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(jì)算，為大跨度SRC梁的應(yīng)用提供依據(jù)，可供工程設(shè)計(jì)人員參考。

  關(guān)鍵詞：鋼骨混凝土應(yīng)用計(jì)算一、前言隨著城市建設(shè)的發(fā)展與建筑技術(shù)的進(jìn)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(diǎn)，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(diǎn)。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(jì)，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(biāo)準(zhǔn)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(shí)留有施工后澆帶?；A(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(huì)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(gè)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(zhǎng)達(dá)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(jì)要求，但由于三層梁高1m的限制，梁高跨比達(dá)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(jì)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(gè)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(diǎn)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(jì)算結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研究院軟件TBSA4.2計(jì)算，再采用軟件PK對(duì)框架梁進(jìn)行復(fù)核。由于本工程在設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)規(guī)程，針對(duì)鋼骨混凝土梁的計(jì)算，當(dāng)時(shí)有二種計(jì)算模型，一種是強(qiáng)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(jìn)行計(jì)算。⒈強(qiáng)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(dú)立。這種方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)是偏于安全的。日本的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)就采用了此模型，SRC計(jì)算方法也是基于這種模型?，F(xiàn)SRC梁進(jìn)行計(jì)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(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jiǎn)化，計(jì)算簡(jiǎn)單，故在設(shè)計(jì)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(jì)值為M=19237kN-m，剪力設(shè)計(jì)值為V=2467kN，混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(jì)算方法也是基于這種模型，且計(jì)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(jì)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(duì)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(diǎn)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(jì)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(jì)算也是基于這種模型。由于計(jì)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(jì)中，先按強(qiáng)度疊加模型計(jì)算截面及配筋，然后再用變形協(xié)調(diào)模型進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)算：V=0.056fcbh0+0.58fywδwhw+fyvAsv/sh0（8）抗剪承載力與變形經(jīng)計(jì)算，均滿足要求，過程不再贅述。五、設(shè)計(jì)體會(huì)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(jì)算均采用強(qiáng)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(jì)算的，不考慮局部壓屈影響，要求放寬。故當(dāng)計(jì)算滿足時(shí)，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(diǎn)，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(jià)，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(shí)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。