鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

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摘要：本文介紹了鋼骨混凝土大梁在深圳世貿(mào)中心大廈裙房中的應(yīng)用和計算，為大跨度SRC梁的應(yīng)用提供依據(jù)，可供工程設(shè)計人員參考。

  關(guān)鍵詞：鋼骨混凝土應(yīng)用計算一、前言隨著城市建設(shè)的發(fā)展與建筑技術(shù)的進步，大跨度超高層建筑已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要方向之一。而由混凝土包裹鋼骨做成的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)（SRC），充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的特點，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有剛度大，延性好，節(jié)省鋼材的優(yōu)點。因此，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)在我國有著廣闊的應(yīng)用前景。鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用在國外開始較早，我國因國情的限制，起步較晚，工程應(yīng)用就更少，直到1997年11月才由冶金工業(yè)部正式發(fā)布了有關(guān)規(guī)程，并于1998年5月1日起施行。深圳世貿(mào)中心大廈在關(guān)鍵部位應(yīng)用了鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，解決了用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不能解決的難題，收到了良好的效果。二、工程概況深圳世貿(mào)中心大廈于1996年設(shè)計，是一幢集金融、貿(mào)易、商業(yè)、辦公于一體的綜合性超高層建筑，總建筑面積12萬平米。主樓地上52層，地下3層，標準層層高4m，總高230m，采用鋼骨混凝土框架-筒體結(jié)構(gòu)。裙房5層，層高5m，總高25m，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。主樓與裙房之間未設(shè)變形縫，施工時留有施工后澆帶。基礎(chǔ)采用大直徑人工挖孔樁基礎(chǔ)最大直徑2.9m。根據(jù)建筑功能及使用要求，裙房首層及二層由大廳組成，為大空間；三層為銀行辦公室，中間部分設(shè)一圓形天井；四層設(shè)有外匯交易大廳；五層為大會議室；三、結(jié)構(gòu)布置為了滿足建筑功能及使用要求，需要選擇一個受力合理、安全可靠、施工方便的結(jié)構(gòu)方案。由于裙房首層及二層共有6根柱子不能落下，形成了長達25.8m跨的大空間，結(jié)構(gòu)平面采用了井字梁的結(jié)構(gòu)形式。但關(guān)鍵問題是25.8m跨框架大梁采用何種結(jié)構(gòu)型式，并且建筑要求三層框架梁截面高度不超過1m。方案1：采用普通鋼筋混凝土大梁，這種方案梁斷面較大，框架梁截面高度需2m以上，不滿足建筑功能及使用要求，此方案不可行。方案2：采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土大梁，這種無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁本身截面及用鋼量均不太大即可滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，但由于三層梁高1m的限制，梁高跨比達到1/25，此方案也不宜采用。方案3：采用鋼骨混凝土大梁，利用大梁中部抗拉柱，按變形協(xié)調(diào)計算。梁截面比普通鋼筋混凝土減小很多，平面和空間利用率都相應(yīng)提高，又采用由四、五層大梁吊三層梁的懸掛形式，三層框架梁高度為1m，可以滿足建筑使用要求。該方案克服了上述二個方案的不足之處，且施工方便，合理可行。經(jīng)方案比較，優(yōu)點較突出，雖然增加了用鋼量，但因梁截面減小，增加了空間使用面積，抗震能力也大大提高。因此，本工程裙房25.8m大梁采用鋼骨混凝土方案。為了保證大梁與柱的固結(jié)，與之相接的柱也采用了鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)形式。四、鋼骨混凝土梁的計算結(jié)構(gòu)整體計算采用中國建筑科學(xué)研究院軟件TBSA4.2計算，再采用軟件PK對框架梁進行復(fù)核。由于本工程在設(shè)計時，國內(nèi)尚未正式出版有關(guān)SRC組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計規(guī)程，針對鋼骨混凝土梁的計算，當時有二種計算模型，一種是強度疊加模型，另一種為變形協(xié)調(diào)模型。下面結(jié)合世貿(mào)大廈裙房25.8m大梁，分別用兩種模型進行計算。⒈強度疊加模型假定SRC構(gòu)件的承載力是鋼骨部分與鋼筋混凝土部分的承載力之和，鋼骨與鋼筋混凝土部分的變形彼此獨立。這種方法具有計算簡單，應(yīng)用靈活的特點，其設(shè)計是偏于安全的。日本的計算標準就采用了此模型，SRC計算方法也是基于這種模型?，F(xiàn)SRC梁進行計算，公式如下：鋼骨混凝土梁受彎承載力：M≤Mc+Ms（1）式中Mc---鋼筋混凝土部分受彎承載力，按設(shè)計Ms---鋼骨部分的受彎承載力，Ms=γWnf（2）γ---截面塑性發(fā)展系數(shù),Mn---截面凈截面抵抗矩,f---型鋼材料強度設(shè)計值鋼骨混凝土梁受剪承載力：V≤Vc+Vs（3）式中Vc---鋼筋混凝土部分受剪承載力，按設(shè)計Vs---鋼骨部分的受剪承載力，Vs=2/3Aswfv（4）Asw---鋼骨腹板部分凈截面積，fv---鋼材抗剪強度設(shè)計值鋼骨混凝土梁的剛度：B=0.65EcIc+EsIs（5）式中EcIc---鋼筋混凝土的剛度,EsIs---鋼骨的剛度由于該模型公式簡化，計算簡單，故在設(shè)計中可先按該模型公式，確定構(gòu)件截面、鋼骨截面及鋼筋數(shù)量。世貿(mào)大廈裙房25.8m跨大梁混凝土及鋼骨截面。彎距設(shè)計值為M=19237kN-m，剪力設(shè)計值為V=2467kN，混凝土強度等級C40，鋼骨為16Mn。按公式（2）：Ms=γWnf=1x4.15x107x315=13100kN-m按公式（1）：Mc≥M-Ms=19237-13100=6137kN-m再按，Mu=fmcbx(h0-x/2)（矩形截面）將已知條件代入,得x=170mm，xb=ξbh0=0.55x1765=970mm選用12Φ36按公式（4）：Vs=2/3Aswfv=2/3x55200x170=6256kN故V=2467kN按公式（5）：B=0.65EcIc+EsIs=1.88x1016Nmm2撓度：fmax=5ql4/384B+(5n4-4n2-1)Pl/384n3B=72mm25800/300=86mm（滿足）SRC計算方法也是基于這種模型，且計算公式也基本相同，除鋼骨部分受剪承載力Vs=Aswfv，與有所差異外，其它部分均一致。2．變形協(xié)調(diào)模型沿用鋼筋混凝土構(gòu)件計算中常用的鋼筋與混凝土變形協(xié)調(diào)一致的假定，即鋼骨與混凝土之間始終沒有相對滑移，構(gòu)件截面始終保持為平面，鋼骨與混凝土能夠共同工作。其優(yōu)點是從力學(xué)概念上保持了與鋼筋混凝土構(gòu)件的一致性，主要問題是計算公式過于復(fù)雜。前蘇聯(lián)規(guī)范就采用了此模型，SRC結(jié)構(gòu)計算也是基于這種模型。由于計算公式較復(fù)雜，故在世貿(mào)大廈裙房鋼骨混凝土大梁設(shè)計中，先按強度疊加模型計算截面及配筋，然后再用變形協(xié)調(diào)模型進行復(fù)核。按第二種情況，中和軸經(jīng)過鋼骨腹板，其截面受壓區(qū)高度按公式（6）計算：x=[1.8fayνδw+fsyAs-fsy’As’+fcm(As’+Assf’-δw)]/[fcm(b-δw)+2.25fayδw]（6）將ν=900mm，δw=40mm，fsy=fsy’=310N/mm2，Assf’=3x104mm2，fay=315N/mm2，fcm=23.5N/mm2，代入得：x=401mm，x（適筋截面）正截面承載力按公式（7）計算：M=fcmbx2/2+fsyAs(h-x-a)+(fsy’-fcm)As’(x-a’)+0.9fay[+(ν-x)2δw]-fcm(x-)[Assf’+(x-)δw/2]（7）式中---為鋼骨塑性抵抗距，=1.17ω=1.17x4.15x107=4.86x107mm3將各數(shù)值代入（7）式得：M=24370kNm19237kNm（滿足）抗剪承載力按公式（8）計算：V=0.056fcbh0+0.58fywδwhw+fyvAsv/sh0（8）抗剪承載力與變形經(jīng)計算，均滿足要求，過程不再贅述。五、設(shè)計體會現(xiàn)行規(guī)程中梁正截面受彎承載力及斜截面受剪承載力計算均采用強度疊加模型，公式及含義也基本相同。區(qū)別是規(guī)程中鋼骨部分的受剪承載力是按純鋼構(gòu)件腹板受純剪情況計算的，不考慮局部壓屈影響，要求放寬。故當計算滿足時，也能滿足現(xiàn)行規(guī)程。鋼骨混凝土構(gòu)件中的鋼骨另由含鋼率控制，不受鋼筋配筋率的影響，使得有與普通混凝土構(gòu)件同樣的外形尺寸，但其承載力提高很多。同樣，在承載力相同的情況下，鋼骨混凝土構(gòu)件的外形尺寸可以相應(yīng)減小，減輕了結(jié)構(gòu)自重，減小了混凝土用量，利用鋼骨本身承載力大的優(yōu)點，可以節(jié)約支模所設(shè)的支撐，節(jié)省材料。在大跨度，大荷載作用下，鋼骨混凝土梁截面尺寸由變形控制。中和軸通過鋼骨腹板的鋼骨混凝土構(gòu)件，在其喪失最大承載力后，由于在其中和軸附近的鋼骨腹板仍處于彈性工作狀態(tài)，所以仍能保持較大承載力，使構(gòu)件本身并不崩潰，顯示出較好的變形能力和抗震性能。與鋼結(jié)構(gòu)相比，節(jié)省鋼材，降低造價，且耐火性、耐久性、耐腐蝕性均優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)。梁采用SRC梁，則柱也宜采用SRC柱，同時將梁與柱剛接。鋼骨與混凝土二者變形能否協(xié)調(diào)一致，是其二者能否共同工作的關(guān)鍵。采用鋼板及栓釘?shù)燃袅B接件與鋼骨焊接，才能保證鋼骨與混凝土共同工作，變形一致。綜上所述，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)是一種承載力高，抗震性能良好，施工安裝方便的結(jié)構(gòu)形式，在我國高層建筑以及大跨度建筑中應(yīng)得到推廣和應(yīng)用。