型钢混凝土在大跨度结构中的应用研究

张熙江，胡孔鹏 （安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

近几年，体育建筑大量兴建，因功能需要，体育建筑中存在很多大跨度结构，合理选取结构形式，是结构设计面临的课题。

某体育馆分为左右两个结构单元。右单元负一层（标高-4.800m）为车库和游泳池（标高-2.700m），一层（标高0.000m）为健身房和辅助用房，二层（标高4.800m）为体育活动场地和游泳池上空。三层（标高标高9.0m）篮球场和看台。游泳池部位柱网为40.5（5×8.1）×64.8(8×8.1)m，采用型钢混凝土结构。篮球馆屋顶为23.3+48.6×60.8m，采用倒三角钢管桁架结构。本工程地震设防烈度为6。（0.05g），抗震设防类别为丙类，建筑安全等级为二级，二层40.5m框架梁、柱和屋面钢桁架及与之相连的框架柱安全等级提高一级，为一级。

1 三层9.000标高游泳池顶楼面结构特点

①40.5m框架梁，跨度大、荷载较大。

②室内游泳馆较为潮湿，且水中加氯，其挥发气体对钢结构有腐蚀作用，对结构耐久性提出了较高要求。

③柱网大，抗震要求高。

④层高有限，对构件的高度有要求。

型钢混凝土组合结构，又称钢骨混凝土结构，是指结构杆件或构件，以型钢为骨架，外包钢筋混凝土形成的组合结构。因在钢筋混凝土中增加了型钢，型钢、混凝土、钢筋共同工作使型钢混凝土结构具备了比传统钢筋混凝土结构承载力大、刚度大、抗震性能好的优点。与钢结构相比可节约大量钢材且避免钢结构耐火性、耐久性差及易屈曲失稳等缺点，充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能，使型钢性能得以充分发挥,比钢结构节约大量钢材，具有明显的经济效益。在超高层建筑和体育场馆等大跨建筑中得到广泛应用。但同时也存在如下问题：①施工难度大。型钢混凝土结构为型钢周边布置钢筋，梁柱核心区需解决梁、柱主筋与型钢相交问题，梁、柱箍筋的设置与型钢相交等问题。②现场焊接施工质量要求高。③施工组织要求高。钢构件大而重，其吊装、安装等施工组织要求高。

2 三层游泳馆顶楼面框架设计基本条件

①设计荷载：自重，按实计算，装修、吊顶荷载取2.0KN/m2，活荷载取 4.0kN/m2。

②大跨度框架梁宜设计成大的连续跨。因功能要求，本工程楼面梁大跨位于边跨，相邻跨为8.1m，小跨，跨度为40.5m，开间8.1m，40.5m框架梁为大跨度结构，控制构件的挠度、裂缝是设计的关键。

③为充分发挥型钢混凝土的优点，柱、梁混凝土强度等级取C40，型钢采用Q345B钢材，钢筋采用3级钢筋。

④游泳馆内水中释放的气体对结构有腐蚀作用，40.5m框架梁梁底裂缝按0.2mm控制，支座裂缝按0.3mm控制。

3 型钢混凝土组合结构方案

①沿40.5m跨度间隔2.7m布置次梁，楼板厚度100mm。

②40.5m框架柱、梁采用型钢混凝土组合框架柱、梁。相邻8.1m跨采用型钢混凝土组合框架梁，梁截面600×1200mm，内置型钢800×300×18×20mm，相邻8.1m跨左边柱截面1000×1000mm，采用构造型钢混凝土组合框架柱。大跨中柱柱顶标高8.950m，边柱8.950至屋面采用型钢混凝土组合框架柱，柱截面1200×1300、内置型钢 1000×400×20×25mm。

③设计经验可知，大跨度钢筋混凝土梁的设计，强度容易满足，控制梁的挠度、裂缝是决定构件截面的主要因素。通常采用增加梁高的设计思路，梁高是决定挠度的重要因素，但梁高增加、截面加大自重随之增加，一味增加梁高不是解决问题的好方法。当满足建筑功能时，合理的加大柱截面，不仅能大大减少框架梁的挠度，而且因减少了梁、柱的线刚度比，更易实现强柱、弱梁的抗震目标，避免柱端出现塑性铰。合理的选取柱、梁截面是设计大跨度钢筋混凝土结构的关键因素。为取得经济、合理的截面，结合建筑功能，对框架柱、梁经过多次试算、优化，现选取部分计算结果如表1、表2。

④从表1、表2计算结构确定40.5m框架柱截面为1200×1600mm，框架梁截面可为600×2000～600×2200mm，实际梁截面600×2200mm，即表1中第3种截面组合。计算可知型钢混凝土框架梁与型钢混凝土框架中柱、型钢混凝土框架边柱的线刚度比分别为0.319，0.310，容易实现强柱弱梁的抗震目标。

根据《组合结构设计规范》大跨型钢混凝土梁的挠度限值为L0/400（101mm）,因本工程二楼为篮球场，考虑到使用的舒适性，本设计挠度按L0/500（81 mm）控制。经计算，恒载产生的挠度为110mm。考虑到施工中梁存在变形，设计要求施工中按1/300（135mm）起拱，大于梁的挠度(123.4mm)。

40.5m型钢混凝土框架梁按《组合结构设计规范》规定最小配筋率（0.3%）配8C25，中支座、边支座、梁底裂缝宽度分别为0.49mm,0.44mm,0.33mm，不满足规范要求，应加大配筋。40.5m型钢框架梁中支座负筋，边支座负筋实际配筋 14C32 7/7，14C32 7/7,12C32 7/5，裂缝宽度分别为 0.22mm，0.25mm，0.17mm。

型钢混凝土边柱配筋为4C32（角筋）+8C32（短边）+8C32（长边）。型钢混凝土中柱配筋为4C32（角筋）+8C32（短边）+8C25（长边）。柱、梁配筋见下图。

4 节点设计

型钢混凝土框架柱、梁节点连接构造力求简单，传力明确，以便于配筋和混凝土浇筑。

①型钢采用柱贯通型，型钢柱与型钢梁连接采用柱边伸出悬挑梁段式刚性连接，悬挑型钢梁翼缘、腹板与柱连接均采用全熔透连接。型钢梁拼接时梁翼缘采用全熔透连接，腹板采用高强螺栓连接。因本建筑只有一层地下室，柱脚采用埋入式柱脚。

表1

表2

②本次设计有意控制型钢柱翼缘宽度，使得型钢柱两边可以穿过一根钢主筋。40.5m跨框架梁主筋下述方式贯通、锚固。梁底筋4C32 2/2从型钢柱边穿过锚固，4C32采用焊接钢套筒连接，其余6C32钢筋伸至柱边截断；因中柱无上柱，中支座负筋可从型钢顶全部穿过锚入相邻框架梁；边支座负筋4C32 2/2从型钢柱边穿过锚固，4C32采用焊接钢套筒连接，4C32采用上型钢柱翼缘开孔穿过锚固，型钢柱另加钢板补强。中柱上短向框架梁负筋从型钢柱顶面通过，两根底筋在型钢柱腹板开孔通过，两根底筋伸至型钢柱边锚固；边柱上短向框架梁三根负筋从上型钢柱腹板开洞通过，两根梁底筋在型钢柱腹板开孔通过，两根底筋伸入柱内锚固。

③梁柱节点受力复杂，应力大，应采取措施节点处安全以满足整体结构的抗震要求，设计中采用有限元分析软件对节点核心区进行分析，采用增设加劲肋对腹板分隔加强，改善腹板的受力性能。

设计中应考虑的问题：

①型钢框架梁高达2.2m，高宽比3.67＜4,满足《建筑抗震规范的要求》。但梁高达2.2m，下翼缘无支撑，平面外刚度差，应采取措施梁下部平面外的整体稳定。设计时每隔2.7m布置一道次梁，在主次梁交接处次梁设置加腋以确保梁在平面外的稳定。

②型钢梁跨度大、型钢截面大、自重大、梁底距地面最高处达9.5m（游泳池板面）。型钢混凝土框架梁施工为高位支模，设计时应考虑施工荷载。梁底部分为游泳池，部分为地下室顶板，游泳池板位于老粘土上，可以满足施工荷载要求。梁下地下室顶板部分根据梁及支撑模板荷载考虑施工荷载以减小支撑施工中变形和确保施工的安全。

5 结语

本文以某游泳池板顶大跨度型钢混凝土框架为例，探讨了型钢混凝土结构在大跨度结构中的应用。选取合理的型钢框架柱、梁截面是优化设计的关键。型钢混凝土结构应与高强度混凝土匹配（建议不低于C40）方可充分发挥型钢的作用。型钢混凝土结构设计计节点构造力求简单，传力明确，施工方便。大跨度框架梁底楼面梁板应考虑施工荷载的影响。