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大跨度双向钢－混凝土井字组合梁的应用

日期：2016-12-12 14:09:10　来源：互联网　浏览数：
　

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１　概　述
    土木工程建设和使用直接和间接消耗的资源占全社会总耗能的４６．７％，土木工程建设的可持续发展，是人类社会可持续发展的重要组成部分。因此，发展以低能耗、低污染和低二氧化碳排放为主要特征的低碳绿色建筑，显然是在全球发展低碳经济新形势下的主要方向。采用资源消耗和环境影响小的建筑结构体系和可再生利用建筑材料是发展低碳结构的首要任务。双向钢－混凝土组合梁是综合了钢结构和混凝土结构各自优点的空间结构，易于满足现代结构对功能的要求，同时型钢作为可再利用建筑材料是绿色建筑中的首选材料。建筑工程设计人员在实际应用中，对混凝土与型钢及钢筋不同构件之间的连接方式、传力机理、抗震性能、构造措施以及施工方法等存在一定的顾虑，担心在梁柱支座位置产生裂缝，混凝土纵向抗剪能力不足等，所以在设计过程中即使在大跨度情况下也避免采用钢－混凝土组合结构而改用钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构，或者即使采用也不考虑钢与混凝土的组合作用按纯钢梁设计，这样往往造成资源浪费，不能材尽其用。
    本文通过３２ｍ×４０ｍ双向钢－混凝土井字组合梁的工程实践应用，对比结构计算与施工过程应力跟踪检测结果，逆向验证了钢－混凝土井字组合梁的设计与施工方法，包括支座半刚性节点、传力机理、结构构造措施及施工处理方法，解决了广大结构设计人员在钢－混凝土组合结构中的应用顾虑；同时通过同类结构的方案比选，从建筑能耗的角度上，说明在同类型结构体系中，大跨度双向钢－混凝土井字组合梁属于可持续发展的低碳绿色结构，值得推广与应用。
    ２　工程案例
    ２．１　工程概况本工程（图１）是一个依山而建的坡地建筑群体，其中圆形钢结构单体为占地面积约２　０００ｍ２的多功能大厅。多功能厅是大型会议与员工室内体育活动场所，空旷无柱；多功能大厅屋面是员工室外体育运动区，使用活荷载为５．０ｋＮ／ｍ２；屋面圆形钢构预备安装太阳能电池板。多功能厅的建筑层高为１０．５ｍ，最大跨度为４０ｍ，通过多方案比选，最后采用双向钢－混凝土组合井字梁结构，楼面板采用Ｃ３０现浇钢筋混凝土板，板厚１２０ｍｍ。该双向钢－混凝土井字组合梁平面布置见图２，主要构件截面设计见表１，其中平面外围结构梁按混凝土梁设计，便于与外围护墙体连接及后期运营维护。本工程２００６年底开始施工，２００８年竣工投入使用。在施工过程中，对多功能厅大跨度结构梁典型截面进行了应力跟踪实测。目前该工程投入使用６年，运行状态良好，承载力及变形均满足现行国家规范要求且无任何结构裂缝。

    ２．２　双向钢－混凝土井字组合梁的应用
    ２．２．１　工程设计方案
    本工程屋面荷载较大，平面的长宽比为１．２５，适于做成双向受力的空间结构，故采用双向钢－混凝土组合结构。梁柱节点按半刚性节点设计，应力计算分两个阶段叠加。
    １）第一阶段：弹性分析阶段。
    本阶段荷载包括混凝土板自重、钢梁及屋面太阳能构架的自重，按纯钢梁计算结构应力，此时钢梁处于弹性工作状态；梁柱连接按刚接设计，不考虑支座弯矩的调幅；为避免支座位置混凝土开裂，支座位置１．５ｍ范围内的混凝土作为后浇筑区域，待屋面混凝土浇筑至少２０ｄ且要求钢梁胎架拆除后再浇筑。弹性工作阶段梁的变形，均通过钢梁起拱解决。
    ２）第二阶段：弹塑性分析阶段。
    本阶段包括屋面建筑构造自重及活荷载５．０ｋＮ／ｍ２。此时考虑钢梁与混凝土的组合作用，考虑完全剪力连接。当钢梁的最下翼缘达到屈服强度后，钢梁开始向塑性状态发展。梁柱连接处于铰接状态。为避免支座混凝土开裂，在支座位置的梁顶部板面位置，各附加５根直径为２５ｍｍ的钢筋。
    按承载力极限状况控制叠加第一阶段与第二阶段钢梁应力，变形计算叠加第一阶段与第二阶段的变形减去结构预拱值，即为第二阶段组合阶段的结构变形。
    ２．２．２　计算分析与应力检测结果对比
    运用通用结构设计软件ＳＴＡＷＥ分弹性与塑性两个阶段进行结构的整体计算，对应表１中截面，满足ＧＢ　５００１７—２００３《钢结构设计规范》的承载力及变形要求。表２中摘录第一阶段及第二阶段时，不包括活荷载时的计算弯矩和剪力，弯矩值采用荷载标准值。按ＧＢ　５００１７—２００３第１１章，分别计算各截面的应力如表３所示。

    从表２、表３中数据可看到，实际检测支座与跨中应力均小于结构计算应力；因ＧＫＬ－２、ＧＫＬ－６跨度分为２４ｍ、３２ｍ（高跨比为１／１５、１／２１）两种，相对ＧＫＬ－３、ＧＫＬ－４梁（跨度均为４０ｍ，高跨比为１／２７）刚度相对更大一些，施工时梁起拱时的拱作用更强一些，可平衡部分支座负弯矩，故支座计算应力较实际应力小；支座的ＧＫＬ－３、ＧＫＬ－４梁刚度弱，根据变形协调条件，实际支座作用比计算作用强。但对跨中应力，实际应力均小于第一、第二阶段计算应力之和，说明混凝土硬化与钢梁形成组合梁之后，虽然钢梁仍然处于弹性工作阶段，但产生了组合梁截面的应力重分布，原钢梁在第一阶段受力状态下的中和轴逐渐向混凝土楼面板的方向移动，使钢梁跨中截面的计算应力小于实际检测应力。
    ２．３　工程施工
    吊装方案设计：为平衡结构柱内力，先外围梁后中间位置梁；为减小梁的扭矩，尽可能按对称顺序吊装，且先楼面大构件的对称，再小构件的对称。
    混凝土浇筑顺序设计：为减小支座处负弯矩及减少楼面板混凝土的收缩及温度应力，在靠近梁柱支座约１．５ｍ的范围内留后浇单元块及非跨中位置留通长的后浇带，总体混凝土浇筑按以下顺序：
    １）先浇筑周边附跨（短跨）区域的混凝土，再浇筑中间区域的混凝土；
    ２）待屋面太阳能钢构安装完成后再浇筑后浇带（区域）的混凝土。
    ２．４　工程回访
    于２０１０年对该项目进行工程回访，结构运行状况正常，重点观察结构梁柱节点位置，未发现任何结构性裂缝，业主反映良好。
    ３　同类结构比较与分析
    本项目在设计时，对主要受力构件进行了几个方案的比选工作，楼面板做法基本相同。重点结构对比方案包括双向预应力混凝土结构（简称方案１），双向钢－混凝土井字组合梁结构（简称方案２）。因本工程平面接近正方形，单向梁结构相对空间受力的双向井字结构没有可比性，双向结构的优势明显；钢筋混凝土劲性梁结构中的钢梁，被混凝土包裹，不能充分发挥钢材的材料优势，梁自重所占弯矩占整个梁弯矩的１／３，同时混凝土部分依然需要考虑混凝土的裂缝控制问题等，对应预应力结构同样没有可比性，故单向钢－混凝土组合梁与钢筋混凝土劲性梁结构均不再做具体的比较分析。方案１与方案２对比分析内容包括结构体系与结构性能分析、材料消耗，建筑全生命周期的碳消耗量分析等。具体分析结果见表４和表５。

    从表４、表５中分析得到：采用双向钢－混凝土组合结构不但结构体系与结构性能好，而且在全生命周期内，可节约资源、低碳环保，不破坏环境，材料可重复利用，有利于可持续发展。
    ４　结论与建议
    １）对大跨度多功能厅，采用双向钢－混凝土组合梁结构，其承载力与延性性能显著优于单向组合梁结构和双向预应力混凝土结构，且施工安装更方便。
    ２）按ＧＢ　５００１７—２００３第１１章计算组合梁，结构受力偏于安全，双向钢－混凝土组合梁柱节点可按半刚性节点设计。结构受力计算可分两个阶段：第一阶段弹性阶段，未形成组合梁阶段，此时钢梁与框架柱刚接；第二阶段为弹塑性阶段，形成组合梁之后，支座新增弯矩按铰接节点计算框中弯矩，再与第一阶段的受力叠加。
    ３）为避免梁柱支座位置出现板面裂缝，可在梁柱支座约１．５ｍ的范围内留后浇单元块并在节点位置适当加强板面位置的配筋。
    ４）在低碳经济形势下，双向钢－混凝土组合梁结构，因钢材的可重复利用性而属于可持续发展的低碳结构；且充分利用屋面空间，也充分体现了绿色建筑节约用地的节地措施。
    ５）建议在大跨度钢－混凝土组合结构中，采用高强度钢以节约钢材；对钢梁上、下翼缘，可结合弯矩包络图设计成变截面钢梁，这将更有利于节约钢材。