高層鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)體系性能研究

王新良 周 偉 冒鵬飛

(1.鎮(zhèn)江華錦新型材料有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002;2.鎮(zhèn)江市建科工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002)

0 引言

鋼—混凝土組合梁是指通過抗剪連接件將鋼梁與混凝土板連成整體而共同工作的抗彎構(gòu)件，它是在鋼構(gòu)件和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，當組合梁承受彎矩時，混凝土板處于受壓區(qū)，鋼梁大部分處于受拉區(qū)，因而能夠充分發(fā)揮兩種材料各自的力學性能。它與普通鋼筋混凝土梁相比，具有以下優(yōu)點[1]:

1)延性好，剛度好，抗沖擊、抗疲勞性能好，穩(wěn)定性好，可以減小噪聲;2)減小截面高度，建筑空間布置靈活，能滿足不同用戶對建筑的多種功能要求;3)節(jié)約鋼材，降低造價;施工方便，施工周期短。

近年來，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在房屋、橋梁、地下建筑、海洋工程和特殊容器等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，并不斷發(fā)展。

1 結(jié)構(gòu)特點

1.1 構(gòu)造形式

壓型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)是在普通鋼梁和壓型鋼板組合樓板之間設(shè)置剪力連接件，在保證二者共同工作的前提下，樓板承擔部分或全部梁體的壓力，鋼梁承擔拉力，充分利用鋼構(gòu)架優(yōu)越的受力特性、高承載力以及良好的抗震性能，并通過壓型鋼板組合樓板的穩(wěn)定性以及提高鋼梁的剛度及承載力。壓型鋼板組合梁與純鋼梁構(gòu)造及受力示意圖如圖1所示。

圖1 壓型鋼板組合梁與純鋼梁比較

1.2 受力性能

試驗研究與有限元分析結(jié)果表明，該類型組合梁結(jié)構(gòu)具有承載力高、剛度大、變形能力強等諸多優(yōu)點。相同參數(shù)條件下，純鋼梁與壓型鋼板組合梁相比較，承載力方面后者比前者提高約20%～30%(抗剪承載力提高幅度尤為顯著)，剛度提高約20%[2]。對比數(shù)據(jù)說明該類型轉(zhuǎn)換梁在受力性能方面較純鋼梁有顯著的改善。由于鋼—壓型鋼板組合梁合理地利用了材料，充分發(fā)揮了鋼和混凝土各自的材料特性，與鋼結(jié)構(gòu)方案相比，通常可節(jié)約鋼材20%～40%。同時，與鋼結(jié)構(gòu)方案相比，鋼—壓型鋼板組合梁的整體性強，抗剪性能好，耐震性能大大提高。

1.3 施工特點

由于鋼構(gòu)架一般采用工廠預制現(xiàn)場吊裝拼接的施工方法，方便控制施工質(zhì)量，縮短施工工期，而且可利用壓型鋼板作為模板，鋼梁作為模板支撐，并承擔作用在鋼梁上的混凝土自重和施工荷載，無需從地面搭設(shè)腳手架，降低施工難度，減少施工人力物力投入，降低造價，加快了施工進度。同時，壓型鋼板組合梁可以在鋼梁上焊接托架和牛腿，供支撐室內(nèi)所敷設(shè)的管線，不必像混凝土梁那樣需在混凝土中埋設(shè)預埋件。

2 工程實際算例分析

南京市某高層建筑的地上部分結(jié)構(gòu)，擬采用純鋼結(jié)構(gòu)和壓型鋼板組合梁兩種方案，本節(jié)將對兩種結(jié)構(gòu)方案進行對比分析。結(jié)果表明:無論在受力性能、施工和經(jīng)濟性等方面，組合結(jié)構(gòu)方案都取得優(yōu)越的效果。

2.1 工程概況

設(shè)計資料:用地面積3800 m2，總建筑面積為38900 m2，其中地上建筑面積為32680 m2，擬建綜合樓地上32層，地下2層，1層～18層為辦公樓，19層以上為住宅樓，地面以上平面尺寸為24.0 m×40.0 m，其辦公標準層平面布置圖和住宅標準層平面布置圖如圖2，圖3所示。抗震設(shè)防烈度為7度，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35 s，建筑地下室框架的抗震等級為三級抗震，基本風壓為 0.45 kN/m2，基本雪壓為 0.65 kN/m2，地面粗糙度為C類。

圖2 1層～18層平面布置圖

圖3 19層～32層平面布置圖

2.2 結(jié)構(gòu)方案比較

2.2.1 純鋼結(jié)構(gòu)方案

參考其他類似情況，建筑物的設(shè)計方法，該商住綜合樓初期的結(jié)構(gòu)方案為采用純鋼結(jié)構(gòu)方案，即梁、柱均采用純鋼結(jié)構(gòu)，梁板節(jié)點不設(shè)抗剪連接件，不考慮樓板與鋼梁的組合作用。由于鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展較為成熟，純鋼結(jié)構(gòu)的處理辦法計算相對簡單易懂，方便易用，在工程設(shè)計中已有不少應(yīng)用。

但是由于鋼梁與組合樓板之間沒有設(shè)置抗剪連接件，無法考慮樓板對鋼梁的加強作用，因此實際所需的用鋼量肯定要比考慮組合作用時大，且由于用鋼量的增加，鋼梁高度的增大，影響了樓層的凈高。這樣看來，對于使用純鋼梁的方案，無論從經(jīng)濟性，還是從適用性來說，都沒有采用組合梁好;而對于施工來說，純鋼結(jié)構(gòu)方案中采用壓型鋼板組合樓板，只需在壓型鋼板的板肋中添加與鋼梁連接的剪力連接件，就可以實現(xiàn)梁板的組合效應(yīng)，無論是對施工難度還是施工費用來說都增加不多。因此，有必要進行方案優(yōu)化，以改善結(jié)構(gòu)的受力性能，并盡可能降低工程造價，達到經(jīng)濟性和實用性的統(tǒng)一。

2.2.2 壓型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)方案

采用壓型鋼板組合梁結(jié)構(gòu)體系，即在原有純鋼結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)置壓型鋼板組合樓板與鋼梁之間的抗剪連接件，從而考慮梁板組合效應(yīng)。采用閉口型BD-65-0.75壓型鋼板，此種壓型鋼板具有承載力強，耐火性能好，防腐蝕能力強，施工方便等特點。鋼梁與組合樓板通過剪力連接件共同作用，形成組合受力體系。板體有效覆蓋寬度為555 mm，板肋高度為65 mm，鋼板厚度為0.75 mm，樓板總厚為 120 mm。根據(jù)參考文獻[3][4]，利用PKPM軟件進行結(jié)構(gòu)建模計算，利用同濟大學的MTS組合構(gòu)件工具箱設(shè)計計算組合梁，兩種結(jié)構(gòu)方案的截面尺寸和結(jié)構(gòu)用鋼量見表1。

表1 兩種結(jié)構(gòu)方案比較

利用SATWE模塊進行了彈性時程分析與罕遇地震下彈塑性時程分析(EPDA)，輸入了地震波San Fernando波，TFT-2波，蘭州人工波，南京波，并進行了全樓連接節(jié)點設(shè)計，控制其彈性層間位移轉(zhuǎn)角限值和彈塑性層間位移角分別為1/300和1/75，結(jié)果如表2，表3所示。由上述分析可以看到，與純鋼梁相比，采用組合梁設(shè)計方案還是比較經(jīng)濟的，由于其考慮了組合作用，因此，組合梁的尺寸肯定要比純鋼梁小得多，顯然這個方案更為合理。

3 中、歐規(guī)范的撓度計算比較

本工程設(shè)計實例中，組合梁設(shè)計為撓度控制，因此組合梁的撓度驗算決定了組合梁截面是否符合設(shè)計要求。考慮到上述問題，將歐洲設(shè)計規(guī)范4[5]和中國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]對組合梁的撓度計算進行對比。本設(shè)計中采用其中一個次梁進行對比。組合梁跨度為8 m，梁兩邊間距分別為2.7 m和2.6 m，相關(guān)設(shè)計參數(shù)如下:樓蓋總厚度為120 mm，其中壓型鋼板肋高hf=50 mm;自攻螺釘直徑19 mm，長度95 mm;選用Q345鋼材，鋼梁型號H294×200×8×12;采用普通混凝土，混凝土等級為C30;樓面恒荷載包括鋼梁和樓板自重為4.5 kN/m2，樓面均布活荷載3.5 kN/m2。施工過程中無支撐。

表2 SATWE模塊彈性時程分析

表3 罕遇地震下彈塑性時程分析

3.1 組合梁有效寬度

歐洲規(guī)范對于單排自攻螺釘簡支梁翼緣板有效寬度be，取梁左右板跨的1/8之和;中國規(guī)范簡支梁翼緣板有效寬度be按式(1)計算:

其中，b0為鋼梁翼緣寬度;b1=b2=min{l/6，6h，s1，s0/2}，h為混凝土板總厚度;s1為翼緣實際外伸寬度;s0為相鄰鋼梁或板托間凈距。

3.2 撓度驗算

在歐洲規(guī)范中，在完全剪力連接組合梁撓度計算中，采用換算截面法計算組合梁的剛度;對于部分抗剪連接梁，在完全剪力連接梁的基礎(chǔ)上[6]，按照式(2)進行計算:

式(2)中相關(guān)參數(shù)參照文獻[6]。

中國規(guī)范考慮了滑移效應(yīng)，應(yīng)分別按荷載的標準組合和準永久組合進行計算，以其中較大值作為依據(jù)。組合梁的撓度應(yīng)采用折減剛度進行計算:

其中，E為鋼梁彈性模量;Ieq為組合梁換算截面慣性距;ζ為剛度折減系數(shù)。

3.3 驗算結(jié)果比較

中、歐規(guī)范對于簡支梁有效寬度的規(guī)定存在較大的不同，中國規(guī)范考慮了梁跨度、翼緣板厚度及梁間距等因素的影響，歐洲規(guī)范統(tǒng)一選取簡支梁跨度的1/4[7];從而在計算組合梁有效剛度時產(chǎn)生影響，使得組合梁計算撓度存在區(qū)別。1)組合梁有效寬度:歐洲規(guī)范計算bf=2000 mm，中國規(guī)范計算bf=1640 mm;2)組合梁總撓度:歐洲規(guī)范計算δ=25.2 mm，中國規(guī)范30.2 mm。由計算結(jié)果可見，對于本設(shè)計對象，根據(jù)中國規(guī)范計算的結(jié)果更加保守。對于組合梁撓度的計算，中國規(guī)范采用折減剛度法考慮了滑移效應(yīng)對組合梁撓度的影響;歐洲規(guī)范考慮了剪力連接程度，采用換算截面法在完全剪力連接梁的基礎(chǔ)上計算，形式上更加簡單。

4 結(jié)語

鋼—壓型鋼板組合梁具有優(yōu)越的力學性能、施工性和經(jīng)濟性。該新型構(gòu)件具有以下的優(yōu)點:

1)由于鋼梁和樓板由剪力連接件連接，起到組合作用，提高了承載力，結(jié)構(gòu)上減少了截面尺寸，增加了使用空間，提高了建筑面積的使用率。

2)壓型鋼板組合梁和普通鋼梁相比，截面尺寸減小而降低了造價。

3)剛性鋼板組合樓板和普通鋼筋混凝土板相比，樓板配筋少，整體性強，抗裂性能好，節(jié)省工時，方便施工。

4)樓板與鋼梁通過剪力連接件連接，改善了鋼梁的受力狀況，提高了梁的整體剛度和變形協(xié)調(diào)能力，有利于結(jié)構(gòu)抗震。

5)壓型鋼板組合梁與純鋼梁相比，剛度大，穩(wěn)定性好，而閉口型壓型鋼板與開口型相比，耐火性能好，節(jié)省了后者的防火費用。

壓型鋼板組合梁是一種高承載力的既安全又經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它不僅可以在高層上使用，還可以推廣應(yīng)用到超高層建筑大空間結(jié)構(gòu)、橋梁工程、大跨重載結(jié)構(gòu)或其他特殊結(jié)構(gòu)上。

[1]許蘭蘭.鋼—混凝土組合梁撓度研究發(fā)展概述[J].江蘇建筑，2006(3):12-14.

[2]陳忠漢，胡夏閩.組合結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[3]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]王 挺，聶建國，李炳益，等.鋼—壓型鋼板混凝土組合梁極限抗彎承載力的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2001，22(2):61-65.

[5]Eurocode 4 Part 1.1.Design of Composite steel and Concrete Structures，General Rules and Rules for buildings[S].

[6]LAWSON R M，CHUNG K F.CompositeBeam Design to Eurocode 4[R].Berkshire:Steel Construction Institute，1994.

[7]楊 璐，王元清，石永久，等.中國、歐洲鋼—混凝土組合梁的設(shè)計規(guī)范比較[J].建筑科學與工程學報，2006，23(4):34-37.