梁學(xué)元

（珠海九洲置業(yè)開發(fā)有限公司 珠海519000）

0 前言

為了提倡環(huán)保節(jié)能，國務(wù)院于2016年9月27日出臺(tái)《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，要求因地制宜發(fā)展裝配式建筑，力爭用10 年左右的時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%。目前，部分地區(qū)已形成了完善的裝配式建筑產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展勢頭非常樂觀［1］。裝配式建筑有多種類型，鋼-混凝土組合梁屬于其中一種，大力推廣及應(yīng)用鋼-混凝土組合梁具有必要性和前瞻性。

1 鋼-混凝土組合梁的優(yōu)勢

相較于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)及純鋼結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合梁能充分發(fā)揮鋼材和混凝土2 種材料受力特點(diǎn)。通過抗剪連接件將混凝土翼緣板與鋼梁組合成整體共同受力，由于有了混凝土翼緣板的參與，與鋼梁相比較，鋼-混凝土組合梁大大提高了剛度及承載力，因而具備節(jié)約材料、降低梁高、減少撓度、縮小裂縫等優(yōu)點(diǎn)。另外，與混凝土梁相比較，鋼-混凝土組合梁具有重量輕、構(gòu)件延性好、縮短施工周期、節(jié)約模板等優(yōu)勢［2］。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

某綜合辦公樓總建筑面積約13.7 萬m2，地上23層為商業(yè)+辦公樓，樓高99.6 m；地下為4 層停車場。結(jié)構(gòu)類型為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7 度，抗震等級為二級［3］。辦公樓區(qū)域的附加恒荷載為1.5 kN/m2；活荷載為 2.0 kN/m2［4］。為了響應(yīng)國家和地方提出節(jié)能環(huán)保的裝配式建筑政策，本工程在地上樓層采用鋼-混凝土組合梁樓蓋結(jié)構(gòu)，組合梁平面布置如圖1 所示。鋼梁采用工字型300 mm×550 mm×14 mm×20 mm（次梁）和300 mm×700 mm×16 mm×22 mm（主梁），均為Q345級鋼材；樓板采用120 mm厚C40混凝土現(xiàn)澆樓蓋；鋼梁與混凝土翼板的抗剪連接件采用2φ19@200栓釘，如圖2所示。

圖1 鋼-混凝土組合梁平面布置Fig.1 Plane Layout of Steel-concrete Composite Beam

圖2 鋼-混凝土組合梁剖面Fig.2 Steel-concrete Composite Beam Section

2.2 次梁

次梁僅承受樓面?zhèn)鱽淼呢Q向荷載，不參與結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)受力，所以次梁與柱的連接設(shè)置為鉸接，次梁受力及計(jì)算較為簡單。以最大跨度15 m的次梁作分析，梁上荷載計(jì)算所得的彎矩設(shè)計(jì)值M=1 454 kN·m，剪力設(shè)計(jì)值V=423 kN。經(jīng)計(jì)算，鋼-混凝土組合梁總高度為670 mm，混凝土翼緣板面積426 000 mm2，換算后截面積62 039 mm2，截面慣性矩2.71×109mm4，抗彎、抗剪承載力計(jì)算均滿足要求。撓度計(jì)算值為15.74 mm＜L/300=50 mm，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017-2017》［5］中規(guī)定的正常使用極限狀態(tài)要求。

2.3 主梁

主梁不僅承受樓面?zhèn)鱽淼呢Q向荷載，同時(shí)參與結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)受力，因此主梁與柱的連接設(shè)置為剛接。主梁最大跨度為15.5 m，梁上荷載作用下跨中正彎矩設(shè)計(jì)值M=987 kN·m，支座負(fù)彎矩設(shè)計(jì)值M=1 937 kN·m，剪力設(shè)計(jì)值V=787 kN。經(jīng)計(jì)算，鋼-混凝土組合梁總高度為820 mm，混凝土翼緣板面積263 000 mm2，換算后截面積 38 272 mm2，截面慣性矩 4.4×109mm4，跨中及支座處抗彎、抗剪承載力計(jì)算均滿足要求。撓度計(jì)算值為5.14 mm＜L/300=51 mm，滿足文獻(xiàn)［5］中規(guī)定的正常使用極限狀態(tài)要求。

2.4 抗剪連接件

組合梁之所以能成為一個(gè)整體而共同工作，是因?yàn)樵阡摿号c混凝土翼緣板之間設(shè)置了抗剪連接件，抵抗兩者在交界處引起的剪力及位移，因此，抗剪連接件設(shè)計(jì)是組合梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)［6］。由于栓釘相對于槽鋼和彎筋更為普遍且施工簡便，所以采用4.6級φ19栓釘作為抗剪連接件。根據(jù)文獻(xiàn)［5］中相關(guān)規(guī)定，一個(gè)栓釘?shù)某休d力設(shè)計(jì)值71.45 kN?？v向最大剪力Vs=min（A?s，behc1?c）=5 360 kN。所需栓釘總數(shù)個(gè)，采用2 列栓釘，縱向間距取200 mm，即采用2φ19@200 栓釘布置，實(shí)際配置栓釘總數(shù)為150 個(gè)＞75 個(gè)，滿足受力要求。上述計(jì)算公式適用于普通混凝土，近年來活性粉末混凝土（RPC）由于具有高強(qiáng)度、高韌性以及耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用到組合梁施工中，王衛(wèi)鋒等人［7］對鋼-活性粉末混凝土（RPC）組合梁栓釘抗剪承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示與文獻(xiàn)［5］公式計(jì)算所得結(jié)果相差較大。

2.5 梁柱節(jié)點(diǎn)

主梁作為框架的主要受力構(gòu)件，與柱的連接宜設(shè)置為剛接，以此提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，滿足抗側(cè)力承載力及水平位移控制的要求［8］。那么如何保證主梁與柱之間的內(nèi)力可靠傳遞，以及確保梁柱節(jié)點(diǎn)處具有足夠的強(qiáng)度將成為重中之重。

本工程聘請了清華大學(xué)結(jié)構(gòu)工程團(tuán)隊(duì)作為技術(shù)顧問，經(jīng)分析研究，并結(jié)合以往的工程實(shí)例，顧問團(tuán)隊(duì)建議梁柱剛接節(jié)點(diǎn)處采用鋼套筒加固處理，如圖3 所示。使用通用有限元軟件MSC.Marc 建立鋼筋混凝土柱與組合梁剛接節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型，經(jīng)加載計(jì)算分析后，根據(jù)梁柱節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力圖（見圖4），可見梁端鋼材已經(jīng)屈服，而鋼套筒應(yīng)力還是處于較低水平，保持足夠的延性；而且隨著鋼套筒高度的增加，結(jié)構(gòu)的耗能能力隨之加強(qiáng)；鋼套筒的存在可對節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土產(chǎn)生約束作用，反過來核心區(qū)混凝土的存在可防止鋼套筒屈曲，兩者相得益彰，突顯了兩種材質(zhì)的特點(diǎn)。故此，節(jié)點(diǎn)采用鋼套筒加固后，相比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)具有更好的承載力和抗震性能，實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)目標(biāo)［9］。梁柱節(jié)點(diǎn)的連接方式以及施工質(zhì)量極大地影響著節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，是裝配式結(jié)構(gòu)得以實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)［10］。本工程節(jié)點(diǎn)連接是采用鋼套筒外伸牛腿，再由牛腿與鋼梁螺栓連接，避免連接點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)內(nèi)造成不利影響。

圖3 主梁與柱節(jié)點(diǎn)剖面Fig.3 Main Beam and Column Joint Section

圖4 梁柱節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力Fig.4 Maximum Stress of Beam-column Joint

2.6 樓板

為了使樓層平面具有足夠的剛度，保證各抗側(cè)力構(gòu)件所承受的水平力按照其抗側(cè)剛度分配，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ3-2010》［11］規(guī)定，樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜的舒適度，故此樓板采用120 mm厚混凝土現(xiàn)澆樓蓋。利用有限元軟件Midas Gen 進(jìn)行分析，計(jì)算自振頻率時(shí)剛度按照自身剛度，質(zhì)量按照鋼梁、樓板自重、樓面恒載和1/2活載產(chǎn)生的等效質(zhì)量取值，計(jì)算結(jié)果顯示豎向振動(dòng)頻率為5.04 Hz，高于規(guī)范的3 Hz 舒適度要求。由此可見，鋼-混凝土組合梁樓蓋結(jié)構(gòu)具有較好的舒適度。

2.7 技術(shù)指標(biāo)對比

為了分析鋼-混凝土組合梁樓蓋的經(jīng)濟(jì)性，在結(jié)構(gòu)選型階段專門做了3 個(gè)方案進(jìn)行對比，分別是普通混凝土結(jié)構(gòu)樓蓋、鋼結(jié)構(gòu)樓蓋和鋼-混凝土組合梁樓蓋。經(jīng)分析，技術(shù)指標(biāo)對比如表1所示。由表1可知，采用鋼-混凝土組合梁樓蓋其梁高降低了約23%，有效改善了建筑空間，樓蓋自重也有明顯減輕，降低了大樓整體負(fù)荷，從而節(jié)約成本，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

表1 技術(shù)指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of Technical Indicators

2.8 防銹、防火

由于有混凝土樓板的保護(hù)作用，相對于純鋼結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合梁樓蓋其裸露鋼構(gòu)件的面積相對較少，對防銹防火有一定的優(yōu)勢。然而，裸露的鋼構(gòu)件需做好防銹防火措施，以此提高結(jié)構(gòu)的耐久性和建筑物壽命。其中防火措施尤為重要，因?yàn)榛馂?zāi)發(fā)生時(shí)，鋼構(gòu)件受熱會(huì)迅速失去承載能力，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)［12］。本工程防銹措施采用表面拋丸除銹達(dá)到Sa2.5級，后涂水性無機(jī)富鋅底漆，厚度為50×2μm，環(huán)氧云鐵中間漆，厚度為40×2μm，聚胺脂面漆，厚度為30×2μm。防火保護(hù)措施則采用厚型防火涂料，梁底外加防火吊頂進(jìn)行單面隔絕等方法。

3 結(jié)語

本文簡述了鋼-混凝土組合梁的優(yōu)勢，以具體工程實(shí)例描述了各個(gè)構(gòu)件的受力特點(diǎn)、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，力求做到設(shè)計(jì)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用。同時(shí)分析了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，突顯鋼-混凝土組合梁具有節(jié)約材料、降低造價(jià)、擴(kuò)大空間、縮短工期等諸多優(yōu)勢。隨著裝配式建筑的推廣及普及，鋼-混凝土組合梁的應(yīng)用將越來越廣泛，必將成為未來發(fā)展的趨勢。