型鋼混凝土在大跨度結構中的應用研究

張熙江，胡孔鵬 （安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

近幾年，體育建筑大量興建，因功能需要，體育建筑中存在很多大跨度結構，合理選取結構形式，是結構設計面臨的課題。

某體育館分為左右兩個結構單元。右單元負一層（標高-4.800m）為車庫和游泳池（標高-2.700m），一層（標高0.000m）為健身房和輔助用房，二層（標高4.800m）為體育活動場地和游泳池上空。三層（標高標高9.0m）籃球場和看臺。游泳池部位柱網為40.5（5×8.1）×64.8(8×8.1)m，采用型鋼混凝土結構。籃球館屋頂為23.3+48.6×60.8m，采用倒三角鋼管桁架結構。本工程地震設防烈度為6。（0.05g），抗震設防類別為丙類，建筑安全等級為二級，二層40.5m框架梁、柱和屋面鋼桁架及與之相連的框架柱安全等級提高一級，為一級。

1 三層9.000標高游泳池頂樓面結構特點

①40.5m框架梁，跨度大、荷載較大。

②室內游泳館較為潮濕，且水中加氯，其揮發氣體對鋼結構有腐蝕作用，對結構耐久性提出了較高要求。

③柱網大，抗震要求高。

④層高有限，對構件的高度有要求。

型鋼混凝土組合結構，又稱鋼骨混凝土結構，是指結構桿件或構件，以型鋼為骨架，外包鋼筋混凝土形成的組合結構。因在鋼筋混凝土中增加了型鋼，型鋼、混凝土、鋼筋共同工作使型鋼混凝土結構具備了比傳統鋼筋混凝土結構承載力大、剛度大、抗震性能好的優點。與鋼結構相比可節約大量鋼材且避免鋼結構耐火性、耐久性差及易屈曲失穩等缺點，充分利用混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉壓性能，使型鋼性能得以充分發揮,比鋼結構節約大量鋼材，具有明顯的經濟效益。在超高層建筑和體育場館等大跨建筑中得到廣泛應用。但同時也存在如下問題：①施工難度大。型鋼混凝土結構為型鋼周邊布置鋼筋，梁柱核心區需解決梁、柱主筋與型鋼相交問題，梁、柱箍筋的設置與型鋼相交等問題。②現場焊接施工質量要求高。③施工組織要求高。鋼構件大而重，其吊裝、安裝等施工組織要求高。

2 三層游泳館頂樓面框架設計基本條件

①設計荷載：自重，按實計算，裝修、吊頂荷載取2.0KN/m2，活荷載取 4.0kN/m2。

②大跨度框架梁宜設計成大的連續跨。因功能要求，本工程樓面梁大跨位于邊跨，相鄰跨為8.1m，小跨，跨度為40.5m，開間8.1m，40.5m框架梁為大跨度結構，控制構件的撓度、裂縫是設計的關鍵。

③為充分發揮型鋼混凝土的優點，柱、梁混凝土強度等級取C40，型鋼采用Q345B鋼材，鋼筋采用3級鋼筋。

④游泳館內水中釋放的氣體對結構有腐蝕作用，40.5m框架梁梁底裂縫按0.2mm控制，支座裂縫按0.3mm控制。

3 型鋼混凝土組合結構方案

①沿40.5m跨度間隔2.7m布置次梁，樓板厚度100mm。

②40.5m框架柱、梁采用型鋼混凝土組合框架柱、梁。相鄰8.1m跨采用型鋼混凝土組合框架梁，梁截面600×1200mm，內置型鋼800×300×18×20mm，相鄰8.1m跨左邊柱截面1000×1000mm，采用構造型鋼混凝土組合框架柱。大跨中柱柱頂標高8.950m，邊柱8.950至屋面采用型鋼混凝土組合框架柱，柱截面1200×1300、內置型鋼 1000×400×20×25mm。

③設計經驗可知，大跨度鋼筋混凝土梁的設計，強度容易滿足，控制梁的撓度、裂縫是決定構件截面的主要因素。通常采用增加梁高的設計思路，梁高是決定撓度的重要因素，但梁高增加、截面加大自重隨之增加，一味增加梁高不是解決問題的好方法。當滿足建筑功能時，合理的加大柱截面，不僅能大大減少框架梁的撓度，而且因減少了梁、柱的線剛度比，更易實現強柱、弱梁的抗震目標，避免柱端出現塑性鉸。合理的選取柱、梁截面是設計大跨度鋼筋混凝土結構的關鍵因素。為取得經濟、合理的截面，結合建筑功能，對框架柱、梁經過多次試算、優化，現選取部分計算結果如表1、表2。

④從表1、表2計算結構確定40.5m框架柱截面為1200×1600mm，框架梁截面可為600×2000～600×2200mm，實際梁截面600×2200mm，即表1中第3種截面組合。計算可知型鋼混凝土框架梁與型鋼混凝土框架中柱、型鋼混凝土框架邊柱的線剛度比分別為0.319，0.310，容易實現強柱弱梁的抗震目標。

根據《組合結構設計規范》大跨型鋼混凝土梁的撓度限值為L0/400（101mm）,因本工程二樓為籃球場，考慮到使用的舒適性，本設計撓度按L0/500（81 mm）控制。經計算，恒載產生的撓度為110mm。考慮到施工中梁存在變形，設計要求施工中按1/300（135mm）起拱，大于梁的撓度(123.4mm)。

40.5m型鋼混凝土框架梁按《組合結構設計規范》規定最小配筋率（0.3%）配8C25，中支座、邊支座、梁底裂縫寬度分別為0.49mm,0.44mm,0.33mm，不滿足規范要求，應加大配筋。40.5m型鋼框架梁中支座負筋，邊支座負筋實際配筋 14C32 7/7，14C32 7/7,12C32 7/5，裂縫寬度分別為 0.22mm，0.25mm，0.17mm。

型鋼混凝土邊柱配筋為4C32（角筋）+8C32（短邊）+8C32（長邊）。型鋼混凝土中柱配筋為4C32（角筋）+8C32（短邊）+8C25（長邊）。柱、梁配筋見下圖。

4 節點設計

型鋼混凝土框架柱、梁節點連接構造力求簡單，傳力明確，以便于配筋和混凝土澆筑。

①型鋼采用柱貫通型，型鋼柱與型鋼梁連接采用柱邊伸出懸挑梁段式剛性連接，懸挑型鋼梁翼緣、腹板與柱連接均采用全熔透連接。型鋼梁拼接時梁翼緣采用全熔透連接，腹板采用高強螺栓連接。因本建筑只有一層地下室，柱腳采用埋入式柱腳。

表1

表2

②本次設計有意控制型鋼柱翼緣寬度，使得型鋼柱兩邊可以穿過一根鋼主筋。40.5m跨框架梁主筋下述方式貫通、錨固。梁底筋4C32 2/2從型鋼柱邊穿過錨固，4C32采用焊接鋼套筒連接，其余6C32鋼筋伸至柱邊截斷；因中柱無上柱，中支座負筋可從型鋼頂全部穿過錨入相鄰框架梁；邊支座負筋4C32 2/2從型鋼柱邊穿過錨固，4C32采用焊接鋼套筒連接，4C32采用上型鋼柱翼緣開孔穿過錨固，型鋼柱另加鋼板補強。中柱上短向框架梁負筋從型鋼柱頂面通過，兩根底筋在型鋼柱腹板開孔通過，兩根底筋伸至型鋼柱邊錨固；邊柱上短向框架梁三根負筋從上型鋼柱腹板開洞通過，兩根梁底筋在型鋼柱腹板開孔通過，兩根底筋伸入柱內錨固。

③梁柱節點受力復雜，應力大，應采取措施節點處安全以滿足整體結構的抗震要求，設計中采用有限元分析軟件對節點核心區進行分析，采用增設加勁肋對腹板分隔加強，改善腹板的受力性能。

設計中應考慮的問題：

①型鋼框架梁高達2.2m，高寬比3.67＜4,滿足《建筑抗震規范的要求》。但梁高達2.2m，下翼緣無支撐，平面外剛度差，應采取措施梁下部平面外的整體穩定。設計時每隔2.7m布置一道次梁，在主次梁交接處次梁設置加腋以確保梁在平面外的穩定。

②型鋼梁跨度大、型鋼截面大、自重大、梁底距地面最高處達9.5m（游泳池板面）。型鋼混凝土框架梁施工為高位支模，設計時應考慮施工荷載。梁底部分為游泳池，部分為地下室頂板，游泳池板位于老粘土上，可以滿足施工荷載要求。梁下地下室頂板部分根據梁及支撐模板荷載考慮施工荷載以減小支撐施工中變形和確保施工的安全。

5 結語

本文以某游泳池板頂大跨度型鋼混凝土框架為例，探討了型鋼混凝土結構在大跨度結構中的應用。選取合理的型鋼框架柱、梁截面是優化設計的關鍵。型鋼混凝土結構應與高強度混凝土匹配（建議不低于C40）方可充分發揮型鋼的作用。型鋼混凝土結構設計計節點構造力求簡單，傳力明確，施工方便。大跨度框架梁底樓面梁板應考慮施工荷載的影響。