钢骨混凝土结构的应用

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摘要：本文介绍了钢骨混凝土大梁在深圳世贸中心大厦裙房中的应用和计算，为大跨度SRC梁的应用提供依据，可供工程设计人员参考。

  关键词：钢骨混凝土应用计算一、前言随着城市建设的发展与建筑技术的进步，大跨度超高层建筑已经成为建筑结构发展的主要方向之一。而由混凝土包裹钢骨做成的钢骨混凝土结构（SRC），充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点，与钢筋混凝土结构相比，具有刚度大，延性好，节省钢材的优点。因此，钢骨混凝土结构在我国有着广阔的应用前景。钢骨混凝土结构的研究和应用在国外开始较早，我国因国情的限制，起步较晚，工程应用就更少，直到1997年11月才由冶金工业部正式发布了有关规程，并于1998年5月1日起施行。深圳世贸中心大厦在关键部位应用了钢骨混凝土结构，解决了用普通钢筋混凝土结构不能解决的难题，收到了良好的效果。二、工程概况深圳世贸中心大厦于1996年设计，是一幢集金融、贸易、商业、办公于一体的综合性超高层建筑，总建筑面积12万平米。主楼地上52层，地下3层，标准层层高4m，总高230m，采用钢骨混凝土框架-筒体结构。裙房5层，层高5m，总高25m，采用框架-剪力墙结构。主楼与裙房之间未设变形缝，施工时留有施工后浇带。基础采用大直径人工挖孔桩基础最大直径2.9m。根据建筑功能及使用要求，裙房首层及二层由大厅组成，为大空间；三层为银行办公室，中间部分设一圆形天井；四层设有外汇交易大厅；五层为大会议室；三、结构布置为了满足建筑功能及使用要求，需要选择一个受力合理、安全可靠、施工方便的结构方案。由于裙房首层及二层共有6根柱子不能落下，形成了长达25.8m跨的大空间，结构平面采用了井字梁的结构形式。但关键问题是25.8m跨框架大梁采用何种结构型式，并且建筑要求三层框架梁截面高度不超过1m。方案1：采用普通钢筋混凝土大梁，这种方案梁断面较大，框架梁截面高度需2m以上，不满足建筑功能及使用要求，此方案不可行。方案2：采用无粘结预应力混凝土大梁，这种无粘结预应力梁本身截面及用钢量均不太大即可满足结构设计要求，但由于三层梁高1m的限制，梁高跨比达到1/25，此方案也不宜采用。方案3：采用钢骨混凝土大梁，利用大梁中部抗拉柱，按变形协调计算。梁截面比普通钢筋混凝土减小很多，平面和空间利用率都相应提高，又采用由四、五层大梁吊三层梁的悬挂形式，三层框架梁高度为1m，可以满足建筑使用要求。该方案克服了上述二个方案的不足之处，且施工方便，合理可行。经方案比较，优点较突出，虽然增加了用钢量，但因梁截面减小，增加了空间使用面积，抗震能力也大大提高。因此，本工程裙房25.8m大梁采用钢骨混凝土方案。为了保证大梁与柱的固结，与之相接的柱也采用了钢骨混凝土结构形式。四、钢骨混凝土梁的计算结构整体计算采用中国建筑科学研究院软件TBSA4.2计算，再采用软件PK对框架梁进行复核。由于本工程在设计时，国内尚未正式出版有关SRC组合结构构件设计规程，针对钢骨混凝土梁的计算，当时有二种计算模型，一种是强度叠加模型，另一种为变形协调模型。下面结合世贸大厦裙房25.8m大梁，分别用两种模型进行计算。⒈强度叠加模型假定SRC构件的承载力是钢骨部分与钢筋混凝土部分的承载力之和，钢骨与钢筋混凝土部分的变形彼此独立。这种方法具有计算简单，应用灵活的特点，其设计是偏于安全的。日本的计算标准就采用了此模型，SRC计算方法也是基于这种模型。现SRC梁进行计算，公式如下：钢骨混凝土梁受弯承载力：M≤Mc+Ms（1）式中Mc---钢筋混凝土部分受弯承载力，按设计Ms---钢骨部分的受弯承载力，Ms=γWnf（2）γ---截面塑性发展系数,Mn---截面净截面抵抗矩,f---型钢材料强度设计值钢骨混凝土梁受剪承载力：V≤Vc+Vs（3）式中Vc---钢筋混凝土部分受剪承载力，按设计Vs---钢骨部分的受剪承载力，Vs=2/3Aswfv（4）Asw---钢骨腹板部分净截面积，fv---钢材抗剪强度设计值钢骨混凝土梁的刚度：B=0.65EcIc+EsIs（5）式中EcIc---钢筋混凝土的刚度,EsIs---钢骨的刚度由于该模型公式简化，计算简单，故在设计中可先按该模型公式，确定构件截面、钢骨截面及钢筋数量。世贸大厦裙房25.8m跨大梁混凝土及钢骨截面。弯距设计值为M=19237kN-m，剪力设计值为V=2467kN，混凝土强度等级C40，钢骨为16Mn。按公式（2）：Ms=γWnf=1x4.15x107x315=13100kN-m按公式（1）：Mc≥M-Ms=19237-13100=6137kN-m再按，Mu=fmcbx(h0-x/2)（矩形截面）将已知条件代入,得x=170mm，xb=ξbh0=0.55x1765=970mm选用12Φ36按公式（4）：Vs=2/3Aswfv=2/3x55200x170=6256kN故V=2467kN按公式（5）：B=0.65EcIc+EsIs=1.88x1016Nmm2挠度：fmax=5ql4/384B+(5n4-4n2-1)Pl/384n3B=72mm25800/300=86mm（满足）SRC计算方法也是基于这种模型，且计算公式也基本相同，除钢骨部分受剪承载力Vs=Aswfv，与有所差异外，其它部分均一致。2．变形协调模型沿用钢筋混凝土构件计算中常用的钢筋与混凝土变形协调一致的假定，即钢骨与混凝土之间始终没有相对滑移，构件截面始终保持为平面，钢骨与混凝土能够共同工作。其优点是从力学概念上保持了与钢筋混凝土构件的一致性，主要问题是计算公式过于复杂。前苏联规范就采用了此模型，SRC结构计算也是基于这种模型。由于计算公式较复杂，故在世贸大厦裙房钢骨混凝土大梁设计中，先按强度叠加模型计算截面及配筋，然后再用变形协调模型进行复核。按第二种情况，中和轴经过钢骨腹板，其截面受压区高度按公式（6）计算：x=[1.8fayνδw+fsyAs-fsy’As’+fcm(As’+Assf’-δw)]/[fcm(b-δw)+2.25fayδw]（6）将ν=900mm，δw=40mm，fsy=fsy’=310N/mm2，Assf’=3x104mm2，fay=315N/mm2，fcm=23.5N/mm2，代入得：x=401mm，x（适筋截面）正截面承载力按公式（7）计算：M=fcmbx2/2+fsyAs(h-x-a)+(fsy’-fcm)As’(x-a’)+0.9fay[+(ν-x)2δw]-fcm(x-)[Assf’+(x-)δw/2]（7）式中---为钢骨塑性抵抗距，=1.17ω=1.17x4.15x107=4.86x107mm3将各数值代入（7）式得：M=24370kNm19237kNm（满足）抗剪承载力按公式（8）计算：V=0.056fcbh0+0.58fywδwhw+fyvAsv/sh0（8）抗剪承载力与变形经计算，均满足要求，过程不再赘述。五、设计体会现行规程中梁正截面受弯承载力及斜截面受剪承载力计算均采用强度叠加模型，公式及含义也基本相同。区别是规程中钢骨部分的受剪承载力是按纯钢构件腹板受纯剪情况计算的，不考虑局部压屈影响，要求放宽。故当计算满足时，也能满足现行规程。钢骨混凝土构件中的钢骨另由含钢率控制，不受钢筋配筋率的影响，使得有与普通混凝土构件同样的外形尺寸，但其承载力提高很多。同样，在承载力相同的情况下，钢骨混凝土构件的外形尺寸可以相应减小，减轻了结构自重，减小了混凝土用量，利用钢骨本身承载力大的优点，可以节约支模所设的支撑，节省材料。在大跨度，大荷载作用下，钢骨混凝土梁截面尺寸由变形控制。中和轴通过钢骨腹板的钢骨混凝土构件，在其丧失最大承载力后，由于在其中和轴附近的钢骨腹板仍处于弹性工作状态，所以仍能保持较大承载力，使构件本身并不崩溃，显示出较好的变形能力和抗震性能。与钢结构相比，节省钢材，降低造价，且耐火性、耐久性、耐腐蚀性均优于钢结构。梁采用SRC梁，则柱也宜采用SRC柱，同时将梁与柱刚接。钢骨与混凝土二者变形能否协调一致，是其二者能否共同工作的关键。采用钢板及栓钉等剪力连接件与钢骨焊接，才能保证钢骨与混凝土共同工作，变形一致。综上所述，钢骨混凝土结构是一种承载力高，抗震性能良好，施工安装方便的结构形式，在我国高层建筑以及大跨度建筑中应得到推广和应用。