大跨度钢筋混凝土结构工程应用探讨
时间：2023-01-19 19:40:19 来源：天一资源网 本文已影响 人 
黄明超 上海申建工程设计院有限公司
随着建筑使用功能的多样化，经常要用到大空间，如展览馆的顶部、会议厅的屋面、地铁站房等。大跨度空间可以根据工程实际情况，通过型钢混凝土梁、预应力混凝土梁、钢筋混凝土折线形屋架等来实现。
2.1 实例介绍
本工程为某规划馆，地上两层，地下一层，建筑高度为15m。地上建筑面积9300m2，纵横两个方向长度均为76m，地下建筑面积13200m2，设计使用年限为100 年；
安全等级为一级；
耐火等级为一级。建筑抗震设防分类为重点设防（乙）类，抗震设防烈度为6度，基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第二组。场地类别为Ⅱ类。抗震等级：框架为三级（局部大跨度处为二级）。基本风压为0.45kN/m2（n=100y）。地面粗糙度类别：B 类。基本雪压值：So=0.50kN/m2。单体造型上由正方形演化而来，在角部进行均匀挤压，使得形体变化均匀。幕墙构架最大外挑长度为4.1m。
该规划馆采用混凝土框架结构。±0.000 标高处中间部分为城市沙盘主展区，沙盘主展区下部柱子伸到±0.000 为止，使得该区域在上部形成大空间结构。本节主要对城市沙盘主展区进行重点介绍，该区域屋面纵横两个方向跨度均为42m。考虑到建筑对屋面做法的要求，本工程屋面采取钢筋混凝土屋面。按这个要求，在设计方案阶段，考虑过使用普通混凝土梁，但是由于该屋面恒荷载较大、梁跨度较大，使得梁截面大、配筋多，从而导致结构自重增大，不经济，不采用该方案。经比较，采用在屋面纵横双向布置型钢混凝土梁的方案，能较好地满足承载力和变形要求。
本工程采用型钢混凝土梁截面均为500mm×2000mm，间距为8.4m，内置H 型钢1700mm×250mm×25mm×32mm；
型钢混凝土梁之间设置300mm×750mm 混凝土梁，将板格划分成4.2m×4.2m。型钢梁材质为Q355B，混凝土梁强度等级为C35，钢梁上下翼缘均设置栓钉，栓钉直径为19mm，纵向间距为200mm，型钢混凝土梁抗震等级为二级。钢筋强度等级为HRB400。
经过计算在长期荷载作用下，型钢混凝土梁跨中最大挠度为103.1mm，梁按跨度1/1000 起拱，反拱值为42mm。
为实现梁柱刚接，型钢混凝土梁两端的柱子采取型钢混凝土柱，形成型钢混凝土组合结构。在钢柱顶部工厂焊接长度为700mm 的悬臂梁，悬臂梁的截面和材质与型钢梁相同。型钢梁和悬臂梁采用栓焊连接方式实现刚接，腹板采用10.9 级M20 摩擦型高强螺栓连接。
实际构造中，型钢混凝土柱中的箍筋可以设置成菱形，菱形四边与柱最外侧箍筋在同一竖向平面内，便于施工。
本工程主体结构已施工完毕，状况良好。
2.2 型钢混凝土组合结构优点
（1）含钢率上限高。《组合结构设计规范》对于型钢柱的规定：型钢混凝土框架柱的含钢率不宜大于15%（第6.1.1条）；
对于型钢梁的规定：混凝土的保护层厚度不小于100mm。实际设计过程中，一般可按混凝土梁的高度减去300mm 作为型钢梁的高度，型钢梁的腹板可设置较薄，减少用钢量。
（2）承载能力高。采用了型钢混凝土构件的建筑，由于提高了承载力，因而可以减小构件截面，从而增加了建筑使用面积，达到良好的经济效益。另外，由于采取了型钢混凝土梁，整个建筑自重减轻，地震作用对建筑的影响也有所减小。
（3）材料的特性利用充分。该结构形式充分利用了混凝土抗压强度高和钢材抗拉强度高的特点。另外，在设计中一般可采用Q355B钢材，采用较高等级的材料对梁抗剪能力的提高非常有用。（4）防腐、耐火等性能上好。利用混凝土天然优势，减少油漆等维护工作。
2.3 节点构造细节
型钢混凝土组合结构节点处的混凝土为整体浇筑，因此，节点构造主要集中在型钢梁和型钢柱的连接、钢筋与型钢柱的连接上。
型钢混凝土梁中的纵向钢筋和型钢混凝土的柱子连接一般采用以下几个方法。
（1）在柱内型钢对应钢筋处打孔。钢筋穿孔洞，孔直径大于纵向钢筋直径。
（2）增加钢牛腿。钢牛腿工厂焊接在钢柱上，钢筋现场焊接在钢牛腿上。这种方法对于配筋数量较小的情况有良好的效果，且减少了钢筋锚固量。
（3）混凝土梁端部加腋。在混凝土梁端加腋，增大了混凝土构件的宽度，从而减小与钢柱连接的钢筋数量。
（4）在型钢柱上设置套筒。这种方法应用广泛，施工也较为方便，本工程按该方案进行节点处理。另外，为了减少钢筋与钢柱连接的连接数量，设计时可以将混凝土柱内型钢的翼缘宽度减小，同时增大腹板高度以获得较大的惯性矩。节点构造上，可在钢柱对应套筒位置设置加劲板，加劲板切角，然后和钢柱腹板现场焊接连接。加劲板设置切角主要是为了避免焊接时应力集中。
混凝土梁中的拉筋也需要特殊处理，梁的拉筋设置有以下三种做法。
（1）在型钢梁上穿孔；
（2）拉筋端部弯折，现场进行焊接，双面焊接长度不小于5d；
（3）在梁的腹板两侧工厂焊接连接板，拉筋不穿过腹板，在现场直接焊接在连接板上。
考虑到第一种方法对型钢梁腹板有削弱，第二种方法现场焊接量大，本工程采取第三种做法：在腹板两侧工厂焊接连接板，连接板的尺寸为70mm×50mm×6mm，材质为Q235B，混凝土梁的拉筋不穿过腹板，直接焊接在连接板上。
3.1 实例介绍
本工程位于上海市区，建筑面积12700m2，地上十二层，建筑高度为45m，一层地下室。三层及以下长78.1m，宽21.5m；
三层以上长53.5m，宽21.5m。底部两层层高为4.5m，三层及以上层高为4.0m。底部三层柱子截面主要为800mm×800mm，三层～七层柱子截面主要为700mm×700mm，七层以上主要为
600mm×600mm。
在设计之初，考虑到结构体型较为规则，为了满足建筑对使用空间的要求，避免剪力墙对使用的影响，本工程采用框架结构。设计使用年限为50年；
安全等级为二级；
耐火等级为二级。标准设防，场地类别为Ⅳ类，抗震等级：框架为二级（局部大跨度处为一级）。基本风压为0.55kN/m2(n=50y)。地面粗糙度类别：B类。基本雪压值：So=0.20kN/m2。
由于本工程有高低屋面，低屋面在第三层、4-8轴以东，高屋面在4-8轴以西。低屋面下绝大部分为镂空区域。低屋面最大跨度为20.6m。在设计方案比选时，对梁的截面形式考虑过：（1）普通混凝土梁；
（2）型钢混凝土梁；
（3）预应力梁。
由于跨度大，采取普通钢筋混凝土梁时，需要的梁截面大，配筋多，不经济，因此第一种方案不予考虑。
另外，由于该大跨度位于房屋端部，如采用型钢梁难以和混凝土柱子形成刚性连接。为了达到刚接效果而在混凝土柱中增加型钢，按着构造要求只能放下400mm高的型钢，经过计算，400mm高的型钢截面过小，需要增大柱子截面。且采用型钢柱之后，柱脚设计也复杂，增大施工难度。综上，第二种方案也不予考虑。
为了保证结构在较大屋面的荷载作用下有良好的抗变形和抗裂性能，本工程局部采取后张法有粘结预应力技术，即在4-8轴～4-11轴交4-B轴、4-C轴设置预应力梁，预应力梁混凝土强度等级为C40，预应力梁间距6.3m。预应力梁设置在低屋面屋顶，下面为会议厅，预应力梁跨度为20.6m，预应力梁截面为500mm×1300mm。与预应力垂直方向设置有300mm×600mm 混凝土次梁，次梁间距4.2m～3.75m不等。
预应力张拉控制应力1339MPa，采用一次超张拉（按3%）锚固工艺，梁内单根钢绞线张拉控制力为193kN。采用外凸式锚具，张拉端均凸出120mm，再后浇C40 细石混凝土封锚，封锚区内设两层直径为8mm、间距为50mm箍筋网片。预应力梁内的有粘结预应力筋为2×10Φ15.2mm，预应力筋布置尽可能与荷载产生的弯矩一致，在屋面荷载产生弯矩较大的截面处，布置预应力筋时，尽可能是钢筋在受拉边缘，在本工程中预应力钢筋在跨中时靠近下翼缘，支座处靠近上部。
目前本工程已投入使用，未见裂缝，各项指标良好。
3.2 预应力混凝土结构特点
一般情况下，在预应力混凝土结构中，常常会用预拉高强钢筋的弹性回缩力，对混凝土结构施加一个预设的应力，从而使得混凝土在荷载作用下，以合适的应力状态工作，克服混凝土受拉强度低的缺点，充分发挥混凝土受压强度高的优点。
预应力钢筋混凝土结构和普通钢筋混凝土结构比较，具有以下优点。
（1）截面小，承载力高。由于预应力混凝结构采用的是高强度材料，在同等荷载作用下、同样截面尺寸情况下用来抵抗相同弯矩所需要的钢筋就小。（2）抗裂性性能好。对施加混凝土梁施加预应力之后，构件的裂缝出现会大大延迟。在外荷载作用下，混凝土梁不出现裂缝或者裂缝推迟出现，从而使得构件的刚度提高，增强了构件的耐久性。（3）结构安全性高。施加预应力实际上对预应力筋和混凝土进行了一次强度检验，如果材料能经得起预张拉，则可初步认为其在正常荷载作用下是可靠的。
由于曲线预应力筋的存在，混凝土梁在支座处所受到的剪力减小，预先施加的预压应力使得主拉应力减小。
预应力混凝土也有以下缺点。
（1）工艺比较复杂，对施工单位要求高；
（2）对设备要求高，需要专门的设备；
（3）辅助材料较多，如导管、锚具等。
3.3 注意事项
（1）预应力筋铺设施工时，预应力梁每1m（最大不超过1.5m）设置固定支架以保证预应力筋的曲线定位；
（2）浇筑混凝土前进行电气焊作业时，应采取可靠措施保护波纹管等预应力组件不受损伤，钢绞线不得电焊、通电、搭接回路；
（3）当预应力钢绞线遇见洞口时，应使钢绞线绕过洞口，曲线的曲率半径＞6.5m，最小不得小于2m；
（4）混凝土浇筑完成后，应加强预应力构件的养护，防止张拉前出现早期收缩裂缝；
（5）预应力张拉需待达到设计张拉强度后方可进行，张拉对称进行；
（6）预应力施工单位应编制详细的预应力施工及张拉方案，包括张拉顺序及安全保证措施等。
4.1 实例介绍
本工程为上海市某地铁停车场运用库设计项目。建筑面积25860m2，地上一层，建筑高度为10m。运用库采用框排架，柱子截面大多为400mm×600mm，柱子水平向间距6m，竖向间距18m。由于结构体型非常规则，考虑到施工方便、施工速度、模数化生产等要求，本工程采用钢筋混凝土折线形屋架。设计使用年限为50年；
安全等级为二级；
耐火等级为二级。建筑抗震设防分类为标准设防（丙）类，抗震设防烈度为7 度，基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第二组。场地类别为Ⅳ类。抗震等级：框架为二级。基本风压为0.55kN/m2(n=50y)。地面粗糙度类别：B类。基本雪压值：So=0.20kN/m2。
由于该项目为地铁停车场，如果采用钢结构，后期油漆等维护较为不便。混凝土结构在防火性能上有天然优势。采用混凝土折线形屋架，方便施工。
4.2 混凝土折线形屋架构造细节
该项目中，屋面采用钢骨架轻型板，屋面板芯材厚度100mm，天沟板芯材厚度80mm。钢骨架轻型屋面板与屋架上弦预埋件焊接点，每块板不得少于三条。天沟板必须焊四条，焊缝长不得小于80mm，焊脚尺寸不得小于6mm。在设计该类屋面板时必须强调屋面板与屋架上弦的焊接构造措施，这样才能从设计上保证地震作用下屋面板不发生错位、移动。
为增强屋架在平面和空间的稳定性，屋架需设置水平支撑和垂直支撑。屋面上弦水平支撑设置在建筑物两端、变形缝两侧和柱间支撑对应位置，屋面下弦水平支撑设置在建筑物两端和变形缝两侧，整个建筑物在屋架端部和中间通长设置刚性系杆。
为了增强整体抗风、抗震能力本工程在每个区域设置两道下柱支撑、四道上柱支撑，柱顶设置刚性系杆。在计算柱间支撑时，尤其要注意核对程序对支撑计算长度的计算，以免所选择截面偏小。
另外，由于柱间支撑截面一般不大，而且数量少，但是所起作用非常大，对整体体系的稳定性有至关重要的作用，因此，适当加大柱间支撑的截面，对结构安全很有利。
目前本工程已竣工并投入使用，情况良好。
在进行大跨度混凝土结构设计时，可根据建筑对屋面材料的要求、屋面跨度的大小、建筑防火要求、后续维护方便性、施工周期等因素综合考虑，选定合适的结构方案。
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