型鋼混凝土梁在特種結構中的應用初探

周康喆 張首飛

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251;2.中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450000)

0 引言

型鋼混凝土以其優越的性能，在工程中得到了越來越多的應用，隨著研究的深入和實踐的積累，技術也日臻成熟，因而將其應用在一些特種工程中的時機也已經成熟。本文兩位筆者分別從事鐵路工程和核工程的工作，這些工程有其特殊的工程要求。

近年，鐵路建設發展速度快，建成了很多大型的交通樞紐，如北京南站、上海虹橋站、天津西站等。這些站房中出現很多大跨度的梁，因為其承受荷載大，如果是站臺層，還會受到動力激勵，若在車站里，也會受到人群激勵，故對其承載能力以及裂縫要求高，并且因為外觀以及投資要求，必須控制梁高。

核工程建設中，由于涉核的建筑物或構筑物一旦破壞，后果極其嚴重，甚至是災難性的后果(如日本福島地震導致的核電站爆炸及泄露)，因此核工程在結構上對其堅固性和抗震性的要求很高。而且，為防止事故導致的核泄漏擴散至大氣中以及貴重設備的破壞，核工程對建筑物的裂縫和變形也有一定的要求。考慮到廠房通風壓力較大，使用方希望降低廠房高度以減少排氣量，減少運營成本，而這樣就需要控制梁高。有時，廠房內接觸某些特殊物質，抗腐蝕性和耐火性等要求也高于普通工業或民用建筑，有的甚至無法采用抗腐蝕和耐火性能較差的鋼結構。這些都是普通工業和民用建筑所不具備的特征。

鑒于此，筆者認為，在這些特種結構中，采用型鋼混凝土能夠更好地發揮型鋼混凝土的優越性。本文希望通過型鋼混凝土梁和普通混凝土梁的性能對比，促進型鋼混凝土在特種結構中的應用。

1 試驗研究

筆者在2010年夏曾進行了型鋼混凝土梁的試驗[1]。試件梁截面為4400mm×300mm×575mm(長×寬×高)，其中型鋼截面尺寸:H500mm×200mm×7mm×12mm，受拉縱筋和受壓縱筋均為612mm，箍筋采用四肢箍，內箍6@50mm，外箍6@50/100mm。試件的混凝土強度等級為C35，型鋼選用Q345級指HRB335級鋼筋。

通過試驗，發現JGJ138-2001型鋼混凝土組合結構技術規程對極限承載力的計算結果與試驗結果相對而言吻合較好。

應用《型鋼混凝土組合結構技術規程》計算得到，型鋼和縱向鋼筋達到屈服強度時，承載力為763kN·m。根據試驗結果，彎矩達到700kN·m(即荷載1000kN)之后，鋼材陸續屈服。加載最終達到1050kN·m(即荷載1500kN)。

試驗中得出，彎矩達到約700kN·m時，撓度約為1/440，最大裂縫寬度約為0.25mm(有栓釘)和0.5mm ～0.8mm(無栓釘)。彎矩達到約1050kN·m時，撓度約為1/220，最大裂縫寬度約為0.5mm(有栓釘)和1.2mm ～2.0mm(無栓釘)。卸載后，撓度恢復到約1/440，裂縫也較好的閉合，裂縫寬度擴展較慢。

試驗結果見圖1，表1。

表1 梁模型的最大裂縫寬度

2 試驗模型計算分析和對比

2.1 有限元計算結構

對于四種材料，選擇不同的單元類型進行模擬[2-9]。

1)混凝土:采用了Solid65單元，可模擬混凝土的開裂和壓碎。

2)鋼筋:采用了單軸桿Link8單元，只承受拉壓軸力，不承受彎矩和剪力。

3)型鋼:采用了Shell43單元，適合模擬線性、彎曲及適當厚度殼體。

4)栓釘:采用了Beam188單元，該單元考慮了剪切作用。

本構關系:混凝土部分采用了多線性等向強化的C35混凝土本構關系。鋼材(包括鋼筋，型鋼和栓釘)選用普通的鋼材本構進行計算。分別建立了有栓釘梁和無栓釘梁的型鋼混凝土梁模型，有限元分析結果見圖2～圖5。

有限元分析表明:1)在相近的荷載下，配置栓釘的梁與未配置栓釘的梁相比，裂縫間距更小。2)在梁底，受拉縱筋處的裂縫間距明顯較小，可見型鋼的翼緣部分有限制裂縫發展的作用。3)純彎段處，豎向裂縫出現早;支座處，八字形斜裂縫出現晚;故正常使用極限狀態，主要由彎矩導致的豎向裂縫控制。

2.2 按規范計算結果

按照現行GB50010-2010混凝土結構設計規范，計算300mm×575mm和300mm×800mm截面的鋼筋混凝土梁在763kN·m的彎矩下所需配筋面積。

1)300mm×575mm。

2)300mm×800mm。

裂縫寬度:Wmax=0.297mm＜Wlim=0.300mm，滿足(配筋由裂縫控制)。

2.3 經濟性計算結果

試驗中型鋼混凝土梁的縱向鋼筋和型鋼總面積為9 488mm2，占整個截面面積5.5%，由于是上下對稱配筋，下部縱向鋼筋和型鋼面積為4744mm2，占整個截面的2.75%。承載力與計算結果基本吻合，彎矩達到770kN·m左右時，鋼材陸續屈服。

根據計算，鋼筋混凝土梁截面和彎矩荷載與試驗相同時，縱向鋼筋總面積為8 397mm2，下部鋼筋達到6 434mm2，已經超筋，破壞為脆性破壞，延性較差?？備摻罱孛骐m然略低于型鋼混凝土梁，為其縱向鋼筋和型鋼面積的88.5%，但是下部鋼筋達到型鋼混凝土梁的1.36倍。

當鋼筋混凝土梁彎矩荷載與試驗相同，截面改為300×800時，總鋼筋面積為4626mm2，下部鋼筋3 904mm2為型鋼混凝土梁的82.3%。從上述數據可知，型鋼混凝土梁能夠有效降低梁截面尺寸，梁高降低約40%時，受拉側鋼筋僅多17.7%。而且由于工字型鋼的存在，許多管道可以從梁中穿過，能夠有效降低結構高度。對于通風要求高的涉核工程與經濟、安全、舒適度要求較高的鐵路站房工程而言，能夠大幅降低運營成本且適用性強。

3 結論與建議

1)型鋼混凝土梁相比鋼筋混凝土梁能夠有效降低梁高，相比型鋼梁不需考慮失穩等因素，可以最大程度利用鋼材承載力，同時抗腐蝕性和耐火性更好。

2)型鋼混凝土梁上下部對稱配置時，針對地震的反復荷載有很好的表現。而且型鋼整體工作，即使型鋼屈服，在卸載后恢復性較好，試驗中卸載后大量裂縫自主閉合，殘余裂縫也大幅減小。

3)加設栓釘后，型鋼混凝土梁的最大裂縫寬度相對鋼筋混凝土梁有一定提高。型鋼上設置栓釘能夠作為型鋼混凝土結構裂縫控制的有效手段。

4)運用有限元分析軟件對型鋼混凝土構件進行建模分析，可以較為準確地模擬構件荷載作用下的裂縫出現和發展，可以有效彌補現行規程的不足。

綜合以上這些優點可以得出，型鋼混凝土梁在承載力，抗震性，截面高度控制，裂縫控制，抗腐蝕，耐火等各方面，相對普通的鋼筋混凝土梁和型鋼梁都有顯著的優勢，適用于核工程建設與鐵路工程的站房建設。

[1]張首飛.型鋼混凝土梁裂縫控制模型試驗[D].天津:天津大學碩士學位論文，2010.

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