大跨度鋼筋混凝土結構工程應用探討

黃明超 上海申建工程設計院有限公司

1 前言

隨著建筑使用功能的多樣化，經常要用到大空間，如展覽館的頂部、會議廳的屋面、地鐵站房等。大跨度空間可以根據工程實際情況，通過型鋼混凝土梁、預應力混凝土梁、鋼筋混凝土折線形屋架等來實現。

2 型鋼混凝土梁在大跨度混凝土結構中的應用實例

2.1 實例介紹

本工程為某規劃館，地上兩層，地下一層，建筑高度為15m。地上建筑面積9300m2，縱橫兩個方向長度均為76m，地下建筑面積13200m2，設計使用年限為100 年；安全等級為一級；耐火等級為一級。建筑抗震設防分類為重點設防（乙）類，抗震設防烈度為6度，基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第二組。場地類別為Ⅱ類。抗震等級：框架為三級（局部大跨度處為二級）。基本風壓為0.45kN/m2（n=100y）。地面粗糙度類別：B 類。基本雪壓值：So=0.50kN/m2。單體造型上由正方形演化而來，在角部進行均勻擠壓，使得形體變化均勻。幕墻構架最大外挑長度為4.1m。

該規劃館采用混凝土框架結構。±0.000 標高處中間部分為城市沙盤主展區，沙盤主展區下部柱子伸到±0.000 為止，使得該區域在上部形成大空間結構。本節主要對城市沙盤主展區進行重點介紹，該區域屋面縱橫兩個方向跨度均為42m。考慮到建筑對屋面做法的要求，本工程屋面采取鋼筋混凝土屋面。按這個要求，在設計方案階段，考慮過使用普通混凝土梁，但是由于該屋面恒荷載較大、梁跨度較大，使得梁截面大、配筋多，從而導致結構自重增大，不經濟，不采用該方案。經比較，采用在屋面縱橫雙向布置型鋼混凝土梁的方案，能較好地滿足承載力和變形要求。

本工程采用型鋼混凝土梁截面均為500mm×2000mm，間距為8.4m，內置H 型鋼1700mm×250mm×25mm×32mm；型鋼混凝土梁之間設置300mm×750mm 混凝土梁，將板格劃分成4.2m×4.2m。型鋼梁材質為Q355B，混凝土梁強度等級為C35，鋼梁上下翼緣均設置栓釘，栓釘直徑為19mm，縱向間距為200mm，型鋼混凝土梁抗震等級為二級。鋼筋強度等級為HRB400。

經過計算在長期荷載作用下，型鋼混凝土梁跨中最大撓度為103.1mm，梁按跨度1/1000 起拱，反拱值為42mm。

為實現梁柱剛接，型鋼混凝土梁兩端的柱子采取型鋼混凝土柱，形成型鋼混凝土組合結構。在鋼柱頂部工廠焊接長度為700mm 的懸臂梁，懸臂梁的截面和材質與型鋼梁相同。型鋼梁和懸臂梁采用栓焊連接方式實現剛接，腹板采用10.9 級M20 摩擦型高強螺栓連接。

實際構造中，型鋼混凝土柱中的箍筋可以設置成菱形，菱形四邊與柱最外側箍筋在同一豎向平面內，便于施工。

本工程主體結構已施工完畢，狀況良好。

2.2 型鋼混凝土組合結構優點

（1）含鋼率上限高。《組合結構設計規范》對于型鋼柱的規定：型鋼混凝土框架柱的含鋼率不宜大于15%（第6.1.1條）；對于型鋼梁的規定：混凝土的保護層厚度不小于100mm。實際設計過程中，一般可按混凝土梁的高度減去300mm 作為型鋼梁的高度，型鋼梁的腹板可設置較薄，減少用鋼量。

（2）承載能力高。采用了型鋼混凝土構件的建筑，由于提高了承載力，因而可以減小構件截面，從而增加了建筑使用面積，達到良好的經濟效益。另外，由于采取了型鋼混凝土梁，整個建筑自重減輕，地震作用對建筑的影響也有所減小。

（3）材料的特性利用充分。該結構形式充分利用了混凝土抗壓強度高和鋼材抗拉強度高的特點。另外，在設計中一般可采用Q355B鋼材，采用較高等級的材料對梁抗剪能力的提高非常有用。（4）防腐、耐火等性能上好。利用混凝土天然優勢，減少油漆等維護工作。

2.3 節點構造細節

型鋼混凝土組合結構節點處的混凝土為整體澆筑，因此，節點構造主要集中在型鋼梁和型鋼柱的連接、鋼筋與型鋼柱的連接上。

型鋼混凝土梁中的縱向鋼筋和型鋼混凝土的柱子連接一般采用以下幾個方法。

（1）在柱內型鋼對應鋼筋處打孔。鋼筋穿孔洞，孔直徑大于縱向鋼筋直徑。

（2）增加鋼牛腿。鋼牛腿工廠焊接在鋼柱上，鋼筋現場焊接在鋼牛腿上。這種方法對于配筋數量較小的情況有良好的效果，且減少了鋼筋錨固量。

（3）混凝土梁端部加腋。在混凝土梁端加腋，增大了混凝土構件的寬度，從而減小與鋼柱連接的鋼筋數量。

（4）在型鋼柱上設置套筒。這種方法應用廣泛，施工也較為方便，本工程按該方案進行節點處理。另外，為了減少鋼筋與鋼柱連接的連接數量，設計時可以將混凝土柱內型鋼的翼緣寬度減小，同時增大腹板高度以獲得較大的慣性矩。節點構造上，可在鋼柱對應套筒位置設置加勁板，加勁板切角，然后和鋼柱腹板現場焊接連接。加勁板設置切角主要是為了避免焊接時應力集中。

混凝土梁中的拉筋也需要特殊處理，梁的拉筋設置有以下三種做法。

（1）在型鋼梁上穿孔；

（2）拉筋端部彎折，現場進行焊接，雙面焊接長度不小于5d；

（3）在梁的腹板兩側工廠焊接連接板，拉筋不穿過腹板，在現場直接焊接在連接板上。

考慮到第一種方法對型鋼梁腹板有削弱，第二種方法現場焊接量大，本工程采取第三種做法：在腹板兩側工廠焊接連接板，連接板的尺寸為70mm×50mm×6mm，材質為Q235B，混凝土梁的拉筋不穿過腹板，直接焊接在連接板上。

3 預應力混凝土梁在大跨度混凝土結構中的應用實例

3.1 實例介紹

本工程位于上海市區，建筑面積12700m2，地上十二層，建筑高度為45m，一層地下室。三層及以下長78.1m，寬21.5m；三層以上長53.5m，寬21.5m。底部兩層層高為4.5m，三層及以上層高為4.0m。底部三層柱子截面主要為800mm×800mm，三層～七層柱子截面主要為700mm×700mm，七層以上主要為

600mm×600mm。

在設計之初，考慮到結構體型較為規則，為了滿足建筑對使用空間的要求，避免剪力墻對使用的影響，本工程采用框架結構。設計使用年限為50年；安全等級為二級；耐火等級為二級。標準設防，場地類別為Ⅳ類，抗震等級：框架為二級（局部大跨度處為一級）。基本風壓為0.55kN/m2(n=50y)。地面粗糙度類別：B類。基本雪壓值：So=0.20kN/m2。

由于本工程有高低屋面，低屋面在第三層、4-8軸以東，高屋面在4-8軸以西。低屋面下絕大部分為鏤空區域。低屋面最大跨度為20.6m。在設計方案比選時，對梁的截面形式考慮過：（1）普通混凝土梁；（2）型鋼混凝土梁；（3）預應力梁。

由于跨度大，采取普通鋼筋混凝土梁時，需要的梁截面大，配筋多，不經濟，因此第一種方案不予考慮。

另外，由于該大跨度位于房屋端部，如采用型鋼梁難以和混凝土柱子形成剛性連接。為了達到剛接效果而在混凝土柱中增加型鋼，按著構造要求只能放下400mm高的型鋼，經過計算，400mm高的型鋼截面過小，需要增大柱子截面。且采用型鋼柱之后，柱腳設計也復雜，增大施工難度。綜上，第二種方案也不予考慮。

為了保證結構在較大屋面的荷載作用下有良好的抗變形和抗裂性能，本工程局部采取后張法有粘結預應力技術，即在4-8軸～4-11軸交4-B軸、4-C軸設置預應力梁，預應力梁混凝土強度等級為C40，預應力梁間距6.3m。預應力梁設置在低屋面屋頂，下面為會議廳，預應力梁跨度為20.6m，預應力梁截面為500mm×1300mm。與預應力垂直方向設置有300mm×600mm 混凝土次梁，次梁間距4.2m～3.75m不等。

預應力張拉控制應力1339MPa，采用一次超張拉（按3%）錨固工藝，梁內單根鋼絞線張拉控制力為193kN。采用外凸式錨具，張拉端均凸出120mm，再后澆C40 細石混凝土封錨，封錨區內設兩層直徑為8mm、間距為50mm箍筋網片。預應力梁內的有粘結預應力筋為2×10Φ15.2mm，預應力筋布置盡可能與荷載產生的彎矩一致，在屋面荷載產生彎矩較大的截面處，布置預應力筋時，盡可能是鋼筋在受拉邊緣，在本工程中預應力鋼筋在跨中時靠近下翼緣，支座處靠近上部。

目前本工程已投入使用，未見裂縫，各項指標良好。

3.2 預應力混凝土結構特點

一般情況下，在預應力混凝土結構中，常常會用預拉高強鋼筋的彈性回縮力，對混凝土結構施加一個預設的應力，從而使得混凝土在荷載作用下，以合適的應力狀態工作，克服混凝土受拉強度低的缺點，充分發揮混凝土受壓強度高的優點。

預應力鋼筋混凝土結構和普通鋼筋混凝土結構比較，具有以下優點。

（1）截面小，承載力高。由于預應力混凝結構采用的是高強度材料，在同等荷載作用下、同樣截面尺寸情況下用來抵抗相同彎矩所需要的鋼筋就小。（2）抗裂性性能好。對施加混凝土梁施加預應力之后，構件的裂縫出現會大大延遲。在外荷載作用下，混凝土梁不出現裂縫或者裂縫推遲出現，從而使得構件的剛度提高，增強了構件的耐久性。（3）結構安全性高。施加預應力實際上對預應力筋和混凝土進行了一次強度檢驗，如果材料能經得起預張拉，則可初步認為其在正常荷載作用下是可靠的。

由于曲線預應力筋的存在，混凝土梁在支座處所受到的剪力減小，預先施加的預壓應力使得主拉應力減小。

預應力混凝土也有以下缺點。

（1）工藝比較復雜，對施工單位要求高；

（2）對設備要求高，需要專門的設備；

（3）輔助材料較多，如導管、錨具等。

3.3 注意事項

（1）預應力筋鋪設施工時，預應力梁每1m（最大不超過1.5m）設置固定支架以保證預應力筋的曲線定位；（2）澆筑混凝土前進行電氣焊作業時，應采取可靠措施保護波紋管等預應力組件不受損傷，鋼絞線不得電焊、通電、搭接回路；（3）當預應力鋼絞線遇見洞口時，應使鋼絞線繞過洞口，曲線的曲率半徑＞6.5m，最小不得小于2m；（4）混凝土澆筑完成后，應加強預應力構件的養護，防止張拉前出現早期收縮裂縫；（5）預應力張拉需待達到設計張拉強度后方可進行，張拉對稱進行；（6）預應力施工單位應編制詳細的預應力施工及張拉方案，包括張拉順序及安全保證措施等。

4 混凝土折線形屋架在大跨度混凝土結構中的應用實例

4.1 實例介紹

本工程為上海市某地鐵停車場運用庫設計項目。建筑面積25860m2，地上一層，建筑高度為10m。運用庫采用框排架，柱子截面大多為400mm×600mm，柱子水平向間距6m，豎向間距18m。由于結構體型非常規則，考慮到施工方便、施工速度、模數化生產等要求，本工程采用鋼筋混凝土折線形屋架。設計使用年限為50年；安全等級為二級；耐火等級為二級。建筑抗震設防分類為標準設防（丙）類，抗震設防烈度為7 度，基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第二組。場地類別為Ⅳ類。抗震等級：框架為二級。基本風壓為0.55kN/m2(n=50y)。地面粗糙度類別：B類。基本雪壓值：So=0.20kN/m2。

由于該項目為地鐵停車場，如果采用鋼結構，后期油漆等維護較為不便。混凝土結構在防火性能上有天然優勢。采用混凝土折線形屋架，方便施工。

4.2 混凝土折線形屋架構造細節

該項目中，屋面采用鋼骨架輕型板，屋面板芯材厚度100mm，天溝板芯材厚度80mm。鋼骨架輕型屋面板與屋架上弦預埋件焊接點，每塊板不得少于三條。天溝板必須焊四條，焊縫長不得小于80mm，焊腳尺寸不得小于6mm。在設計該類屋面板時必須強調屋面板與屋架上弦的焊接構造措施，這樣才能從設計上保證地震作用下屋面板不發生錯位、移動。

為增強屋架在平面和空間的穩定性，屋架需設置水平支撐和垂直支撐。屋面上弦水平支撐設置在建筑物兩端、變形縫兩側和柱間支撐對應位置，屋面下弦水平支撐設置在建筑物兩端和變形縫兩側，整個建筑物在屋架端部和中間通長設置剛性系桿。

為了增強整體抗風、抗震能力本工程在每個區域設置兩道下柱支撐、四道上柱支撐，柱頂設置剛性系桿。在計算柱間支撐時，尤其要注意核對程序對支撐計算長度的計算，以免所選擇截面偏小。

另外，由于柱間支撐截面一般不大，而且數量少，但是所起作用非常大，對整體體系的穩定性有至關重要的作用，因此，適當加大柱間支撐的截面，對結構安全很有利。

目前本工程已竣工并投入使用，情況良好。

5 結束語

在進行大跨度混凝土結構設計時，可根據建筑對屋面材料的要求、屋面跨度的大小、建筑防火要求、后續維護方便性、施工周期等因素綜合考慮，選定合適的結構方案。