型鋼混凝土梁在人防工程設計中的具體應用

方建輝

（河南華瑞工程設計有限公司，河南 鄭州450000）

采用一般的梁板結構，梁高較高（大部分超過1m），會影響室內凈高。型鋼混凝土梁結構以混凝土為主要原材料，向其中設置型鋼（可采取軋制或焊接的方式），再配置適量的縱筋和箍筋[1]。從型鋼混凝土的結構組成來看，型鋼至關重要，其有助于提高梁的承載力和剛度，縮小梁的截面尺寸，從而能更好地運用于大跨、重荷的人防工程建筑。

1 工程概況

位于某地下車庫的人防工程，建筑面積為7560m2，凈高2.75m，層高3.7m，覆土1.4～1.8m，活荷載為10kN/m2。初始設計方案中，柱截面尺寸為550mm×550mm，框架梁截面尺寸為500mm×1100mm；梁板均選用的是C30防水混凝土。

2 型鋼混凝土梁的設計特點

2.1 計算特點

配制混凝土后，向其中置入合適規格的型鋼，再利用鋼筋實現縱橫銜接，形成集型鋼和混凝土于一體的完整結構，共同承受壓力。不同于一般梁，型鋼混凝土梁會使用剛度較大的型鋼，因此要注重對型鋼的銜接，采取正確的架構標準等。相比于鋼結構，其區別在于型鋼混凝土的受力特點較為特殊，采取型鋼和混凝土、鋼筋共同受力的方式，因此計算特點在于需要兼顧三者的共同受力情況。在計算工作中，應引入允許應力法，首先確定普通鋼筋、型鋼各自的剛度，然后以此為基準換算為混凝土的剛度。

2.2 計算假定

型鋼混凝土梁選擇的是將概率理論作為主要基礎的極限狀態設計方案[2]。組成型鋼混凝土的各類構件中，若其中某個截面達到極限狀態，應假定型鋼與鋼筋混凝土的中和軸相同，再根據力和力矩平衡特點創建方程。對于截面的計算，應同時做出如下3項假設：對平截面的假定；對彈性體的假定；對受拉區混凝土不參與的假定。

2.3 計算方法

從現階段型鋼混凝土梁建設狀況來看，在正截面的承載力計算中可選擇的方法主要有兩種：（1）選擇實腹式或充滿型的型鋼混凝土量，參照《組合結構設計規范》（JGJ 138—2016），有極限平衡法。（2）在相關行業標準《鋼骨混凝土結構設計規程》（YB 9082—2006）中，有疊加法，分為簡單疊加法和一般疊加法。簡單疊加法與一般疊加法相比，計算過程和算法都比較簡單和便捷；一般疊加法的計算方法和極限平衡法相印證，一般情況下的計算結果較為安全。

3 型鋼混凝土梁設計

3.1 方案設計

車庫的經濟柱距主要在8.0～8.2m，而型鋼混凝土組合梁大多數只在大跨以及重荷下才會顯現出優勢。

（1）樓面荷載標準值。樓面為0.2×25=5kN/m2；復土為16×1.5=24kN/m2；活載為10+2=12kN/m2。

（2）樓面荷載設計值。（24+5）×1.2+12×1.4=51.6kN/m2。

（3）框架主梁的荷載效應。最大負彎矩M=1418kN·m；最大剪力V=948kN；跨中彎矩Ms=10661418kN·m。

3.2 人防荷載的確定

在人防工程設計中荷載的確定十分重要，其主要從頂板、側墻和底板三個方面進行荷載的估算和確定。

（1）頂板上的人防荷載。頂板的人防荷載與防空地下室所處的位置有關。若現場滿足擴散條件，且樓梯口（車道口）與突遇大空間斷面兩者的比值小于9，可參考擴散室余壓計算方法，從而確定頂板結構所能承受的核爆動荷載最大壓力。其計算公式如下：

式中：K為修正系數，一般取0.5；P為地面沖擊波最大超壓，kN/m2；S為樓梯口（車道口）面積，m2；to為口外沖擊波超壓有效作用時間，s（正常狀態下為1s）；ψ為與口外壓力有關的系數；V為計算擴散空間，m2。

以上述式（1）為依據展開計算，防空地下室頂板上承受的核爆動荷載最大壓力發生了較明顯的衰減，幅度約30%～50%。

（2）側墻上的人防荷載。主要考慮埋深、介質側壓力系數和側墻所處環境三方面因素。通常深度每增加1m，所對應的土中壓縮波的峰值壓力發生約5%的下降。因此，考慮到人防荷載對側墻帶來的影響，有必要根據圍護結構的特點創建破壞模式，從而探討圍護結構的使用狀況，即承受人防荷載的能力。同時，綜合考慮圍護結構類型、強度等主要影響因素，從而確定作用在側墻上的人防荷載（該值可取通常方法確定值的60%～80%）。

（3）底板上人防荷載。此類荷載主要與沖擊波作用有關，會導致防空地下室的頂板承受荷載，結構發生運動，源自地基的反力作用將直接作用在底板上。對于設置了樁基的防空地下工程，其底板處的核爆動荷載主要受到樁箱（筏）的荷載分配比的影響，底板上的人防荷載按如下公式計算：

式中：β為樁箱（筏）荷載比；η為底壓系數（以底板的位置為依據，若在地下水位上方，則取0.7～0.8；若在地下水位下方，則取0.8～1.0）；Pt為頂板上核爆動荷載最大壓力。

3.3 裂縫驗算

（1）混凝土截面的抗裂彎矩：Mc=0.235×2.39×400×8002=143.8kN·m。

（2）型鋼翼緣作用的鋼筋應變不均勻系數：ψ=1.1×(1-143.8÷1066)=0.95。

（3）型鋼受拉翼緣與縱向受拉鋼筋加上腹板的周長和：u=4×28π+（2×300+2×29+2×442×0.25）×0.7=966mm。

（4）型鋼受拉翼緣和縱向受拉鋼筋以及腹板面積的直徑：de=4×(2463+8700+0.25×442×15)÷966=53mm。

（5）有效配筋率：pte=(2463+8700+0.25×422×15)÷(0.5×500×800)=0.064。

3.4 結果分析

型鋼混凝土梁中的型鋼極為關鍵，正常狀況下其并不會受到含鋼率的影響，且在大跨重荷的結構中可有效縮小構件截面，從而達到增加使用面積的效果。同時，從初始方案剖面以及新型方案剖面的對比能夠得出，新型方案比初始方案層高縮減了0.3m（7.9%），具體見圖1～圖2。

圖1 原方案剖面圖（單位：m）

圖2 采用型鋼混凝土梁剖面（單位：m）

4 型鋼混凝土梁在人防工程設計中可能存在的問題及解決方法

4.1 鋼骨構造

型鋼混凝土梁柱均存在特殊構造要求，包括鋼骨保護層面的厚度、截面的含鋼量、鋼筋與鋼骨間距的要求、柱腳構造的要求等。需要注意的是，鋼骨不能過大，要為配筋留出空隙，以達到最規范、最適合的構造要求。

4.2 鋼筋構造

型鋼混凝土梁中，鋼骨梁柱鋼筋的錨固構造相對較為復雜，在設計中應處理好構造措施和鋼骨與鋼筋的連接問題，以便于施工及保證設計滿足最初要求。

4.3 裂縫控制

由于使用環境要求，需要嚴格控制裂縫寬度，以及鋼筋與鋼骨的腐蝕度，以保證耐久性。同時，型鋼混凝土梁由于鋼骨與混凝土協同抗彎抗剪，而兩者的彈性模量相差較大，變形性能相差較多，因此容易造成混凝土開裂，并且造成裂縫寬度的增大。綜上，在工程實際施工中，要嚴格演算鋼骨梁的裂縫寬度，按裂縫寬度進行配筋，以確保裂縫問題得到緩解和控制。

4.4 造價控制

型鋼混凝土結構由于其承載能力高、剛度大及抗震性能好等特點[3]，在人防工程中的應用越來越廣泛。與普通的鋼筋混凝土相比，型鋼混凝土中的配鋼率要大很多，故施工中應在有限的截面面積中配置較多的鋼材，使其構件的承載力能夠高于普通鋼筋混凝土構件力的1倍以上，從而減小構件的截面積，避免型鋼混凝土梁結構出現“肥梁胖柱”現象，增加建筑結構的使用面積和空間，以減少建筑的造價，從而達到良好的經濟和社會效益。

5 結束語

近年來，型鋼混凝土結構在工程中的占比逐步加大，從該結構的特性出發探討相適應的施工技術具有顯著現實意義，也是提高型鋼混凝土應用水平的必行之舉。同時，型鋼混凝土梁在人防工程建造的實用價值也相對較高，施工工藝流程簡單，能夠有效縮減成本，實際應用較為廣泛。研究發現，首先，在人防工程施工中，施工流程的控制至關重要，即型鋼梁與梁鋼筋的施工先后順序。在此方面雖無特定的規定，但要以實際情況為準靈活調整。其次，梁鋼與型鋼柱接觸時，應優先在型鋼柱上打孔，并在該處采取加強措施。最后，型鋼梁的吊裝作業應配套專用吊具。當選擇的是兩點綁扎方式時，要求型鋼維持水平狀態。