新型桁架式鋼骨混凝土在某綜合球類館 可行性應用分析

李江帆

(廣西建工集團第一建筑工程有限責任公司， 廣西 南寧 530000)

1 項目概況

某體育運動學校項目綜合球類館地下設1層設備用房。地上共3層，首層設乒乓球館和車庫；二層設拳擊、散打、摔跤、柔道、跆拳道訓練場地；三層設排球場、網球場、羽毛球場。總長度為：132.60m，總寬度為：72.80m，總高度為45.00m，總層數為4層，層高為7m至15m;該工程雖然外形比較規則，層數不多，但存在錯層、開洞的情況，且建筑要求空間較大，層高較高，柱距較大。其中四層右側為兩跨連續梁，其中兩跨為36.4米的框架梁，而層高達到了15米，屬于典型的大跨度大空間結構，其平面布置詳見圖1，

圖1 綜合球類館四層右側結構平面布置圖

2 原常規不同設計方案比選

該結構第四層為籃球場和手球場，需要較大空間，因此柱距較大，為三跨連續梁，其中一跨為36.4米的梁。而層高則到底15米，對于這樣的高大空間結構，對于混凝土結構而言，一般常規的做法有預應力混凝土和實腹式鋼骨混凝土兩種方案，本工程在初步設計階段考慮了兩種設計方案，主要從工程量以及施工成本進行對比，具體兩種方案的設計詳圖2和圖3：

圖2 綜合球類館預應力梁方案

圖3 實腹式鋼骨混凝土梁方案

2.1 工程量對比

通過計算預應力梁方案和實腹式鋼骨混凝土梁方案的工程量，來計算方案比選，

計算預應力梁方案總長度64.2m，

縱筋=0.00617×28×28×66×64.2+0.00617×18×18×66×64.2=28967kg

箍筋為2503kg 預應力鋼筋為4017kg

總用鋼量為31470kg=35.64 t

混凝土=0.60×2.1×64.2=80.89m3

實腹式鋼骨混凝土梁方案

總長度64.2m，配筋率0.3%

型鋼=（0.4×0.04×2+0.03×1.72）×64.2×78/10=42t

縱筋=0.65×2.4×0.3%×2×64.2×78/10=4.7t

混凝土=（0.65×2.4-0.0836-0.00936）×64.2=94.2m3

通過對比可知，預應力砼梁比型鋼混凝土梁節省砼 16.4%，節約鋼材 17.8%,節約效果較為明顯。而且現有的預應力性能研究、計算理論、設計方法、及工程實踐上都取得了長足的發展，施工技術也比較成熟。在一般的工程中也優先選擇預應力混凝土梁作為解決大跨度建筑的一種解決方案。

2.2 施工成本對比

雖然預應力混凝土作為解決大跨度建筑的一種可行的方案，但是本工程特殊之處在于，作為體育場館，要求空間較大，層高較一般的建筑要高，高達 15米,如采用預應力混凝土方案，在施工時就會出現高大模板支撐，如采用滿堂支撐，整個支撐體系所需的工程量會比一般的工程大許多。整體的施工成本也會增加。

而鋼骨混凝土梁中的型鋼，在構件可起到二次受力作用，方便施工。由于其本身剛度較大，澆筑混凝土時鋼骨架可以作為滑模、掛模的骨架從而節省模板支撐；施工階段時承擔混凝土和鋼析架自重及施工荷載，實現無支撐自承重，加快施工速度[1]。因而本工程選擇鋼骨混凝土梁作為其中一種較優的選擇，只是實腹式鋼骨混凝土存在用鋼量較大的缺點仍待解決。

故本工程結合已有的一些研究成果以及應用現狀，提出采用新型桁架式鋼骨混凝土梁來解決上述預應力梁方案和實腹式鋼骨混凝土梁方案出現的問題。

3 新型桁架式鋼骨混凝土的可行性應用設計分析

空腹式鋼骨混凝土結構目前已有不少的研究和應用，而空腹式鋼骨混凝土梁研究方面的研究大多數采用空腹格構式鋼骨混凝土梁結構形式，對于傳統的空腹式鋼骨混凝土結構，型鋼一般為角鋼放置在構件的四角，扁鋼作為腹桿，采用鉚接，其抗震性能相對較差[1]，其圖詳見圖4

圖4 傳統空腹式鋼骨混凝土結構

根據上述的情況，以及現場的一些研究，本項目提出采用唐光暹提出的新型桁架式鋼骨混凝土梁結構形式：內配置桁架式型鋼，以形型鋼代替傳統的角鋼配置在梁的上、下部位，形型鋼用角鋼相連，構成桁架式鋼骨混凝土梁構件，具體如圖所示[1]：

根據唐光暹提出的桁架式鋼骨混凝土框架梁構件設計方法，桁架式型鋼混凝土梁構件的截面承載力等于桁架式鋼骨部分的承載力與鋼筋混凝土部分的承載力之和。桁架式型鋼混凝土構件斜截面受剪承載力由三部分組成，即混凝土、箍筋和桁架式型鋼骨架的受剪承載力。而《組合結構設計規范》JGJ138-2016中 5.2.6條也提到配置配置桁架式型鋼的型鋼混凝土梁，其受彎承載力計算可將上下弦型鋼考慮為縱向鋼筋，受剪承載力計算可將桁架的斜腹桿按其承載力的豎向分力等效為抗剪箍筋，按國家標準《混凝土結構設計規范》GB50010中的鋼筋混凝土梁的相關規定計算。

圖5 新型桁架式鋼骨混凝土梁結構

雖然相關規程和規范提及桁架式型鋼的型鋼混凝土梁的相關設計，而且也有相關對此進行了較為深入的研究，而由于該桁架式鋼骨混凝土框架梁實際的工程應用目前在國內還沒有，沒有相關的工程實踐作為參考，因而在本工程大跨度梁的設計中采用相對保守的設計，即假設由桁架式鋼骨承擔梁的彎矩，混凝土和箍筋承擔梁的剪力和扭矩，同時鋼桁架作為鋼結構支撐在施工過程中承擔施工荷載。

因該新型桁架式型鋼混凝土梁在國內的工程應用尚屬首次，目前工程設計類軟件沒有該桁架式型鋼選擇，因而采用有限元軟件ABAQUS進行模擬分析。 作為一種大型通用有限元分析軟件，ABAQUS能夠模擬結構應力位移及其他各種領域的問題，特別在鋼筋混凝土結構非線性分析中能夠獲得很精確、很貼合實際的結果，通過采用ABAQUS對該新型桁架式鋼骨混凝土梁的模擬分析，對該新型桁架式鋼骨混凝土梁的設計進行驗證其可行性。

4 結論

（1）通過分析該綜合球類館的項目特點以及通過采用常規不同的方案設計比較，對比發現雖然采用預應力混凝土梁具有節省鋼材的特點，設計施工也比較成熟，但是在本項目中應對高大空間時需要較多高大模板的缺點也較為明顯。而實腹式鋼骨混凝土梁雖然在施工時型鋼能作為支撐的一部分而節省一部模板支出的費用，但是也存在相較預應力混凝土梁而言其用鋼量較大的缺點。

（2）針對實腹式鋼骨混凝土存在的缺點以及現有的一些學者的研究，提出采用新型桁架式鋼骨混凝土作為該綜合球類館高大空間的設計應用。目前該新型桁架式鋼骨混凝土已有不少的學者對其進行了性能研究，并給出了具體的設計方法以及建議，而且相關的規范已有類似的設計指導意見。針對工程設計類的軟件沒有該類型的鋼骨混凝土梁的設計，可以采用ABAQUS通用有限元軟件對該設計進行驗證分析。

總體而言，新型桁架式鋼骨混凝土作為某綜合球類館的高大空間的解決方案，其應用設計是可行的，而且具體的設計內容也可作為一個研究課題進行深入研究，為今后采用相關類型的工程設計以及應用作為一個示范參考。

[1]唐光暹.桁架式SRC梁_RC柱組合節點抗震性能及設計方法研究[D].廣西大學，2012

[2]王玉鐲,傅傳國.ABAQUS結構工程分析及實例詳解[M].北京:中國建筑工業出版社.2010

[3]JGJ138-2016組合結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社.2016

[4]GB50010-2010(2015版)混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社.2015