型鋼混凝土在大跨度懸臂梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

【關(guān)鍵詞】型鋼混凝土；大跨度懸挑梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

　　和傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料相比，型鋼作為一種新興的建筑材料有著眾多的優(yōu)勢(shì)，不僅可以節(jié)約建材，增加截面的堅(jiān)硬程度，可以讓耐火性和耐腐蝕性更強(qiáng)，從而保證建筑的穩(wěn)定性和使用壽命。這是因?yàn)樾弯撝懈鞣N配鋼率有所不同，比一般結(jié)構(gòu)的鋼材剛賠率大，甚至可以達(dá)到一倍以上。因此，為了保證整體的建筑質(zhì)量，需要做好性能延伸方面的問(wèn)題，改善鋼筋混凝土的脆性，保證整體的抗震性結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)更加的持久耐用。 

　　0.工程概況 

　　我國(guó)某處的商業(yè)中心，辦公樓集聚。一般的辦公樓的建筑面積較大，通常會(huì)設(shè)置有地下兩層機(jī)構(gòu)，作為地上樓層的附屬樓層，地下樓層一般是車位或是地下商場(chǎng)等結(jié)構(gòu)類 型，在建筑的水平方面，需要和地上的樓層一樣，而且辦公樓的建筑性能和壽命一般在50年左右，這和住宅比起來(lái)，使用壽命較短，但是所需要的建材結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，和傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，這種建筑大部分采用的是剪刀墻的結(jié)構(gòu)類型，配合局部混凝土的機(jī)構(gòu)形式，抗震等級(jí)方面務(wù)必做到8級(jí)設(shè)防，才能夠保證基本的抗震要求。根據(jù)大型的抗震等級(jí)規(guī)范設(shè)計(jì)，我國(guó)的大型結(jié)構(gòu)的建筑一般會(huì)在其主體結(jié)構(gòu)處設(shè)置剪刀墻，來(lái)保證建筑物的穩(wěn)定性。 

　　根據(jù)建筑方案大型會(huì)議室要求從A軸往外出挑8.1m，根據(jù)《北京市建筑設(shè)計(jì)技術(shù)細(xì)則》表5.1.1-3中對(duì)懸挑梁高度的要求為h=L/5～L/7， 故此處挑梁高應(yīng)為1.15～1.60m。本工程由于建筑投資、造型功能等方面的要求，梁高限為0.8～1.0m。如何完成這一大跨度懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是對(duì)結(jié)構(gòu)工程師的挑戰(zhàn)。 

　�。�1）在大跨度建筑中，普遍使用的是低而高的大型跨度的橫梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在選型和橫截面的布置方面，都需要承擔(dān)較大的剪刀力，因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要首先對(duì)所選取的鋼筋和混凝土進(jìn)行配置型鋼，同時(shí)，采取型鋼腹板的承載能力，可以大幅度的提高整體的承載力，改善了鋼型結(jié)構(gòu)的脆弱類型，使其具有更好的延展性及耗能性。 

　　經(jīng)比選，確定懸臂梁采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)方案。以截面抗剪承載力作為控制條件，確定型鋼混凝土懸臂梁KHL106，KHL206 的截面尺寸為600mm×800mm，內(nèi)部為工字型鋼梁。同時(shí)根據(jù)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》的要求，取經(jīng)濟(jì)含鋼率4.5%，即型鋼面積約為21600mm2，實(shí)配型鋼面積采用20600mm2。型鋼的出挑長(zhǎng)度根據(jù)懸臂梁彎矩包絡(luò)圖確定，取梁軸線長(zhǎng)度的70%。梁體內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，型鋼采用Q235B。 

　　在懸臂梁的實(shí)施中，和傳統(tǒng)的懸梁方式有所不同，其計(jì)算的結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)擴(kuò)大10%，這也就意味著橫截面的面積和側(cè) 拉的鋼筋承受能力在下降，受壓側(cè)鋼筋的承受能力在縮小。一般來(lái)說(shuō)，鋼筋的配筋率有具體的要求，而在上下梁和鋼筋的擺放位置上，需要和中型梁相互匹配，確保柱主筋和箍筋之間的有效性，同時(shí)按照相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保合理的布置。 

　　（2）低高大跨度懸臂梁的抗剪連接。 

　　將型鋼放置于梁的上部， 可較好地發(fā)揮型鋼材料的抗拉性能， 但型鋼上翼緣混凝土的界面間存在較大的剪應(yīng)力，極可能產(chǎn)生相對(duì)滑移，因而抗剪連接件成為型鋼混凝土組合梁充分發(fā)揮各材料性能的關(guān)鍵。本工程為避免型鋼與混凝土接觸面滑移， 在型鋼上下翼緣處間隔150mm設(shè)置兩排直徑19mm、長(zhǎng)80mm的剪力釘。剪刀釘?shù)脑O(shè)計(jì)過(guò)程需要專業(yè)人員進(jìn)行，首先對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行勘察，確定剪刀釘?shù)幕�本的�?guī)格，然而通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所需的剪刀釘?shù)臋C(jī)器設(shè)備的測(cè)試，保證剪刀釘按照?qǐng)D紙的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，不可出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象，而在剪刀釘?shù)墓芾磉^(guò)程管理過(guò)程中，施工人員需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境做好勘查，確保項(xiàng)目能夠在工期內(nèi)完成，同時(shí)確保工程質(zhì)量和施工人員的基本素質(zhì)水平，保證基本的建筑進(jìn)度，是建筑師需要重點(diǎn)做好的問(wèn)題。 

　�。�3）低高大跨度懸臂梁的承載力計(jì)算。 

　　在確定挑梁尺寸后，通過(guò)可能出現(xiàn)的不利情況進(jìn)行分析， 找出最不利的一組內(nèi)力值進(jìn)行截面驗(yàn)算。同時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)民用建筑結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)懸臂構(gòu)件而言，豎向地震作用不是結(jié)構(gòu)的最終控制內(nèi)力。同時(shí)， 取最不利荷載組合工況下的內(nèi)力， 利用ABAQUS軟件對(duì)本懸臂梁進(jìn)行有限元分析。分析的過(guò)程要做到科學(xué)合理，選用設(shè)計(jì)水平過(guò)硬的專業(yè)人士進(jìn)行分析，確保數(shù)據(jù)的精確有效性，同時(shí)在做好這一分析之后，需要對(duì)內(nèi)力組合進(jìn)行抗震能力的測(cè)試，每個(gè)建筑物都需要取樣調(diào)查，才能夠保證基本的建筑不受外在環(huán)境的影響和損壞，保證基本的建筑結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性，是每個(gè)設(shè)計(jì)師工作的重點(diǎn)。 

　　其中，型鋼和混凝土采用三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，鋼筋采用線性三維桁架單元模擬。采用嵌入技術(shù)模擬鋼筋，型鋼與混凝土之間的相互作用，不考慮滑移等因素的影響。通過(guò)在懸臂梁上施加均布荷載， 梁端施加集中荷載的方式模擬最不利工況下構(gòu)件的荷載條件， 可以看出懸臂梁約束端混凝土應(yīng)力較大，最大值為7.64MPa，低于C30混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值14.3MPa；懸臂梁端縱向鋼筋受拉應(yīng)力最大值為5.10MPa， 遠(yuǎn)低于其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。從型鋼應(yīng)力分布圖中可以看出無(wú)約束端型鋼所分擔(dān)的內(nèi)力已經(jīng)很小， 故從經(jīng)濟(jì)上考慮可適當(dāng)縮短型鋼長(zhǎng)度。另從懸臂梁內(nèi)應(yīng)力的矢量分布可看出型鋼與鋼筋骨架能很好地協(xié)調(diào)工作，共同承擔(dān)荷載。從各個(gè)角度進(jìn)行懸臂梁的施工和數(shù)據(jù)的分析，保證項(xiàng)目在可行的范圍內(nèi)有序的發(fā)展，同時(shí)保證經(jīng)濟(jì)效益，確保施工安全。 

　�。�4）低高大跨度懸臂梁的裂縫和撓度驗(yàn)算按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 138-2001）第5.2.2條驗(yàn)算裂縫寬度，KHL106梁在充分考慮裂縫寬度分布的不均勻性和荷載長(zhǎng)期效應(yīng)組合影響的最大裂縫寬度ωmax為0.29mm，而規(guī)范規(guī)定的允許值[ω]為0.3mm，滿足規(guī)范要求。按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（GB 138-2001）第5.2.3條驗(yàn)算撓度，KHL106梁的縱向收拉鋼筋的配筋率ρ=1.5%時(shí)，在充分考慮荷載短期效應(yīng)和長(zhǎng)期效應(yīng)組合作用下的最大撓度為49.496mm，而規(guī)范規(guī)定的允許撓度[f]為l0/250=64mm，滿足規(guī)范要求。 

　　2.結(jié)語(yǔ) 

　　總而言之，在進(jìn)行鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)的施工時(shí)，需要對(duì)其抗震等級(jí)進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)合理的配比含鋼率，確保混凝土柱可以達(dá)到合適的配鋼需要。一般來(lái)說(shuō)，鋼板的厚度不宜過(guò)高，需要按照相關(guān)的規(guī)定進(jìn)行設(shè)置。最后，在施工的整體過(guò)程中，都要考慮到各個(gè)方面的協(xié)調(diào)問(wèn)題，確保各種銜接的有效率，從而保證整體項(xiàng)目的順利進(jìn)行。 

　　【參考文獻(xiàn)】 

　　[1]北京市建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化辦公室.北京市建筑設(shè)計(jì)技術(shù)細(xì)則（結(jié)構(gòu)專業(yè)）[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003. 

　　[2]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010. 

　　[3]YB9082-1997.鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程.北京：冶金工業(yè)出版社，1997.