钢骨混凝土的设计与应用

文天宇 张煜梓

随着我国经济的发展和建筑技术的进步,高层建筑和大跨度建筑成为建筑结构发展的主要方向之一。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,虽然我国钢骨混凝土技术起步比国外晚一些,但在我国得到了越来越多的应用。钢骨混凝土和钢结构、木结构、砌体结构以及钢筋混凝土结构并列为五大结构之一。其中实腹式钢骨混凝土构件具有较好的抗震性能、节约钢材、提高混凝土利用系数、施工方便等优点,在工程建设中得到广泛应用。SRC结构的特点是在混凝土内配置钢骨,这些钢骨可以是轧制的,也可以是焊接的。在大型建筑中经常配置焊接的钢骨,可以根据构件截面大小、受力特点,考虑到受力的合理性,灵活选择焊接钢骨各个板件的宽度和厚度。所配置的钢骨的形式有角钢、工字钢、宽翼缘工字钢、双十字钢、双槽钢、十字形钢、箱形方钢管等,工程中常用H形和十字形[1]。

1 钢骨混凝土结构特点

钢骨混凝土结构的技术含量高,施工难度大,它具有以下几个特点:1)承载力高,钢材的强度远高于混凝土的强度,因此与钢筋混凝土结构相比钢骨混凝土结构的承载力较高,约为钢筋混凝土结构的1520倍。2)刚度大,钢材的弹性模量比混凝土高出一个数量级。3)抗震性能好。4)节省钢材,与钢结构相比可节省大量钢材。5)耐久性与耐火性好,混凝土可以作为型钢的保护层,劲性混凝土结构的耐久性与耐火性都比钢结构好得多。

2 钢骨混凝土设计要点

目前,我国有两本行业标准可供工程设计人员参考:其一是建设部颁发的JGJ 138-200113v型钢混凝土组合结构技术规程;其二是原冶金工业部颁发的YA 9052-20061381型钢混凝土结构设计规程。钢骨混凝土结构设计主要考虑的因素:1)钢骨的含钢率[3]:关于钢骨混凝土构件的最小和最大含钢率,目前没有统一的认识,但当钢骨含钢率小于2%时,可以采用钢筋混凝土构件,而没有必要采用钢骨混凝土构件。当钢骨含钢率太大时,钢骨与混凝土不能有效地共同工作,混凝土的作用不能完全发挥,且混凝土浇筑施工有困难。因此,在冶金部行业标准YB 9082-97钢骨混凝土结构设计规程中将钢骨含钢率定为2%～15%。一般来说,较为合理的含钢率为5%～8%。另在建设部行业标准JGJ 138-2001型钢混凝土组合结构技术规程中定为4%～10%。在中广大厦钢骨混凝土柱的设计中,考虑到建设单位尽量节约钢材,节省资金的要求,经专家委员会认可,钢骨柱的含钢率确定为3.5%。2)钢骨的宽厚比:钢板的厚度不宜小于6mm,一般为翼缘板20mm以上,腹板16mm以上,但当钢板厚度大于36mm时,钢材的厚度方向的断面收缩率应符合现行国家标准GB 5313厚度方向性能钢板中的Z15级的规定。这是因为厚度较大的钢板在轧制过程中存在各向异性,由于在焊缝附近常形成约束,焊接时容易引起层状撕裂,焊接质量不易保证。钢骨的宽厚比应满足规范的要求。3)钢骨的混凝土保护层厚度:根据规范规定,对钢骨柱,混凝土最小保护层厚度不宜小于120mm,对钢骨梁则不宜小于100mm。4)要重视钢骨混凝土柱与钢筋混凝土梁在构造连接上的配合协调问题。钢骨混凝土结构与普通钢筋混凝土结构设计中不同且难度最大的是:a.需确定钢骨柱中每根钢筋的准确位置;b.根据钢骨这种型钢翼缘的宽度确定框架梁的宽度;c.确定框架梁中每根钢筋的位置;d.根据柱梁钢筋的位置确定钢骨穿孔的位置;e.钢骨中穿钢筋的孔径由钢筋直径确定,一般比钢筋直径大4mm～6mm;f.钢骨中纵横两方向穿钢筋孔的位置至少应错开一个孔径。

3 钢骨的制作与构造措施

1)钢骨的制作必须采用机械加工,并宜由钢结构制作厂家承担。型钢的切割、焊接、运输、吊装、探伤检验应符合现行国家标准GB 50205钢结构工程施工及验收规范、JGJ 81建筑钢结构焊接技术规程、GB 50221钢结构工程质量检验评定标准的规定,钢材、焊接材料、螺栓等应有质量证明书,质量应符合国家有关规范的规定。焊接前应将构件焊接面除油、除锈,焊工应持证上岗。施工中应确保施工现场型钢柱拼接和梁柱节点连接的焊接质量,型钢钢板的制孔应采用工厂车床制孔,严禁现场用氧气切割开孔,在钢骨制作完成后,建设单位不可随意变更,以免引起孔位改变造成施工困难。2)钢骨混凝土中设置抗剪栓钉的要求。钢骨混凝土与钢筋混凝土结构的显著区别之一是型钢与混凝土的粘结力远远小于钢筋与混凝土的粘结力。根据国内外的试验,大约只相当于光面钢筋粘结力的45%。因此,在钢筋混凝土结构中认为钢筋与混凝土是共同工作的,直至构件破坏。而在钢骨混凝土中,由于粘结滑移的存在,将影响到构件的破坏形态、计算假定、构件承载能力及刚度、裂缝。通常可用两种方法解决:一种是在构件上另设剪切连接件(栓钉),并按照计算确定其数量,即滑移面上的剪力全由剪切连接件承担,称为完全剪力连接。这样可以认为型钢与混凝土完全共同工作。另一种方法是在计算中考虑粘结滑移对承载力的影响,同时在型钢的一定部位:a.柱脚及柱脚向上一层范围内;b.与框架梁连接的牛腿的上、下翼缘处;c.结构过渡层范围内的钢骨翼缘处加设抗剪栓钉作为构造要求。构件中设置的栓钉应符合国家现行标准GB 10433圆柱头焊钉的规定,栓钉直径一般为19,长度不宜小于4倍栓钉直径,间距不宜小于6倍栓钉直径,且不宜大于200mm。并采用特制的设钉枪进行焊接,焊接质量应满足规范要求。3)钢骨的拼接。钢骨柱的长度应根据钢材的生产和运输长度限制及建筑物层高综合考虑,一般每三层为一根,其工地拼接接头宜设于框架梁顶面以上1 m～3 m处。钢骨柱的工地拼接一般有三种形式:a.全焊接连接;b.全螺栓连接;c.栓、焊混合连接。设计施工中多采用第三种形式,即钢骨柱翼缘采用全溶透的剖口对接焊缝连接,腹板采用摩擦型高强度螺栓连接。中广大厦设计中的钢骨工地拼接采用第三种形式。4)钢骨柱的柱脚构造。a.钢骨柱的柱脚分为埋入式和非埋入式两种,在抗震区宜采用埋入式柱脚,柱脚钢骨的混凝土最小保护层厚度为:中间柱:不得小于180mm;边柱和角柱:不得小于250mm。b.钢骨柱埋入式柱脚的埋入深度不应小于3倍型钢柱截面高度,在柱脚部位和柱脚向上一层的范围内,钢骨柱翼缘外侧设置栓钉,栓钉直径不小于 19,间距不大于200mm,且栓钉至翼缘板边缘的距离大于50mm。5)钢骨柱的节点构造框架梁、柱节点核心区是结构受力的关键部位,设计时应保证传力明确,安全可靠,施工方便,节点核心区不允许有过大的变形。在钢骨混凝土结构中,梁、柱节点包括以下几种形式:a.钢骨混凝土梁—钢骨混凝土柱的连接;b.钢梁—钢骨混凝土柱的连接;c.钢筋混凝土梁—钢骨混凝土柱的连接。

4 钢骨混凝土的应用

钢骨混凝土由于在截面中配置了型钢,可使构件承载力、刚度大大提高,因而大大减小了构件的截面尺寸,可增加房屋的有效使用面积。此外,型钢混凝土具有很好的延性和耗能能力,适于在地震区应用。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,我国从20世纪50年代开始应用型钢混凝土结构,主要用于工业厂房,如包头电厂主厂房和鞍山钢铁公司的混铁炉基础。直到1997年11月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。20世纪80年代初期,随着我国建筑业的迅猛发展,SRC结构在我国迅速兴起。近年来,型钢混凝土在上海、广州、武汉、深圳、大连等地的高层建筑中都有所应用。型钢混凝土最初在欧美和日本的研究和应用比较多。20世纪初,西方国家为提高钢结构的防火性能,应用了型钢外包混凝土的型钢混凝土柱。随后不久,人们认识到这种组合柱比纯钢柱的刚度要高。1908年Burr做了空腹式型钢混凝土柱的试验,发现型钢外包混凝土后强度和刚度都有大大提高。从1920年开始,美国、英国和欧洲一些国家相继开展了型钢混凝土的研究。1948年出版的英国BS449规范认为将钢柱埋置在混凝土中增加了截面的最小回转半径,它是最早认为混凝土中的型钢增加了柱刚性的标准[1]。目前钢骨混凝土应用需要解决的问题主要有:1)钢骨与混凝土的共同工作;2)受力性能与混凝土结构的异同;3)轴压承载力的计算;4)正截面承载力计算;5)斜截面承载力计算;6)变形和裂缝计算;7)节点和柱脚的链接形式。

[1]白国良,秦福华.型钢钢筋混凝土原理与设计[M].上海:上海科学技术出版社,2000:6-35.

[2]YB 9082-97,钢骨混凝土结构设计规程[S].

[3]池田尚治.钢—混凝土组合结构设计手册[M].李先瑞,耿花荣,译.北京:地震出版社,1992.

[4]潘书云.钢—混凝土混合结构体系研究概述[J].山西建筑,2009,35(7):62-63.