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        型鋼混凝土在大跨度懸臂梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

        2013-08-26 06:09:06董大勇
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計

        董大勇

        【摘 要】在一些高大跨度的項目施工過程中,施工的混凝土組合梁是施工的重中之重。本文以我國的大型跨度的挑梁工程為例,重點(diǎn)介紹了在大型梁施工過程中應(yīng)該注意的問題,并結(jié)合當(dāng)前的建筑水平,對剛型混凝土在大梁中的使用提出了探索性的研究課題,為了使我國的建筑行業(yè)擁有更加美好的前景,需要對大型跨度的建筑結(jié)構(gòu)綜合分析,獲得最佳的綜合效益。

        【關(guān)鍵詞】型鋼混凝土;大跨度懸挑梁;結(jié)構(gòu)設(shè)計

        和傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料相比,型鋼作為一種新興的建筑材料有著眾多的優(yōu)勢,不僅可以節(jié)約建材,增加截面的堅硬程度,可以讓耐火性和耐腐蝕性更強(qiáng),從而保證建筑的穩(wěn)定性和使用壽命。這是因為型鋼中各種配鋼率有所不同,比一般結(jié)構(gòu)的鋼材剛賠率大,甚至可以達(dá)到一倍以上。因此,為了保證整體的建筑質(zhì)量,需要做好性能延伸方面的問題,改善鋼筋混凝土的脆性,保證整體的抗震性結(jié)構(gòu),使其結(jié)構(gòu)更加的持久耐用。

        0.工程概況

        我國某處的商業(yè)中心,辦公樓集聚。一般的辦公樓的建筑面積較大,通常會設(shè)置有地下兩層機(jī)構(gòu),作為地上樓層的附屬樓層,地下樓層一般是車位或是地下商場等結(jié)構(gòu)類 型,在建筑的水平方面,需要和地上的樓層一樣,而且辦公樓的建筑性能和壽命一般在50年左右,這和住宅比起來,使用壽命較短,但是所需要的建材結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,和傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,這種建筑大部分采用的是剪刀墻的結(jié)構(gòu)類型,配合局部混凝土的機(jī)構(gòu)形式,抗震等級方面務(wù)必做到8級設(shè)防,才能夠保證基本的抗震要求。根據(jù)大型的抗震等級規(guī)范設(shè)計,我國的大型結(jié)構(gòu)的建筑一般會在其主體結(jié)構(gòu)處設(shè)置剪刀墻,來保證建筑物的穩(wěn)定性。

        根據(jù)建筑方案大型會議室要求從A軸往外出挑8.1m,根據(jù)《北京市建筑設(shè)計技術(shù)細(xì)則》表5.1.1-3中對懸挑梁高度的要求為h=L/5~L/7, 故此處挑梁高應(yīng)為1.15~1.60m。本工程由于建筑投資、造型功能等方面的要求,梁高限為0.8~1.0m。如何完成這一大跨度懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計,是對結(jié)構(gòu)工程師的挑戰(zhàn)。

        1.低高大跨度懸臂梁的設(shè)計

        (1)在大跨度建筑中,普遍使用的是低而高的大型跨度的橫梁設(shè)計結(jié)構(gòu),這種設(shè)計結(jié)構(gòu)在選型和橫截面的布置方面,都需要承擔(dān)較大的剪刀力,因此,在設(shè)計的過程中,需要首先對所選取的鋼筋和混凝土進(jìn)行配置型鋼,同時,采取型鋼腹板的承載能力,可以大幅度的提高整體的承載力,改善了鋼型結(jié)構(gòu)的脆弱類型,使其具有更好的延展性及耗能性。

        經(jīng)比選,確定懸臂梁采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計方案。以截面抗剪承載力作為控制條件,確定型鋼混凝土懸臂梁KHL106,KHL206 的截面尺寸為600mm×800mm,內(nèi)部為工字型鋼梁。同時根據(jù)《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》的要求,取經(jīng)濟(jì)含鋼率4.5%,即型鋼面積約為21600mm2,實配型鋼面積采用20600mm2。型鋼的出挑長度根據(jù)懸臂梁彎矩包絡(luò)圖確定,取梁軸線長度的70%。梁體內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級為C30,型鋼采用Q235B。

        在懸臂梁的實施中,和傳統(tǒng)的懸梁方式有所不同,其計算的結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)擴(kuò)大10%,這也就意味著橫截面的面積和側(cè) 拉的鋼筋承受能力在下降,受壓側(cè)鋼筋的承受能力在縮小。一般來說,鋼筋的配筋率有具體的要求,而在上下梁和鋼筋的擺放位置上,需要和中型梁相互匹配,確保柱主筋和箍筋之間的有效性,同時按照相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計,確保合理的布置。

        (2)低高大跨度懸臂梁的抗剪連接。

        將型鋼放置于梁的上部, 可較好地發(fā)揮型鋼材料的抗拉性能, 但型鋼上翼緣混凝土的界面間存在較大的剪應(yīng)力,極可能產(chǎn)生相對滑移,因而抗剪連接件成為型鋼混凝土組合梁充分發(fā)揮各材料性能的關(guān)鍵。本工程為避免型鋼與混凝土接觸面滑移, 在型鋼上下翼緣處間隔150mm設(shè)置兩排直徑19mm、長80mm的剪力釘。剪刀釘?shù)脑O(shè)計過程需要專業(yè)人員進(jìn)行,首先對施工現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行勘察,確定剪刀釘?shù)幕镜囊?guī)格,然而通過對現(xiàn)場所需的剪刀釘?shù)臋C(jī)器設(shè)備的測試,保證剪刀釘按照圖紙的要求進(jìn)行設(shè)計,不可出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象,而在剪刀釘?shù)墓芾磉^程管理過程中,施工人員需要對現(xiàn)場環(huán)境做好勘查,確保項目能夠在工期內(nèi)完成,同時確保工程質(zhì)量和施工人員的基本素質(zhì)水平,保證基本的建筑進(jìn)度,是建筑師需要重點(diǎn)做好的問題。

        (3)低高大跨度懸臂梁的承載力計算。

        在確定挑梁尺寸后,通過可能出現(xiàn)的不利情況進(jìn)行分析, 找出最不利的一組內(nèi)力值進(jìn)行截面驗算。同時發(fā)現(xiàn)對民用建筑結(jié)構(gòu)中的長懸臂構(gòu)件而言,豎向地震作用不是結(jié)構(gòu)的最終控制內(nèi)力。同時, 取最不利荷載組合工況下的內(nèi)力, 利用ABAQUS軟件對本懸臂梁進(jìn)行有限元分析。分析的過程要做到科學(xué)合理,選用設(shè)計水平過硬的專業(yè)人士進(jìn)行分析,確保數(shù)據(jù)的精確有效性,同時在做好這一分析之后,需要對內(nèi)力組合進(jìn)行抗震能力的測試,每個建筑物都需要取樣調(diào)查,才能夠保證基本的建筑不受外在環(huán)境的影響和損壞,保證基本的建筑結(jié)構(gòu)堅固性,是每個設(shè)計師工作的重點(diǎn)。

        其中,型鋼和混凝土采用三維8節(jié)點(diǎn)實體單元模擬,鋼筋采用線性三維桁架單元模擬。采用嵌入技術(shù)模擬鋼筋,型鋼與混凝土之間的相互作用,不考慮滑移等因素的影響。通過在懸臂梁上施加均布荷載, 梁端施加集中荷載的方式模擬最不利工況下構(gòu)件的荷載條件, 可以看出懸臂梁約束端混凝土應(yīng)力較大,最大值為7.64MPa,低于C30混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值14.3MPa;懸臂梁端縱向鋼筋受拉應(yīng)力最大值為5.10MPa, 遠(yuǎn)低于其抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。從型鋼應(yīng)力分布圖中可以看出無約束端型鋼所分擔(dān)的內(nèi)力已經(jīng)很小, 故從經(jīng)濟(jì)上考慮可適當(dāng)縮短型鋼長度。另從懸臂梁內(nèi)應(yīng)力的矢量分布可看出型鋼與鋼筋骨架能很好地協(xié)調(diào)工作,共同承擔(dān)荷載。從各個角度進(jìn)行懸臂梁的施工和數(shù)據(jù)的分析,保證項目在可行的范圍內(nèi)有序的發(fā)展,同時保證經(jīng)濟(jì)效益,確保施工安全。

        (4)低高大跨度懸臂梁的裂縫和撓度驗算按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 138-2001)第5.2.2條驗算裂縫寬度,KHL106梁在充分考慮裂縫寬度分布的不均勻性和荷載長期效應(yīng)組合影響的最大裂縫寬度ωmax為0.29mm,而規(guī)范規(guī)定的允許值[ω]為0.3mm,滿足規(guī)范要求。按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(GB 138-2001)第5.2.3條驗算撓度,KHL106梁的縱向收拉鋼筋的配筋率ρ=1.5%時,在充分考慮荷載短期效應(yīng)和長期效應(yīng)組合作用下的最大撓度為49.496mm,而規(guī)范規(guī)定的允許撓度[f]為l0/250=64mm,滿足規(guī)范要求。

        2.結(jié)語

        總而言之,在進(jìn)行鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)的施工時,需要對其抗震等級進(jìn)行測定,同時合理的配比含鋼率,確?;炷林梢赃_(dá)到合適的配鋼需要。一般來說,鋼板的厚度不宜過高,需要按照相關(guān)的規(guī)定進(jìn)行設(shè)置。最后,在施工的整體過程中,都要考慮到各個方面的協(xié)調(diào)問題,確保各種銜接的有效率,從而保證整體項目的順利進(jìn)行。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]北京市建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化辦公室.北京市建筑設(shè)計技術(shù)細(xì)則(結(jié)構(gòu)專業(yè))[M].北京:中國計劃出版社,2003.

        [2]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

        [3]YB9082-1997.鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程.北京:冶金工業(yè)出版社,1997.

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