建筑大空間要求下的結構設計方案選擇

王杰

（太原市城鄉規劃設計研究院，山西太原 030002）

1 大跨度樓蓋形式

目前無論是公共建筑還是民用建筑，使用度最廣的建筑材料依然是傳統的鋼筋混凝土，使用最多的建造形式是現澆鋼筋混凝土。一般情況下，在現澆鋼筋混凝土梁板結構形式中，框架梁高按跨度的1/10～1/18，所以跨度在12m 以內的通常可以按傳統鋼筋混凝土梁設計，12～16m 之間一般選用井字梁，大于16m 時，由于鋼筋混凝土梁撓度過大且梁高占用建筑空間過多不滿足建筑空間使用，必須采用其他形式來實現建筑使用要求。目前工程中解決大跨度樓蓋的技術形式主要有預應力鋼筋混凝土梁、框架梁端部垂直加腋、鋼—混凝土組合結構等，大跨度屋面還可采用網架結構等其他解決方式。

2 工程概況及大跨度樓蓋選型

本工程中有大空間需求的房間有指揮中心、大型會議室以及小型會議室，其中指揮中心要求在頂層與次頂層之間取消中間框架柱，實現兩層通高，跨度20m，層高7.2m 的大空間；大會議室要求取消中間框架柱抬高屋頂板，實現跨度16.8m，層高5.4m 的大空間。另籃球館單體跨度23.7m，層高10.5m（文中提到跨度均為梁最大跨度）。通過對幾種大跨度樓蓋形式的優缺點的對比，再綜合整個工程的外立面效果以及建筑使用功能要求，最后選擇型鋼混凝土梁柱來實現大跨度及大層高。

3 組合結構的設計

3.1 設計依據

型鋼混凝土梁的設計依據主要有：《組合結構設計規范（JGJ 138—2016）》《高層建筑混凝土結構設計規程（JGJ 3—2010）》《型鋼混凝土組合結構構造（晉14G06）》《型鋼混凝土組合結構構造（04SG523）（國家標準圖集）》《型鋼混凝土結構施工鋼筋排布規則與構造詳圖（12SG904-1）》；參考書籍：《型鋼混凝土結構組合構造與計算手冊》。

3.2 構造要求

因本次組合結構設計依據的兩本主要規范《組合結構設計規范（JGJ 138—2016）》與《高層建筑混凝土結構設計規程（JGJ 3—2010）》在材料強度、截面形式以及尺寸要求等方面的規定不盡相同。材料方面，考慮到型鋼單方向的優勢，本工程選用H 型鋼，強度等級選用Q345。尺寸主要包括型鋼鋼板寬厚比限制要求和保護層厚度要求，按照規范，型鋼混凝土梁最小板件厚度為6mm，腹板在滿足寬厚比的要求下最小采用10mm；型鋼混凝土梁中型鋼的混凝土保護層厚度不宜小于100mm。型鋼混凝土梁的撓度和裂縫限制要求，按照《組合結構設計規范（JGJ138—2016）》4.3.10 條規定，本項目型鋼混凝土框架梁的撓度限值為1/300lo。按照《組合結構設計規范（JGJ 138—2016）》表4.3.11，型鋼混凝土梁的最大裂縫限值為0.3mm。含鋼率方面規范對型鋼梁并無要求。型鋼混凝土梁中型鋼與鋼筋的用量可以根據施工的難易、對內力變化的適應等方面進行優化互補設計。

3.3 構件設計

本文選取跨度最大的籃球館單體23.7m 跨度的型鋼混凝土梁為例，闡述本項目中型鋼混凝土結構構件的設計的過程與結果。籃球館梁的實際布置情況如圖1 所示。

按照構造以及承載力計算要求，經過反復調整型鋼梁截面尺寸以及型鋼的腹板翼緣厚度，最終設計如圖2 所示，此種截面尺寸的型鋼混凝土梁，梁高僅是跨度的1/18，撓度僅是跨度的1/700，裂縫也滿足規范要求。用型鋼梁取代普通鋼筋混凝土梁，既滿足了大空間的需求，還提高了承載力，結合型鋼混凝土柱，提高框架結構的整體抗震性能。

型鋼混凝土組合結構中梁柱節點處的鋼筋與型鋼的避讓或穿孔也是設計過程中的不可忽視的環節。為避免梁底部配筋的數量影響柱型鋼腹板穿孔面積，控制型鋼梁縱向鋼筋配筋率滿足0.3%即可，另外梁的縱向鋼筋可采取雙排鋼筋等措施盡可能多的貫通節點，其余縱向鋼筋可在柱內型鋼腹板上預留貫穿孔，滿足型鋼腹板截面損失率宜小于腹板面積的20%的要求。本項目在型鋼混凝土梁與普通次梁、型鋼混凝土梁與型鋼混凝土柱以及型鋼混凝土柱與普通鋼筋混凝土梁的節點構造鋼筋排布的設計上主要依據型鋼混凝土組合結構構造（晉14G06）》。項目設計梁柱節點構造如圖3 所示。

圖1 籃球館梁的實際布置

圖2 型鋼混凝土梁截面

圖3 項目設計梁柱節點構造

本項目中大跨度要求的房間層高都較高，但由于外立面效果的要求，柱的截面尺寸受到限制，柱的長細比較大，柱截面配筋超限，無法滿足計算要求。對比鋼筋混凝土柱與型鋼混凝土柱的計算參數如圖4、圖5 所示，采用型鋼混凝土柱，明顯改善了配筋超限，降低了軸壓比。因此結合型鋼混凝土梁的使用，柱子也局部采用型鋼混凝土柱，這大大減少鋼筋的使用，解決了配筋超限的難題。

圖4 鋼筋混凝土柱配筋

圖5 型鋼混凝土柱配筋

4 結語

隨著國家政策的推動與支持，提倡建筑用鋼，又型鋼混凝土結構適用于多種結構體系，既可全部構件采用組合結構又可局部采用型鋼混凝土構件，適用范圍廣泛，型鋼混凝土梁柱組合可以很好的解決20m 以上大跨度樓蓋的撓度以及裂縫問題，既克服了普通鋼結構構件受壓失穩以及耐火性能差的缺點，又節約了鋼材的使用量，還能一定程度上提高抗震性能，是結構工程師們在設計大跨度大空間結構時的很好的選擇。