鋼骨砼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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 一、前言

由砼包裹型鋼做成的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為鋼骨砼結(jié)構(gòu)（也稱(chēng)勁性砼結(jié)構(gòu)），在日本應(yīng)用最為廣泛，研究和試驗(yàn)也最多。這種結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)稱(chēng)為SRC結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已和鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)以及鋼筋砼結(jié)構(gòu)并列為五大結(jié)構(gòu)之一。其中實(shí)腹式鋼骨砼構(gòu)件具有較好的抗震性能、節(jié)約鋼材、提高砼利用系數(shù)、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。本文將主要介紹鋼骨砼梁的設(shè)計(jì)方法及構(gòu)造要求，通過(guò)工程設(shè)計(jì)實(shí)例，具體說(shuō)明其計(jì)算和使用，供類(lèi)似工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。 二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及計(jì)算方法 鋼骨砼梁是鋼梁和鋼筋砼梁二者的組合結(jié)構(gòu)，實(shí)腹式鋼骨通常采用工字形、口字形，截面材料的選用主要是依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ17-88）”和“高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ99-98）”，保證構(gòu)件具有足夠的塑性變形能力，其屈服強(qiáng)度不宜過(guò)大，伸長(zhǎng)率應(yīng)大于20%；鋼筋砼按照“砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ10-89）”要求實(shí)施。 鋼骨砼梁的正截面強(qiáng)度各國(guó)的計(jì)算方法很不相同。前蘇聯(lián)“勁性鋼筋砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南CN3－78”假定型鋼和砼成為一個(gè)整體，能夠一致變形，幾乎完全套用鋼筋砼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。日本“鋼筋砼結(jié)構(gòu)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)”把鋼筋砼梁的抗彎能力和型鋼的抗彎能力疊加得到鋼骨砼梁的抗彎能力，兩種方法不同之處在于型鋼梁能否與鋼筋砼形成一個(gè)整體?，F(xiàn)行“鋼骨砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程YB9082－97”在實(shí)腹式鋼骨砼梁的計(jì)算方法上主要參考了日本計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合試驗(yàn)研究成果，對(duì)稱(chēng)配置鋼骨砼梁正截面受彎承載力，計(jì)算結(jié)果偏于保守。 M≤Mssby+ Mrcbu M為彎矩設(shè)計(jì)值，Mssby為梁中鋼骨部分的受彎承載力，Mrcbu為梁中鋼筋砼部分的受彎承載力。 當(dāng)受拉翼緣大于受壓翼緣的非對(duì)稱(chēng)鋼骨截面，則可將受拉翼緣大于受壓翼緣的面積作為受拉鋼筋考慮，考慮粘結(jié)滑移對(duì)截面承載力的影響，砼抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度以fc代替fcm。由力矩平衡公式ΣM=0，力平衡公式ΣX=0可得： fcAc=fyAs+Nss ,        Mu≤fcAc(hos+hoc)-Nss(hos-hoss)+Mss Ac：受壓區(qū)砼的面積，hoc、hoss、hos分別為受壓區(qū)砼的合力點(diǎn)、鋼骨中心以及受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面受壓邊緣的距離。 對(duì)于鋼骨偏置在受拉區(qū)的非對(duì)稱(chēng)截面，按鋼與砼組合梁的設(shè)計(jì)方法計(jì)算處理，為保證砼與鋼骨整體作用，在鋼骨上翼緣設(shè)置剪力連接件。在設(shè)計(jì)中值得注意的是，在鋼骨部分受彎承載力的計(jì)算中可不考慮局部壓屈，基于受力構(gòu)件達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)時(shí)，比彈性極限受彎承載力有所提高采用截面塑性發(fā)展系數(shù)γs，實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)構(gòu)件重要性可偏于安全取γs =1.0。 鋼骨砼梁受剪承載力按照承載力極限狀態(tài)理論 V≤Vssy+Vrcbu。 V為梁的剪力設(shè)計(jì)值，Vssy為梁中鋼骨部分的受剪承載力，Vrcbu為梁中鋼筋砼部分受剪承載力，無(wú)地震作用組合時(shí) V≤0.4fcbbhbo， Vrcbu≤0.25fcbbhbo。 鋼骨砼梁裂縫寬度和抗彎剛度，鋼骨砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程給出了計(jì)算公式，不對(duì)稱(chēng)鋼骨砼截面抗彎剛度可按下式計(jì)算。 B=EsAshbo2/[1.15Ψ+0.9+6αEρ/(1+3.5γ′f)]+EssIss 三、工程實(shí)例 華天貴賓樓工程，地下二層，地上二十八層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.3米，總高99.35米，總建筑面積48000平方米。南北向沿高度作內(nèi)外7.08°～7.91°傾斜，頂部最大外公傾平面尺寸達(dá)14米，外傾面積7700平方米，其傾斜部分采用斜向鋼骨砼柱與水平鋼骨砼梁拉結(jié)，受層高和各專(zhuān)業(yè)安管道安裝空間的限制，為滿(mǎn)足建筑凈空使用要求，軸線跨度為11.955米，橫向次梁梁高只能做成600毫米，高跨比接近1/20，且位于外挑部位，梁身剛度很難保證，經(jīng)方案比較，確定采用鋼骨砼寬扁梁。 此建筑主樓結(jié)構(gòu)整體采用“SATWE”進(jìn)行分析計(jì)算。其頂層內(nèi)力最大，最大正彎矩設(shè)計(jì)值M=829.0kN•m，最大剪力設(shè)計(jì)值V=331.6kN，軸向力設(shè)計(jì)值N＝17.2kN，短期效用組合下彎矩標(biāo)準(zhǔn)值Mk=637.7kN•m。結(jié)合框架柱梁分析結(jié)果，假定梁截面尺寸700×600（h），鋼骨采用Q235等級(jí)C的熱扎H型鋼HM450×300（440×300×11×18mm），截面特征見(jiàn)表1   （表中a=35mm，hbo=hb-a=600-35=565mm） ①             選8Φ16，As=1608mm2  , As>ρminbh ②             選13Ф18，As=3315mm， 箍筋按構(gòu)造，ρvmin=0.02fc/fyv=0.14%，選φ8＠150（四肢箍） 0.4fcbbhbo=2373kN>V=331.6kN 0.25fcbbhbo=1483kN>Vrcb=0             滿(mǎn)足要求 （3）裂縫寬度驗(yàn)算   （表中Es=2.0×105MPa Ec=3.0×104Mpa Xe=ES/EC=6.67  h′f=0.2hbo=113mm） 梁最大裂縫寬度 Wmax=2.1Ψ(δsk)/(Es)×(2.70+0.1de/ρte)γ    =2.1×0.8352×301.87/(2.0×105)×(2.7×25+0.1×25.43/0.0415)×0.7    =0.24mm<0.3mm 平均裂縫寬度Wm=Wmax（1.66×1.5）=0.096mm （4）撓度變形計(jì)算 近似取鋼骨砼梁荷載為均勻分布。   （表中砼保護(hù)層厚度c=25mm,鋼筋表面形狀系數(shù)γ=0.7） Δs=5/48×Mlkl2/Bl=5/48×(578.2×106)/(2.254×1014)×119552=38.2mm Δs/l=38.2/11955=0.0032=3.2‰，理論上滿(mǎn)足要求。 設(shè)計(jì)中，分析外挑結(jié)構(gòu)在荷載及地震作用下推力或拉力對(duì)梁不利影響，計(jì)算過(guò)程中梁端假定為簡(jiǎn)支，為平衡鋼骨產(chǎn)生的拉力，需加配鋼骨梁受力負(fù)筋；另受梁高限制，鋼骨砼保護(hù)層厚度小于臨界厚度ccr=0.25bft1/2=0.25x300x2.01/2=106.1mm，設(shè)置錨固連接件（通常采用圓柱頭焊釘，按鋼－砼組合梁要求驗(yàn)算，以增強(qiáng)型鋼與砼連接面上的粘接強(qiáng)度，限篇幅，從略）。  梁端節(jié)點(diǎn)因按“鋼骨規(guī)程”對(duì)鋼骨梁與鋼骨梁暫無(wú)明確規(guī)定，遵循鋼骨腹板部分設(shè)置鋼筋貫穿孔時(shí)，截面缺損率不應(yīng)超過(guò)腹板面積的20%，主筋不得與鋼骨直接焊接的要求。 此工程于二OOO年十月開(kāi)工，二OO一年八月封頂、并主體驗(yàn)收，二OO二年五月投入使用，建筑從建設(shè)至今，經(jīng)觀測(cè)，鋼骨梁柱無(wú)裂縫，撓度也不大，效果良好。 四、結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)此次工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有如下體會(huì)： 1、在鋼筋砼結(jié)構(gòu)體系中，局部采用鋼骨砼結(jié)構(gòu)構(gòu)件是可行的，特別是大跨度桿件設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合寬扁梁的采用，可提高梁的抗彎、抗拉、抗壓剛度，減小豎向變形值，降低梁高，其效果比純鋼筋砼結(jié)構(gòu)好。 2、鋼骨砼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)是鋼骨構(gòu)件及其節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，并且結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，做好施工配合，注意鋼筋與鋼骨的連接，鋼骨與砼柱的連接。