馬智英

（建研航規(guī)北工（北京）工程咨詢有限公司，北京 100013）

對于鋼結構工程而言，混凝土地下室的剛度較大，地下室的頂板可以作為上部鋼結構的嵌固端，這樣，鋼結構的柱子只需深入到地下一層，并且采用鉸接的方式固定在地下一層的底板上。在這點上，設計和施工都不會存在太大的問題。問題的難點在于地下室頂板的梁與地下室柱的連接。鋼柱伸入到地下一層的混凝土柱中，實際上成為鋼骨混凝土柱，鋼骨的存在，給框架的節(jié)點的設計與施工帶來不少的麻煩。鋼骨混凝土的相關圖集《型鋼混凝土組合結構構造》（04SG523）推薦了兩種較好的做法，其中一種做法用得較多，以下對此進行簡單說明，并提出一些個人建議。

1 鋼骨混凝土的梁柱節(jié)點的常用做法

圖集中的第一種做法是采用在勁性鋼骨表面焊鋼套筒的方式。鋼套筒有內螺紋，現(xiàn)場施工時把鋼筋的端部套扣并擰入鋼套筒。鋼套筒與勁性柱的焊縫強度不小于與該鋼套筒連接的鋼筋的強度。該做法的優(yōu)點是連接整潔，操作也比較簡單，是我們推薦的做法。但是在和幾家施工單位合作中發(fā)現(xiàn)他們都不愿意采用該方案，因為鋼套管的成本較高，鋼筋兩端擰入鋼套筒的操作難度較大，速度也比較慢。

圖集中第二種做法是采用牛腿的方式。其中還有搭接和焊接兩種方式。

采用搭接的方法時，牛腿實際為一個與柱內鋼骨等強焊接的一個懸臂短梁。短梁的高度可取框架梁高的0.8倍，長度不小于2倍的框架梁高及梁的鋼筋的搭接長度二者的較大值。短梁的上、下翼緣需要焊抗剪栓釘，栓釘?shù)闹睆酵ǔ?9mm，間距不得大于200mm，栓釘?shù)揭砭夁吘壍木嚯x應小于50mm。牛腿短梁抗拉強度應和相應的鋼筋的強度相當，這樣，在節(jié)點處鋼筋搭接的范圍內，鋼筋的應力通過鋼筋與牛腿短梁之間的混凝土傳遞到牛腿短梁，進而傳到勁性柱上。該方案在施工現(xiàn)場簡單易行，但是牛腿短梁較長，且需在加工廠預先采用等強焊接的方式與勁性柱焊接完成，所以在運輸上有些不便。

采用焊接的方法時，牛腿短梁比采用搭接的方法要小得多。框架梁內的鋼筋焊在牛腿短梁的上下翼緣，焊縫的長度單面焊時為10d，雙面焊時為5d，牛腿短梁的長度也就可以根據(jù)這個原則確定。該方案運輸較為方便，但是當梁內配筋較多需要布置滿兩排鋼筋時，現(xiàn)場施工會遇到不便之處。由于鋼骨柱的鋼骨的保護層的厚度不得小于200mm，所以第二排鋼筋的邊緣鋼筋可以直接貫通鋼骨混凝土柱，但是中部的幾個鋼筋就必須與牛腿短梁的翼緣焊接。由于第一排鋼筋已經(jīng)和翼緣焊接了，所以第二排鋼筋只能與翼緣的另一側焊接，勢必有些鋼筋在現(xiàn)場時需要仰焊。為了避免仰焊，我們曾經(jīng)建議在加工廠就在牛腿短梁上焊上短鋼筋，現(xiàn)場只需進行鋼筋的搭接就可以了。但是，施工單位的鋼結構加工與鋼筋加工為兩個分包單位，在實際操作中會遇到分工不便的問題。

對此，筆者提出了另一種變通的焊接方案。牛腿短梁做成變截面的形式。但是在根部牛腿短梁翼緣截面應該大一些，它的強度等于兩排鋼筋的強度。在上排鋼筋焊接長度的末端開始按1∶3變截面，截面降至與第二排鋼筋相應的高度，第二排鋼筋仍然焊在翼緣的上表面，保持俯焊。這樣，在框架梁端部缺少第二排鋼筋的長度范圍內，缺少的鋼筋有牛腿的翼緣補償。該做法牛腿短梁雖然比焊接的方法略長，但遠小于搭接的方法，且避免了仰焊，是我們在實踐中探索出來的一種創(chuàng)新的方案。

2 鋼骨混凝土的設計中的注意事項

（1）框架梁中的鋼筋不得直接焊在鋼骨柱的翼緣上，并且鋼骨柱的翼緣不得開孔，即鋼筋不得穿過翼緣。鋼骨柱的腹板可以開孔，但是開孔率應小于腹板面積的20%。

（2）如果框架梁也有鋼骨，或者框架梁的牛腿短梁的長度超出框架柱的截面范圍，就需要設計人員認真排布梁和柱的主筋，并且在鋼骨梁或牛腿短柱的翼緣上開孔，以便框架柱的主筋通過。由此可見，鋼骨混凝土的設計要比單純的混凝土框架結構的設計繁瑣得多。

近年來我們設計的鋼結構和鋼骨混凝土結構較多并且積累了一定的經(jīng)驗，下面以某個大型鋼骨混凝土結構為例對鋼骨混凝土結構的設計要點進行論述。

3 某大型型鋼混凝土結構工程的概況

某建筑在結構上的總體特點是具有大跨度、大空間的混凝土結構，建筑的外圍框架柱沿9°的角度向上收進直至屋頂。首層的層高為9m，凈高必須高于7m，框架柱的截面尺寸大部分限制在1100mm以內。2～6層的層高為4m，凈高不得小于3.1m，框架柱的截面尺寸不得超出800mm。首層、第2層為汽車研發(fā)用的實驗區(qū)，所以包含了各種較大的荷載和較重設備，其中首層有6臺10～20t的橋式起重機和若干臺3～5t的懸掛起重機；第2層布置了各種汽車檢測設備。樓面設計荷載的標準值為4kN/m2。首層空間較大，框架的最大跨度達到30m，并且為上部結構的轉換梁，承托上部4層的荷載，但最大梁高限制在2m以內。第2層框架的最大跨度為15m，梁高限制在0.9m以內。3～6層為辦公區(qū)，但由于建筑造型和使用空間的要求，3～6層層層縮進，在縮進的過程中不斷地變化結構的布局，形成很多局部抽柱的格局，從而許多地方的跨度甚至達到20m，但梁高限制始終不得超過0.9m。尤其在第5層時，建筑縮進為由一個跨度為55m的連廊連接起來兩個獨立的部分。該建筑的場地土的室外自然地坪比土0.000要低3～4m，這也給設計工作增加了不少難度。

由以上的描述可以得出該工程的結構設計有以下幾點注意事項：

（1）大跨度轉換結構，同時梁高受到限制，采用普通混凝土結構無法滿足要求，所以采用了鋼骨混凝土加預應力的措施解決大跨度轉換梁的承載力和變形的問題。柱截面也有尺寸的限制，所以大跨度框架柱也采用鋼骨混凝土柱的方式。鋼骨混凝土結構的主要設計構造前面已經(jīng)做了論述，這里說一下采用預應力的問題。30m的轉換結構，梁高僅有2m，或15～20m的框架梁，梁高僅為0.9m。采用鋼骨后雖然可以解決承載力的問題，但是撓度和裂縫仍然無法控制，最終我們采用了二級預應力的方法控制大跨度梁的變形問題。之所以采用二級預應力是因為強度已經(jīng)由鋼骨解決了，只需控制裂縫就可以了，這樣有利于減少配筋及方便施工。鋼骨混凝土結構設計另一個需要強度的重點是，不論柱或梁，在由鋼骨混凝土向普通混凝土轉換的層或跨均需設過渡層或過渡跨。如下層是鋼骨混凝土柱，上層為普通混凝土柱，第一個無需鋼骨的樓層應為過渡層，過渡層內的鋼骨按構造配置，同時設抗剪栓釘，栓釘?shù)拈g距不得大于200mm，栓釘?shù)倪吘嗖坏么笥?00mm。又如，與鋼骨梁相鄰的第一跨非鋼骨梁，必須在有鋼骨深入該跨1/4跨度，并且在由支座到鋼骨截斷處以外的2倍梁高范圍內均應箍筋加密，同時鋼骨上還要設置栓釘。

（2）外圍框架柱均沿9°向上傾斜，所以在柱底會產(chǎn)生水平拉力。與之相連的框架梁的配筋就必須考慮拉力的影響，梁的上鐵鋼筋需要大部分貫通，箍筋沿全長加密。

（3）首層層高大而抽柱較多，在計算中發(fā)現(xiàn)首層的層間位移達到了1/430，遠遠達不到規(guī)范的要求。針對該問題我們在首層的樓梯間兩側設置了部分剪力墻，這些剪力墻僅僅用來減少層間位移，并不參與抵抗結構的水平力，所以該剪力墻的抗震等級可以僅按三級設計。這就要求框架的配筋不考慮剪力墻的影響，或取帶剪力墻與不帶剪力墻兩種計算結構的較大值。

（4）在第5層，連接的兩個部分的大跨橋采用空腹桁架結構。采用空腹桁架結構的原因是建筑對橋的造型有要求，不容許出現(xiàn)斜腹桿?？崭硅旒艿母叨仁墙Y構層的整層高度，要求在空腹桁架部位兩側的板、梁同時施工，否則會使空腹桁架的上弦和豎桿以及上層樓層的荷載作為外荷載全部加到空腹桁架的下弦桿上，最終結構的實際受力狀態(tài)與設計的假定模式不符從而會導致工程事故的發(fā)生。

（5）該建筑采用條形基礎，基礎的底標高為-6.500m。由于沒有地下室，由基礎到土0.000之間按照框架進行設計而沒有采用傳統(tǒng)的基礎短柱的方案。之所以這樣做是由以下幾個原因決定的：①室外自然地坪與土0.000的高差多達3～4m，根據(jù)地勘，持力層基本在-6.5m。②建筑設計院設計的民用部分有一層地下室和地下車庫。整個建筑的上部雖然由伸縮縫劃分為7個部分，但是地下部分很難完全分開，為保證地下部分的整體性，我們設計的部分也采用整體基礎。所以首先排除了獨立基礎的方案。但是若采用筏板基礎，在筏板整個筏板上需要回填厚的填土并夯實，筏板基礎僅在這些土重的條件下就已經(jīng)把天然持力層的承載力用盡了，在考慮上部結構的傳至基礎的力，地基需要處理到非常高的強度，這幾乎不可行。采用樁基方案會大大增加了施工的費用。經(jīng)過反復斟酌，最終選用了條形基礎的方案，圓滿地解決了上述的兩個問題。③我們設計的部分雖然沒有地下室，但是局部有非常深的設備基坑，這些設備基坑的外圍尺寸往往沿著框架柱的軸線，如果采用基礎短柱的方案，會因為短柱的尺寸較大而擠掉了很多基坑的使用空間，這是工藝絕對不準許的。④當?shù)叵虏糠植捎每蚣茉O計時需要確定結構底部的嵌固的位置。這個工程由于只有局部地下室，可以直接判斷出地下一層的剛度不會大于首層剛度的2倍，嵌固端不會在土0.000。但是我們的判斷還是應該基于整體計算的結果。⑤處理后的地基承載力為300kPa，相應基床反力系數(shù)應不小于50000，并且采用考慮上部剛度的方法進行計算，這樣能夠減少一些基礎配筋。

4 結論

在比較復雜的工程中采用鋼骨混凝土結構可以解決許多結構設計中的難題，滿足建筑專業(yè)的需求，但是在選擇結構方案的同時要充分考慮施工的可行性和可靠性，這樣才能使設計理念得以充分的實現(xiàn)。