談型鋼混凝土在大跨度建筑中的應用

耿光華

(蘇州市規劃設計研究院有限責任公司，江蘇蘇州 215006)

0 引言

型鋼混凝土組合結構(SRC結構)，又稱鋼骨混凝土結構，是指結構桿件或構件，以型鋼為骨架，外圍包以鋼筋混凝土，所形成的組合結構。其基本上屬于鋼筋混凝土范疇，具有承載力大，延性好，剛度大的特點。隨著國家經濟的發展，建筑用型鋼的廣泛推廣，型鋼混凝土組合結構的發展具有廣闊前景。

1 工程概況

蘇州市體育中心健身館工程由法國何斐德建筑設計公司進行建筑方案設計，是蘇州市體育中心體育場及體育館配套工程。長為171．3 m，寬為126．3 m，高為22．2 m，總建筑面積約40 000 m2。地下1層，約20 000 m2，為家樂福超市及游泳館設備用房，地上5層，為游泳館，網球館及羽毛球館等綜合健身館。其中游泳館頂3層樓面跨度為18 m+35．4 m，上為羽毛球館;貴賓網球中心頂5層屋面跨度為20 m+33．6 m，上為屋頂花園。采用現澆鋼筋混凝土(局部型鋼混凝土)框排架結構，樓板采用普通梁板結構，游泳館頂及貴賓網球中心頂大跨度樓面采用型鋼混凝土組合框架。羽毛球館屋頂跨度為53．4 m輕鋼屋頂，采用倒三角鋼管桁架。廣場部分地下室頂板采用寬扁梁以降低結構層高。為滿足建筑要求，主樓和大地下室之間不設縫，采用預應力管樁基礎減小絕對沉降量，并通過后澆帶解決主要的施工期間沉降差問題。本工程地震設防烈度6度，抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級，3層樓面35．4 m鋼骨混凝土梁，5層屋面20 m+33．6 m鋼骨混凝土梁，53．4 m鋼結構桁架及與這些梁相連的柱安全等級提高一級，即為一級，重要性系數γ=1．1。擬建場地土類型評為中軟場地土，建筑場地類別劃為Ⅲ類。

2 結構選型

本工程結構主要特點在于:1)樓屋面結構跨度大，荷載較重;2)室內游泳館較為潮濕;對結構耐久性提出了較高要求;3)整體結構較為空曠，抗震要求高。如果采用一般鋼筋混凝土框架結構難以滿足大跨、載重要求;如果采用全鋼框架結構，防腐蝕要求較高，將來給使用維護帶來不便。型鋼混凝土組合結構有以下優勢:

1)相比一般鋼筋混凝土結構具有:a．承載力高，由于其中型鋼可不受含鋼率的限制，其承載力可以高于同樣外形尺寸的鋼筋混凝土構件的承載力一倍以上，從而可以控制構件的截面積，減輕結構體自重，并增加建筑的使用面積和使用空間高度;b．控制梁截面剛度后，能減小梁柱線剛度比，使其更易于實現強柱弱梁的抗震目標，避免在柱端形成塑性鉸;c．由于梁內型鋼的設置，其延性比一般混凝土有明顯提高，因此在大震中呈現出較好的抗震性能。

2)相比鋼結構具有:a．由于外包裹混凝土，克服了鋼結構耐火性能和耐久性能方面的缺陷。b．由于外包裹混凝土對型鋼的約束，克服了一般鋼結構容易受壓失穩的弱點。c．比鋼結構可節省大量鋼材，使鋼材的性能得以充分發揮，一般可比純鋼結構節約鋼材30%以上。

依據以上特點，本工程游泳館頂3層18 m+35．4 m跨度樓面，貴賓網球中心5層屋面20 m+33．6 m跨度屋面，采用了型鋼混凝土組合框架結構，是較為可行的解決方案。

3 主要結構布置

根據上述選型要求，對貴賓網球中心樓面梁，跨度20 m+33．6 m，采用型鋼混凝土形式。如圖1所示，對小跨，柱截面800×800，布置500×2 200混凝土梁，內設型鋼H2 000×400×30×60。對大跨，柱截面1 000×1 000，布置400×1 200混凝土梁，內設型鋼H1 000×300×24×30。為保證梁內鋼筋排布，梁截面做成工字形，見圖2。游泳館頂3層樓面布置形式基本相同。

圖1 鋼骨立面圖

4 需考慮的問題

一般型鋼混凝土組合結構主要應用于多、高層建筑中一般跨度或中型跨度結構。本工程部分結構跨度超過33 m，屬大跨度結構，型鋼混凝土組合結構應用也帶來了一系列問題:

1)為滿足承載力及變形要求，大跨度處需結構梁高及梁寬均較大，如果采用一般矩形截面，型鋼混凝土主梁自重較大，占整個樓蓋結構自重比例較高，約為1/3～1/2，隨著自重增加，又要求采用更高更寬的主梁，主梁自重占整個樓蓋結構自重比例也隨之增大，樓蓋自重的增加，整體結構地震力加大，抗震不利。因此，在充分發揮型鋼混凝土承載力前提下，有效減小結構梁自重，對大跨度結構型鋼混凝土組合結構顯得尤其重要。實際設計采用了工字形截面主梁，在同等梁寬的情況下，減小了鋼筋混凝土腹板厚度，有效減輕了結構梁自重，從而明顯減小整個樓蓋結構自重。

2)由于跨度的增加，型鋼混凝土中型鋼截面較大，長度及單構件重量較大，結構設計必須考慮運輸，拼裝及吊裝要求。設計結合結構受力情況將整個框架分為多個構件以滿足運輸，拼裝及吊裝要求;同時由于本工程為大地下室，地下室頂樓蓋設計適當考慮吊裝要求，為施工提供必要條件。

3)型鋼混凝土中由于型鋼與鋼筋同時存在，為保證受力及施工，設計時必須要考慮鋼筋的搭接、錨固等受型鋼的影響，盡量避免或減少鋼筋穿過梁、柱型鋼翼緣，同時盡量減少主筋穿過梁、柱型鋼腹板，對于必須穿過梁、柱型鋼腹板的，預開孔洞均逐一注明。

4)大跨度主梁截面較高，多為2 m以上，梁下翼緣一般無支撐，平面外剛度較差，應有足夠措施保證梁下部平面外整體穩定。設計時每隔8 m左右將次梁在主梁交接處將次梁加高至主梁高度1/2以上，以保證梁下部平面外穩定。

5)由于大跨度，梁柱節點處應力較大且受力情況復雜，采取有效措施保證節點處安全對滿足整體結構抗震要求顯得尤為重要，結構設計對大跨梁柱節點區域采用ANSYS有限元分析軟件進行分析，發現節點處腹板應力復雜，實際設計對梁柱節點區域采用加勁肋對腹板進行分隔加強，改善腹板受力情況。

圖2 梁柱截面圖

6)由于混凝土構件中型鋼的存在，特別是選用工字形梁截面以及對梁柱節點區域采用加勁肋，對施工帶來較高難度，特別是混凝土的澆筑。設計中采用在型鋼應力小的區域開設透氣孔，并對混凝土澆筑順序提出具體要求，對特別難澆筑區域采用提高一級細石混凝土，以保證混凝土澆筑順利完成，通過施工方努力，實際效果良好。

5 結語

1)采用型鋼混凝土組合結構構件，可以解決跨度大、梁高受限的問題，同時，增加結構剛度，提高了抗震性能。

2)型鋼混凝土組合結構在構造上是設計的難點。節點設計相對較復雜，設計時應充分考慮到其特點，根據計算要求，合理布置型鋼以及鋼筋排布，做好節點及特殊構件的設計。

3)型鋼的加工和制作，應考慮構件內鋼筋及箍筋的影響，同時，也應滿足混凝土澆筑等施工的要求。