型钢混凝土在大跨度结构中的应用
摘要：本文主要探讨了型钢混凝土在大跨度结构中的应用，对型钢混凝土构件与普通混凝土结构在承载能力极限状态与正常使用极限状态下的性能进行比较，并对梁柱节点构造进行了探讨。
关键词：型钢混凝土极限承载力挠度节点构造
型钢混凝土（SRC）结构简介
1.1型钢混凝土结构的特点
（1）SRC结构承载能力高、刚度大。
SRC构件的内部型钢与外包混凝土形成整体、共同受力，其受力性能优于这两种结构的简单叠加。
且克服钢结构耐火性、耐久性差及易屈曲失稳等缺点，使型钢性能得以充分发挥，并能充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能。
（2）SRC结构抗震性能好。
外包混凝土对型钢形成较强的约束作用，可防止型钢的局部屈曲，提高型钢骨架的整体刚度和抗扭能力。
由于配置了型钢，大大提高了构件的承载力，尤其是采用实腹型钢的SRC构件，其抗剪承载力有很大提高，并大大改善了受剪破坏时的脆性性质，使之具有比钢筋混凝土结构构件更好的延性和耗能性能，体现出优良的抗震性能。
（3）SRC结构综合经济效益好。
由于SRC结构能充分利用混凝土抗压性能好的优点，与钢结构相比可节省约1/3的钢材，同时没有钢结构防锈、防腐蚀、防火性能差，需要经常维护的缺点。
与钢筋混凝土结构相比，相同的承载能力情况下，截面更小，自重更轻，布置更灵活。
1.2现阶段存在的问题
（1）施工难度较大。
SRC结构为型钢周围布置钢筋，并浇筑混凝土的结构，需要在有限的构件截面内按照图纸的要求准确放置型钢、纵筋、箍筋，尤其是梁柱节点部位，梁主筋需要解决与柱内型钢相交的问题，而柱主筋也需要解决与梁内型钢相交的问题，此外还有柱箍筋的套箍问题，箍筋在节点区内与型钢的相交问题。
各种钢筋交叉、穿孔，对精度要求很高，对设计、施工人员的素质要求也很高。
（2）施工组织要求高。
SRC构件多见于结构的重要部位，如转换结构或大跨结构、超高结构，本身施工难度就已较大，而SRC构件又要求以先型钢安装-后绑扎钢筋-再浇捣的顺序的施工，工序多，专业多，要求高。
对各工种协调、进场顺序，吊装设备，人员施工空间等等在时间上、空间上、人员进退场安排上都提出了很高的要求。
工程实例
概况
本工程为大型会议中心，地下两层，地上四层。
室内空间复杂，在各层布置多个大小会议室，最大跨度达到25.8m。
并且由于业主的要求，屋顶具有屋顶花园的功能。
因此某些部位的梁具有跨度大，受荷大的特点。
经过多方案的比较，决定采用在钢筋混凝土框架结构的基础上，在重要部位构件使用型钢混凝土梁柱的方案。
图一：屋顶层结构布置图
型钢混凝土构件截面设计
从图一可以看出，仅在顶层，就设置有四片大空间，梁跨度均在25~26m 之间，为使结构受力明确，在此处均采取了类似的主次梁结构布置，使得各榀框架传力路径明确且具有相似的受力情况。
现取出其中某一榀框架进行分析，见图二。
图二：某榀框架详图
注：SRC：型钢混凝土构件RC：钢筋混凝土构件
该榀框架在三层及屋顶层均为25.8米跨度的大梁，根据构造要求，两侧梁内宜各延伸四分之一跨的型钢，在本例中，两侧均采用全跨延伸的方式，以起到更好的平衡弯矩，减小大跨度梁的挠度的作用。
与型钢混凝土梁相连的框架柱相应设为型钢混凝土柱。
从图中可见，外侧两根柱仅起到型钢骨架的作用，因此仅伸至一层楼面为止，而中间的两根框架柱，由于所需承担的受力较大，地下一层仍需设置型钢混凝土柱，根据构造要求，并考虑施工因素，柱内型钢伸至基础面。
2.2.1 承载能力极限状态计算
本工程采用中国建筑科学研究院编制的“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件“SATWE”的内力分析结果，屋顶层25.8米跨度大梁的跨中弯矩设计值M跨中=12052kN/m2，支座弯矩设计值M支座=10386 kN/m2，剪力V=3092kN。
根据上述内力，梁截面采用550mmx2000mm，梁内型钢采用H1650x300x25x38（图二A-A剖面）。
此外根据框架受力特点，柱内型钢也采用H型钢，详图二B-B剖面。
根据《型钢混凝土组合技术规程》5.4.2条，梁受拉钢筋配筋率宜大于0.3%，取跨中下部钢筋面积为550x2200*0.003=3300时，梁正截面承载力容许值
为14266.8 kN/m2＞M跨中，抗弯承载能力满足要求。
=6740.5kN＞V，型钢已能满足斜截面抗剪要求，梁箍筋按构造要求配置即可。
2.2.2 正常使用极限状态验算
根据规范要求，构件设计不仅需满足承载能力的要求，在正常使用极限状态下也必须同时满足要求，本例中挠度限值为1/300，且由于上部为屋顶花园，最大裂缝宽度限值也要求较高，需要达到0.2mm。
《型钢混凝土组合技术规程》5.2条规定：最大裂缝宽度应按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合的影响进行计算。
《型钢混凝土组合技术规程》中最大裂缝宽度计算公式（5.2.2-1）
以梁跨中下表面为例，如按构造配筋，根据裂缝计算公式算得最大裂缝宽度为0.425mm＞0.2mm，将无法满足裂缝最大限值的要求。
由公式可见，减少考虑型钢受拉翼缘与部分腹板及受拉钢筋的钢筋应力值可以有效减小裂缝宽度。
由于使用功能限制无法继续加大截面的情况下，增配钢筋也是一种减少钢筋应力值从而达到减小裂缝目的的途径。
根据试算，当钢筋增配至22根28时，裂缝宽度为0.186mm＜0.2mm，满足要求。
在确定上下表面配筋的情况下，根据《型钢混凝土组合技术规程》5.3条规定，由结构力学方法计算得到的最大挠度d=61.7mm，计算跨度L=25800mm。
L/d=418＞300，满足挠度限制要求。
最终该梁截面及型钢仍保持最初设计，而配筋则由最初的最小配筋率控制加大至上部14根28，下部22根28。
由上述计算可见，在跨度较大、承受荷载较大的情况下，往往是正常使用极限状态对设计起了控制作用，如单纯只考虑承载能力，型钢混凝土梁的截面可以设计得更小。
梁柱节点设计
型钢混凝土框架梁柱节点应构造简单、受力明确，便于混凝土浇捣和配筋。
尽管《型钢混凝土组合结构构造图集》中已有较成熟、详细的构造做法。
但由于图集中所示节点往往钢筋数量较少，而实际情况多种多样，并不能处处如图集中所示般理想，例如本工程地下二层为防空地下室，型钢柱在地下一层与人防顶板相交，梁内钢筋众多，这种情况参照图集已经很难给出解决方案。
如何解决好钢筋混凝土梁与型钢混凝土柱的节点区钢筋锚固问题，也成为了本工程的一个难点。
在借鉴图集的构造做法之外，本工程节点设计时尚遵守以下几点原则：
（1）型钢采用柱贯通型，型钢梁与型钢柱的连接采用刚性连接，其中翼缘与柱上型钢翼缘采用全熔透焊缝连接，腹板采用高强螺栓连接。
（2）钢筋选筋尽量采用大直径钢筋，以减少钢筋根数。
（3）框架梁柱的纵向受力钢筋在框架节点区的锚固和搭接应满足《混凝土结构设计规范》的要求，钢筋尽量避开型钢，当无法避开时，则根据以下不同情况采取不同的构造措施:
梁主筋遇柱内型钢时（图三），当钢筋在柱型钢强轴方向，则应避免在翼缘开孔，采取加设钢牛腿的做法，且柱型钢内在牛腿翼缘标高处应设置加劲肋使水平力传递。
钢筋采用机械锚固的形式焊于牛腿翼缘之上，（上部钢筋第二排钢筋可采用仰焊锚固在翼缘的反面，而下部钢筋不宜按照上部钢筋的办法处理，因为下部第一排钢筋在下，第二排钢筋在上，如仍按上述办法则绝大多数的钢筋都将采用仰焊的形式，难以保证施工质量）。
当钢筋在柱型钢的弱轴方向，钢筋优先以机械锚固的形式焊于加劲肋上，如数量较多，也可采取腹板穿孔的方式在柱内锚固。
图三
柱主筋遇梁型钢翼缘时（图四），采用短钢筋在上下两端穿孔塞焊的方法穿过，再在钢筋两端连接上下层主筋
图四图五
柱箍筋遇梁型钢腹板时，采取在腹板上开孔穿过或焊于型钢上额外增设的小钢板处理措施，同时尚应设计好箍筋的断开位置及箍筋长度，保证箍筋可靠箍住柱内主筋。
本工程由于型钢混凝土梁均设置在三层及屋顶层，型钢混凝土柱在底层所受弯矩较小，因此在设计中采用了非埋入式柱脚（图五），也在一定程度上减少了施工难度，避免了因型钢埋入基础而造成的与基础梁、承台的大量钢筋交叉的情况。
（4）钢筋与牛腿焊接均在工厂内加工，再在现场采用钢筋连接套筒与梁内钢筋连接，所有型钢开孔均应根据钢筋直径及实际位置放样，并应在工厂加工完成，不得在现场临时加工。
通过上述原则的制定，并与钢结构施工单位、土建施工单位密切配合，确定焊接钢筋牛腿的标高、钢柱腹板穿孔的标高，使得本工程在施工时较为顺利。
小结
本文以某大型会议中心工程为实例，探讨了型钢混凝土结构在大跨度结
构中的应用。
并对型钢混凝土结构梁柱节点在钢筋较多情况下的节点构造提出了可行的解决方案。
为类似工程提供了实践经验。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
