高層鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)體系性能研究

王新良 周 偉 冒鵬飛

(1.鎮(zhèn)江華錦新型材料有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002;2.鎮(zhèn)江市建科工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002)

0 引言

鋼—混凝土組合梁是指通過(guò)抗剪連接件將鋼梁與混凝土板連成整體而共同工作的抗彎構(gòu)件，它是在鋼構(gòu)件和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)，當(dāng)組合梁承受彎矩時(shí)，混凝土板處于受壓區(qū)，鋼梁大部分處于受拉區(qū)，因而能夠充分發(fā)揮兩種材料各自的力學(xué)性能。它與普通鋼筋混凝土梁相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]:

1)延性好，剛度好，抗沖擊、抗疲勞性能好，穩(wěn)定性好，可以減小噪聲;2)減小截面高度，建筑空間布置靈活，能滿足不同用戶對(duì)建筑的多種功能要求;3)節(jié)約鋼材，降低造價(jià);施工方便，施工周期短。

近年來(lái)，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在房屋、橋梁、地下建筑、海洋工程和特殊容器等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，并不斷發(fā)展。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 構(gòu)造形式

壓型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)是在普通鋼梁和壓型鋼板組合樓板之間設(shè)置剪力連接件，在保證二者共同工作的前提下，樓板承擔(dān)部分或全部梁體的壓力，鋼梁承擔(dān)拉力，充分利用鋼構(gòu)架優(yōu)越的受力特性、高承載力以及良好的抗震性能，并通過(guò)壓型鋼板組合樓板的穩(wěn)定性以及提高鋼梁的剛度及承載力。壓型鋼板組合梁與純鋼梁構(gòu)造及受力示意圖如圖1所示。

圖1 壓型鋼板組合梁與純鋼梁比較

1.2 受力性能

試驗(yàn)研究與有限元分析結(jié)果表明，該類型組合梁結(jié)構(gòu)具有承載力高、剛度大、變形能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。相同參數(shù)條件下，純鋼梁與壓型鋼板組合梁相比較，承載力方面后者比前者提高約20%～30%(抗剪承載力提高幅度尤為顯著)，剛度提高約20%[2]。對(duì)比數(shù)據(jù)說(shuō)明該類型轉(zhuǎn)換梁在受力性能方面較純鋼梁有顯著的改善。由于鋼—壓型鋼板組合梁合理地利用了材料，充分發(fā)揮了鋼和混凝土各自的材料特性，與鋼結(jié)構(gòu)方案相比，通常可節(jié)約鋼材20%～40%。同時(shí)，與鋼結(jié)構(gòu)方案相比，鋼—壓型鋼板組合梁的整體性強(qiáng)，抗剪性能好，耐震性能大大提高。

1.3 施工特點(diǎn)

由于鋼構(gòu)架一般采用工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)吊裝拼接的施工方法，方便控制施工質(zhì)量，縮短施工工期，而且可利用壓型鋼板作為模板，鋼梁作為模板支撐，并承擔(dān)作用在鋼梁上的混凝土自重和施工荷載，無(wú)需從地面搭設(shè)腳手架，降低施工難度，減少施工人力物力投入，降低造價(jià)，加快了施工進(jìn)度。同時(shí)，壓型鋼板組合梁可以在鋼梁上焊接托架和牛腿，供支撐室內(nèi)所敷設(shè)的管線，不必像混凝土梁那樣需在混凝土中埋設(shè)預(yù)埋件。

2 工程實(shí)際算例分析

南京市某高層建筑的地上部分結(jié)構(gòu)，擬采用純鋼結(jié)構(gòu)和壓型鋼板組合梁兩種方案，本節(jié)將對(duì)兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明:無(wú)論在受力性能、施工和經(jīng)濟(jì)性等方面，組合結(jié)構(gòu)方案都取得優(yōu)越的效果。

2.1 工程概況

設(shè)計(jì)資料:用地面積3800 m2，總建筑面積為38900 m2，其中地上建筑面積為32680 m2，擬建綜合樓地上32層，地下2層，1層～18層為辦公樓，19層以上為住宅樓，地面以上平面尺寸為24.0 m×40.0 m，其辦公標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖和住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖如圖2，圖3所示。抗震設(shè)防烈度為7度，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.35 s，建筑地下室框架的抗震等級(jí)為三級(jí)抗震，基本風(fēng)壓為 0.45 kN/m2，基本雪壓為 0.65 kN/m2，地面粗糙度為C類。

圖2 1層～18層平面布置圖

圖3 19層～32層平面布置圖

2.2 結(jié)構(gòu)方案比較

2.2.1 純鋼結(jié)構(gòu)方案

參考其他類似情況，建筑物的設(shè)計(jì)方法，該商住綜合樓初期的結(jié)構(gòu)方案為采用純鋼結(jié)構(gòu)方案，即梁、柱均采用純鋼結(jié)構(gòu)，梁板節(jié)點(diǎn)不設(shè)抗剪連接件，不考慮樓板與鋼梁的組合作用。由于鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展較為成熟，純鋼結(jié)構(gòu)的處理辦法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單易懂，方便易用，在工程設(shè)計(jì)中已有不少應(yīng)用。

但是由于鋼梁與組合樓板之間沒(méi)有設(shè)置抗剪連接件，無(wú)法考慮樓板對(duì)鋼梁的加強(qiáng)作用，因此實(shí)際所需的用鋼量肯定要比考慮組合作用時(shí)大，且由于用鋼量的增加，鋼梁高度的增大，影響了樓層的凈高。這樣看來(lái)，對(duì)于使用純鋼梁的方案，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性，還是從適用性來(lái)說(shuō)，都沒(méi)有采用組合梁好;而對(duì)于施工來(lái)說(shuō)，純鋼結(jié)構(gòu)方案中采用壓型鋼板組合樓板，只需在壓型鋼板的板肋中添加與鋼梁連接的剪力連接件，就可以實(shí)現(xiàn)梁板的組合效應(yīng)，無(wú)論是對(duì)施工難度還是施工費(fèi)用來(lái)說(shuō)都增加不多。因此，有必要進(jìn)行方案優(yōu)化，以改善結(jié)構(gòu)的受力性能，并盡可能降低工程造價(jià)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的統(tǒng)一。

2.2.2 壓型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)方案

采用壓型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)體系，即在原有純鋼結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)置壓型鋼板組合樓板與鋼梁之間的抗剪連接件，從而考慮梁板組合效應(yīng)。采用閉口型BD-65-0.75壓型鋼板，此種壓型鋼板具有承載力強(qiáng)，耐火性能好，防腐蝕能力強(qiáng)，施工方便等特點(diǎn)。鋼梁與組合樓板通過(guò)剪力連接件共同作用，形成組合受力體系。板體有效覆蓋寬度為555 mm，板肋高度為65 mm，鋼板厚度為0.75 mm，樓板總厚為 120 mm。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3][4]，利用PKPM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，利用同濟(jì)大學(xué)的MTS組合構(gòu)件工具箱設(shè)計(jì)計(jì)算組合梁，兩種結(jié)構(gòu)方案的截面尺寸和結(jié)構(gòu)用鋼量見表1。

表1 兩種結(jié)構(gòu)方案比較

利用SATWE模塊進(jìn)行了彈性時(shí)程分析與罕遇地震下彈塑性時(shí)程分析(EPDA)，輸入了地震波San Fernando波，TFT-2波，蘭州人工波，南京波，并進(jìn)行了全樓連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，控制其彈性層間位移轉(zhuǎn)角限值和彈塑性層間位移角分別為1/300和1/75，結(jié)果如表2，表3所示。由上述分析可以看到，與純鋼梁相比，采用組合梁設(shè)計(jì)方案還是比較經(jīng)濟(jì)的，由于其考慮了組合作用，因此，組合梁的尺寸肯定要比純鋼梁小得多，顯然這個(gè)方案更為合理。

3 中、歐規(guī)范的撓度計(jì)算比較

本工程設(shè)計(jì)實(shí)例中，組合梁設(shè)計(jì)為撓度控制，因此組合梁的撓度驗(yàn)算決定了組合梁截面是否符合設(shè)計(jì)要求。考慮到上述問(wèn)題，將歐洲設(shè)計(jì)規(guī)范4[5]和中國(guó)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]對(duì)組合梁的撓度計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。本設(shè)計(jì)中采用其中一個(gè)次梁進(jìn)行對(duì)比。組合梁跨度為8 m，梁兩邊間距分別為2.7 m和2.6 m，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下:樓蓋總厚度為120 mm，其中壓型鋼板肋高h(yuǎn)f=50 mm;自攻螺釘直徑19 mm，長(zhǎng)度95 mm;選用Q345鋼材，鋼梁型號(hào)H294×200×8×12;采用普通混凝土，混凝土等級(jí)為C30;樓面恒荷載包括鋼梁和樓板自重為4.5 kN/m2，樓面均布活荷載3.5 kN/m2。施工過(guò)程中無(wú)支撐。

表2 SATWE模塊彈性時(shí)程分析

表3 罕遇地震下彈塑性時(shí)程分析

3.1 組合梁有效寬度

歐洲規(guī)范對(duì)于單排自攻螺釘簡(jiǎn)支梁翼緣板有效寬度be，取梁左右板跨的1/8之和;中國(guó)規(guī)范簡(jiǎn)支梁翼緣板有效寬度be按式(1)計(jì)算:

其中，b0為鋼梁翼緣寬度;b1=b2=min{l/6，6h，s1，s0/2}，h為混凝土板總厚度;s1為翼緣實(shí)際外伸寬度;s0為相鄰鋼梁或板托間凈距。

3.2 撓度驗(yàn)算

在歐洲規(guī)范中，在完全剪力連接組合梁撓度計(jì)算中，采用換算截面法計(jì)算組合梁的剛度;對(duì)于部分抗剪連接梁，在完全剪力連接梁的基礎(chǔ)上[6]，按照式(2)進(jìn)行計(jì)算:

式(2)中相關(guān)參數(shù)參照文獻(xiàn)[6]。

中國(guó)規(guī)范考慮了滑移效應(yīng)，應(yīng)分別按荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合和準(zhǔn)永久組合進(jìn)行計(jì)算，以其中較大值作為依據(jù)。組合梁的撓度應(yīng)采用折減剛度進(jìn)行計(jì)算:

其中，E為鋼梁彈性模量;Ieq為組合梁換算截面慣性距;ζ為剛度折減系數(shù)。

3.3 驗(yàn)算結(jié)果比較

中、歐規(guī)范對(duì)于簡(jiǎn)支梁有效寬度的規(guī)定存在較大的不同，中國(guó)規(guī)范考慮了梁跨度、翼緣板厚度及梁間距等因素的影響，歐洲規(guī)范統(tǒng)一選取簡(jiǎn)支梁跨度的1/4[7];從而在計(jì)算組合梁有效剛度時(shí)產(chǎn)生影響，使得組合梁計(jì)算撓度存在區(qū)別。1)組合梁有效寬度:歐洲規(guī)范計(jì)算bf=2000 mm，中國(guó)規(guī)范計(jì)算bf=1640 mm;2)組合梁總撓度:歐洲規(guī)范計(jì)算δ=25.2 mm，中國(guó)規(guī)范30.2 mm。由計(jì)算結(jié)果可見，對(duì)于本設(shè)計(jì)對(duì)象，根據(jù)中國(guó)規(guī)范計(jì)算的結(jié)果更加保守。對(duì)于組合梁撓度的計(jì)算，中國(guó)規(guī)范采用折減剛度法考慮了滑移效應(yīng)對(duì)組合梁撓度的影響;歐洲規(guī)范考慮了剪力連接程度，采用換算截面法在完全剪力連接梁的基礎(chǔ)上計(jì)算，形式上更加簡(jiǎn)單。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼—壓型鋼板組合梁具有優(yōu)越的力學(xué)性能、施工性和經(jīng)濟(jì)性。該新型構(gòu)件具有以下的優(yōu)點(diǎn):

1)由于鋼梁和樓板由剪力連接件連接，起到組合作用，提高了承載力，結(jié)構(gòu)上減少了截面尺寸，增加了使用空間，提高了建筑面積的使用率。

2)壓型鋼板組合梁和普通鋼梁相比，截面尺寸減小而降低了造價(jià)。

3)剛性鋼板組合樓板和普通鋼筋混凝土板相比，樓板配筋少，整體性強(qiáng)，抗裂性能好，節(jié)省工時(shí)，方便施工。

4)樓板與鋼梁通過(guò)剪力連接件連接，改善了鋼梁的受力狀況，提高了梁的整體剛度和變形協(xié)調(diào)能力，有利于結(jié)構(gòu)抗震。

5)壓型鋼板組合梁與純鋼梁相比，剛度大，穩(wěn)定性好，而閉口型壓型鋼板與開口型相比，耐火性能好，節(jié)省了后者的防火費(fèi)用。

壓型鋼板組合梁是一種高承載力的既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它不僅可以在高層上使用，還可以推廣應(yīng)用到超高層建筑大空間結(jié)構(gòu)、橋梁工程、大跨重載結(jié)構(gòu)或其他特殊結(jié)構(gòu)上。

[1]許蘭蘭.鋼—混凝土組合梁撓度研究發(fā)展概述[J].江蘇建筑，2006(3):12-14.

[2]陳忠漢，胡夏閩.組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[3]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]王 挺，聶建國(guó)，李炳益，等.鋼—壓型鋼板混凝土組合梁極限抗彎承載力的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，22(2):61-65.

[5]Eurocode 4 Part 1.1.Design of Composite steel and Concrete Structures，General Rules and Rules for buildings[S].

[6]LAWSON R M，CHUNG K F.CompositeBeam Design to Eurocode 4[R].Berkshire:Steel Construction Institute，1994.

[7]楊 璐，王元清，石永久，等.中國(guó)、歐洲鋼—混凝土組合梁的設(shè)計(jì)規(guī)范比較[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，23(4):34-37.