mm的KHL206混凝土悬梁臂。内部结构形成工字型钢梁，大大提高了抗震性能和承载能力。《钢骨混凝土结构设计规程》中含钢率范围是2%—15%，美国钢结构学会认为SRC构件含钢率要≥4.0，此次经济含钢率为4.5%，符合规定。所以型钢面积为21600mm2，实配型钢面积采用20600mm2。梁在活载和横载的作用下，各种截面会产生弯矩，荷载作用下悬梁臂弯矩配筋要长度根据设计手册资料，画出弯矩包络图来确定，最终取值是梁轴线长度的70%。梁体内的混凝土强度也要考虑到承载力，选用强度等级为C30的Q235B。

悬臂梁非普通钢筋的强度要求会很高，所以悬梁配筋计算结果要增加10%。截面受拉侧钢筋为12 32，受压侧钢筋为8 32，采用HRB400II钢筋，配筋率不超过2%。箍筋安装也是悬臂梁施工难点，在本工程中要考虑梁上、梁下钢筋的摆放位置和中型钢翼缘、柱主筋和箍筋之间的关系。梁的箍筋及腰筋均要符合按《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）的要求。

2.低高大跨度悬臂梁的抗剪连接

型钢位于梁上部。型钢表面积和截面面积较小，而且表面平整，粘结强度较小。特别是当截面应拉力较大时，型钢上翼缘和混凝土之间的界面就会产生较大的应剪力让界面发生粘结破坏，出现纵向裂缝，甚至产生位移。所以为了防止型钢和混凝土接触滑移，在型钢下翼缘处间隔150mm设置两排直径19mm、长80mm的剪力钉。还配置了充满型实腹型钢，配置必要的纵筋和箍筋。

3.低高大跨度悬臂梁的承载力计算

在确定挑梁尺寸后，通过所列的可能出现的不利情况进行分析，找出最不利的一组内力值进行截面验算。同时发现对民用建筑结构中的长悬臂构件而言，竖向地震作用不是结构的最终控制内力。

在计算的过程中，考虑不同荷载组合并且对最不利的荷载组合工况，并且按规范验证稳定性。之后采用有限元分析软件ABAQUS进行分析。在型钢混凝土，型钢和混凝土用Link8单元进行三维实体建模，采用8节点三维固体结构单元SOLID65来模拟混凝土，在单元每一个节点上有3个自由度。钢筋采用线性三维桁架单元模拟。嵌入式模型不能模拟钢筋滑移对结构响应，尤其是裂缝形态的影响。工程为了使型钢和混凝土之间不产生滑移，采用了嵌入式模拟钢筋，主要是在悬臂梁上均匀分布荷载，梁端施加集中荷载方式模拟出最不利工况下构件的荷载条件，从而显示出悬臂梁约束末端混凝土应力是最大值7.64MPa。

4.低高大跨度悬臂梁的裂缝和挠度验算

悬梁臂的质量通常由裂缝和挠度控制，KHL106梁最大裂缝宽度Wmax为0.29mm。《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ 138—2001）第5.2.2条规定允许值[W]为0.3mm，刚好满足规范要求。KHL106梁的纵向收拉钢筋的配筋率p=1.5%时，在充分考虑荷载短期效应和长期效应组合作用下的最大挠度为49.496mm，而规范规定的允许挠度[f]为Zd250=64 mm，满足规范要求。

三、其他

（1）型钢混凝土强度不低于C30，确立型钢混凝土组合结构的抗震等级，当该结构全部采用型钢混凝土组合结构时，和部分采用型钢混凝土组合结构时。应有所区别。

（2）含钢率是混凝土内的型钢截面面积和梁全截面面积的比值，梁中型钢含钢率要大于4%，较为合理的是5%—8%。

（3）为了保证结构稳定，钢材厚度方向断面收缩率要符合国家《厚度方向性能钢板》的规定。型钢厚度不宜小于6mm，混凝土梁截面宽度不应小于300mm。

四、结语

为了保证建筑建构的稳定性和安全性，在施工过程中要针对大跨度悬臂梁结构的型钢混凝土技术进行研究和分析，确保钢框架结构施工质量，保证工程高效完成。

参考文献：

[1] 北京市建筑设计标准化辦公室.北京市建筑设计技术细则（结构专业）[M].北京：中国计划出版社，2003.

[2] JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] YB9082—1997，钢骨混凝土结构设计规程.北京：冶金工业出版社，1997.

[4] JGJ138—2001，型钢混凝土组合结构技术规程.