大跨度報告廳的型鋼混凝土梁設計

【摘要】隨著我國經濟的發展，我國建筑對大空間的要求越來越多，本文討論在種植屋面、結果找坡的情況下，型鋼混凝土梁與預應力混凝土梁的設計比選，并提出建設性意見。

【關鍵詞】大跨度;型鋼;預應力

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.27.

1、工程概況

某工程位于湖南省，建筑占地面積8547.71m2，總建筑面積73827.96m2，本建筑主樓采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，裙樓采用鋼筋混凝土框架結構。建筑地下2層，地上16層。地下一層層高6.1米，地下二層層高3.9米。地上一、二層層高均為6.0m，3層及以上樓層層高均為4.8m。建筑高度80.20m（建筑室外地面至建筑屋面結構板頂），建筑最高點高度94.60m（建筑室外地面至建筑屋面構架頂）。其中學術報告廳長42.0m、寬34.8m，坡屋面最高點12.47m，局部層高6m，報告廳與主樓設縫脫開。 見圖1

工程設計使用年限50年，株洲地區抗震設防烈度小于6度，根據株洲市地震局文件[株抗震（2013）80號]，本工程設防分類為標準設防類，按6度抗震設防，設計地震分組第一組，場地類別為Ⅱ類，建筑結構的安全等級為二級，結構構件的重要性系數為1.0，建筑耐火等級為二級。株洲地區基本風壓0.35kN/m2（50年重現期），地面粗糙度為B類，基本雪壓 0.5 kN/m2 （100年重現期）。

2、結構方案

型鋼混凝土組合結構是指在鋼筋混凝土中放置型鋼的一種結構形式，放置型鋼會增加混凝土結構的強度及延展性，特別對于大跨度的梁，它比傳統的鋼筋混凝土結構具有更好的承載能力、更優的剛度及抗震性能，對于梁截面、撓度減小有顯著效果。

該報告廳沿長方向跨度為26.4m，并且做種植屋面，即使采用結構找坡，屋面的荷載也較大。結構方案首先考慮的是采用鋼筋混凝土井字梁結構，但考慮到主報告廳結構為長方形，井字梁條件不成熟，故否認了。接下來就考慮兩種方案，第一考慮為預應力鋼筋混凝土梁，第二種考慮為型鋼混泥土梁，下面分別闡述折兩種結構方案：

2.1預應力混凝土梁

本工程預應力框架梁均采用有粘結預應力技術，梁集中采用有粘結預應力筋，錨具采用圓錨。 預應力筋采用15.2mm，根據強度標準為1860MPa的低松弛預應力鋼絞線，其性能應滿足《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224-1995）的規定，預應力梁及封端混凝土的強度等級為C40，預應力張拉控制應力為1860x0.75=1395MPa，每根有粘結預應力筋的張拉控制力為195kN。

預應力混凝土梁長方向分為兩部分張拉，其中最大截面800mmx2000mm（7-7 Φ15.2）和600mmx1400mm（3-7 Φ15.2），抗震等級為三級。見圖2、圖3

2.2型鋼混凝土梁

本工程型鋼混凝土梁在鋼構件加工制作前，應考慮結構變形（豎向構件的軸向變形差等）、焊接變形等可能產生的安裝偏差并預先采取相應的調整措施。在確保滿足施工安裝和設計要求后，方可進行構件加工、制作和安裝。由于跨度較大，故梁得拆分三段在現場焊接，所有鋼構件均應在工廠加工制作，現場拼接和安裝。梁的拼接焊縫應采用全熔透焊縫，施焊工藝及板材上的坡口尺寸應符合《鋼結構焊接規范》（GB50661-2011）的有關規定。焊接工字形（或H型鋼）截面翼緣板與腹板應等強連接，拼接縫應錯開，并避免與加勁板重合，腹板拼接縫與加勁板間距不宜小于200mm，腹板拼接縫與上下翼緣拼接縫間距不宜小于200mm。見圖4

經過計算，型鋼混凝土梁最大截面為800mmx1700mm（內置型鋼尺寸為H1300x450x16x22）和800mmx1200mm（內置型鋼尺寸為H800x400x14x20），抗震等級為三級。

3、結構設計中的幾個技術問題

3.1荷載取值

根據建設方要求，報告廳屋面采用種植屋面，經查《種植屋面工程技術規程》（JGJ155-2013），荷載規范規定屋面采用種植土，荷載取值為恒載取6.0kN/m2 屋面活載取3.0kN/m2。

3.2支座節點計算

型鋼混凝土梁的支座節點主要有以下幾種連接：型鋼混凝土梁與混凝土柱、型鋼混凝土梁與混凝土梁的節點大樣。混凝土次梁與型鋼主梁的連接經查圖集得到下種連接方式：見圖5

型鋼混泥土柱內的鋼筋較多，考慮施工問題，采用直徑為28mm的鋼筋并筋排列，在型鋼梁上設置抗剪栓釘以保證與混凝土的連接可靠。

由結構軟件查得梁端的剪力V：-1350.000（kN），螺栓采用10.9s，公稱直徑為22mm，根據《鋼結構標準》 第11.4.2條：

各螺栓所受剪力（kN）：

單個螺栓的承載力設計值抗剪Nvb=85.500（kN），計算滿足要求。

3.3不同結構形式計算分析比較

預應力混凝土梁優點在于剛度大、抗裂性好，可以推遲裂縫的開展，且能在一定程度上減小自重，節省材料。但預應力混凝土梁的工藝相對復雜，對質量要求高，需要配備一支技術較為熟練的專業隊伍且要有專門的設備，預應力混凝土梁在費用上開工費也較高，對于構件較少的工程成本較高。

型鋼混凝土梁的優點在于型鋼混凝土構件承載能力強，比預應力結構更加能減小構件截面，其中預應力混凝土梁最大截面800mmx2000mm（7-7 Φ15.2）和600mmx1400mm（3-7 Φ15.2）。型鋼混凝土梁最大截面為800mmx1700mm（內置型鋼尺寸為H1300x450x16x22）和800mmx1200mm（內置型鋼尺寸為H800x400x14x20）。從施工上型鋼混凝土梁可以簡化支模，加快施工速度，且耐火、耐久、抗震性能都略勝一籌。

4、結論及建議

（1）在計算種植屋面，特別是大跨度情況下的種植屋面首先考慮結構找坡，其次種植屋面的重量應考慮種植土而非填土，以減輕所取荷載。

（2）型鋼混凝土梁的節點大樣在圖集中未涉及到型鋼混凝土梁與混凝土柱的連接方式，只能參照型鋼混凝梁與混凝土墻的連接方式來進行計算。

（3）型鋼混凝土梁在施工時難點在于梁得拆分三段，所有鋼構件均應在工廠加工制作，現場拼接和安裝，切不可直接在現場焊接。

（4）考慮到施工工期、費用、難度，對于單體中只有少部分大跨度梁的情況下選擇型鋼混凝土梁優于預應力混凝土梁。

作者簡介：

賀益田，1989年出生，女，籍貫湖南長沙，碩士研究生，工程師，土木工程建筑結構方向。