建筑大空间要求下的结构设计方案选择

王杰

（太原市城乡规划设计研究院，山西太原 030002）

1 大跨度楼盖形式

目前无论是公共建筑还是民用建筑，使用度最广的建筑材料依然是传统的钢筋混凝土，使用最多的建造形式是现浇钢筋混凝土。一般情况下，在现浇钢筋混凝土梁板结构形式中，框架梁高按跨度的1/10～1/18，所以跨度在12m 以内的通常可以按传统钢筋混凝土梁设计，12～16m 之间一般选用井字梁，大于16m 时，由于钢筋混凝土梁挠度过大且梁高占用建筑空间过多不满足建筑空间使用，必须采用其他形式来实现建筑使用要求。目前工程中解决大跨度楼盖的技术形式主要有预应力钢筋混凝土梁、框架梁端部垂直加腋、钢—混凝土组合结构等，大跨度屋面还可采用网架结构等其他解决方式。

2 工程概况及大跨度楼盖选型

本工程中有大空间需求的房间有指挥中心、大型会议室以及小型会议室，其中指挥中心要求在顶层与次顶层之间取消中间框架柱，实现两层通高，跨度20m，层高7.2m 的大空间；大会议室要求取消中间框架柱抬高屋顶板，实现跨度16.8m，层高5.4m 的大空间。另篮球馆单体跨度23.7m，层高10.5m（文中提到跨度均为梁最大跨度）。通过对几种大跨度楼盖形式的优缺点的对比，再综合整个工程的外立面效果以及建筑使用功能要求，最后选择型钢混凝土梁柱来实现大跨度及大层高。

3 组合结构的设计

3.1 设计依据

型钢混凝土梁的设计依据主要有：《组合结构设计规范（JGJ 138—2016）》《高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ 3—2010）》《型钢混凝土组合结构构造（晋14G06）》《型钢混凝土组合结构构造（04SG523）（国家标准图集）》《型钢混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图（12SG904-1）》；参考书籍：《型钢混凝土结构组合构造与计算手册》。

3.2 构造要求

因本次组合结构设计依据的两本主要规范《组合结构设计规范（JGJ 138—2016）》与《高层建筑混凝土结构设计规程（JGJ 3—2010）》在材料强度、截面形式以及尺寸要求等方面的规定不尽相同。材料方面，考虑到型钢单方向的优势，本工程选用H 型钢，强度等级选用Q345。尺寸主要包括型钢钢板宽厚比限制要求和保护层厚度要求，按照规范，型钢混凝土梁最小板件厚度为6mm，腹板在满足宽厚比的要求下最小采用10mm；型钢混凝土梁中型钢的混凝土保护层厚度不宜小于100mm。型钢混凝土梁的挠度和裂缝限制要求，按照《组合结构设计规范（JGJ138—2016）》4.3.10 条规定，本项目型钢混凝土框架梁的挠度限值为1/300lo。按照《组合结构设计规范（JGJ 138—2016）》表4.3.11，型钢混凝土梁的最大裂缝限值为0.3mm。含钢率方面规范对型钢梁并无要求。型钢混凝土梁中型钢与钢筋的用量可以根据施工的难易、对内力变化的适应等方面进行优化互补设计。

3.3 构件设计

本文选取跨度最大的篮球馆单体23.7m 跨度的型钢混凝土梁为例，阐述本项目中型钢混凝土结构构件的设计的过程与结果。篮球馆梁的实际布置情况如图1 所示。

按照构造以及承载力计算要求，经过反复调整型钢梁截面尺寸以及型钢的腹板翼缘厚度，最终设计如图2 所示，此种截面尺寸的型钢混凝土梁，梁高仅是跨度的1/18，挠度仅是跨度的1/700，裂缝也满足规范要求。用型钢梁取代普通钢筋混凝土梁，既满足了大空间的需求，还提高了承载力，结合型钢混凝土柱，提高框架结构的整体抗震性能。

型钢混凝土组合结构中梁柱节点处的钢筋与型钢的避让或穿孔也是设计过程中的不可忽视的环节。为避免梁底部配筋的数量影响柱型钢腹板穿孔面积，控制型钢梁纵向钢筋配筋率满足0.3%即可，另外梁的纵向钢筋可采取双排钢筋等措施尽可能多的贯通节点，其余纵向钢筋可在柱内型钢腹板上预留贯穿孔，满足型钢腹板截面损失率宜小于腹板面积的20%的要求。本项目在型钢混凝土梁与普通次梁、型钢混凝土梁与型钢混凝土柱以及型钢混凝土柱与普通钢筋混凝土梁的节点构造钢筋排布的设计上主要依据型钢混凝土组合结构构造（晋14G06）》。项目设计梁柱节点构造如图3 所示。

图1 篮球馆梁的实际布置

图2 型钢混凝土梁截面

图3 项目设计梁柱节点构造

本项目中大跨度要求的房间层高都较高，但由于外立面效果的要求，柱的截面尺寸受到限制，柱的长细比较大，柱截面配筋超限，无法满足计算要求。对比钢筋混凝土柱与型钢混凝土柱的计算参数如图4、图5 所示，采用型钢混凝土柱，明显改善了配筋超限，降低了轴压比。因此结合型钢混凝土梁的使用，柱子也局部采用型钢混凝土柱，这大大减少钢筋的使用，解决了配筋超限的难题。

图4 钢筋混凝土柱配筋

图5 型钢混凝土柱配筋

4 结语

随着国家政策的推动与支持，提倡建筑用钢，又型钢混凝土结构适用于多种结构体系，既可全部构件采用组合结构又可局部采用型钢混凝土构件，适用范围广泛，型钢混凝土梁柱组合可以很好的解决20m 以上大跨度楼盖的挠度以及裂缝问题，既克服了普通钢结构构件受压失稳以及耐火性能差的缺点，又节约了钢材的使用量，还能一定程度上提高抗震性能，是结构工程师们在设计大跨度大空间结构时的很好的选择。