谈型钢混凝土在大跨度建筑中的应用

耿光华

(苏州市规划设计研究院有限责任公司，江苏苏州 215006)

0 引言

型钢混凝土组合结构(SRC结构)，又称钢骨混凝土结构，是指结构杆件或构件，以型钢为骨架，外围包以钢筋混凝土，所形成的组合结构。其基本上属于钢筋混凝土范畴，具有承载力大，延性好，刚度大的特点。随着国家经济的发展，建筑用型钢的广泛推广，型钢混凝土组合结构的发展具有广阔前景。

1 工程概况

苏州市体育中心健身馆工程由法国何斐德建筑设计公司进行建筑方案设计，是苏州市体育中心体育场及体育馆配套工程。长为171．3 m，宽为126．3 m，高为22．2 m，总建筑面积约40 000 m2。地下1层，约20 000 m2，为家乐福超市及游泳馆设备用房，地上5层，为游泳馆，网球馆及羽毛球馆等综合健身馆。其中游泳馆顶3层楼面跨度为18 m+35．4 m，上为羽毛球馆;贵宾网球中心顶5层屋面跨度为20 m+33．6 m，上为屋顶花园。采用现浇钢筋混凝土(局部型钢混凝土)框排架结构，楼板采用普通梁板结构，游泳馆顶及贵宾网球中心顶大跨度楼面采用型钢混凝土组合框架。羽毛球馆屋顶跨度为53．4 m轻钢屋顶，采用倒三角钢管桁架。广场部分地下室顶板采用宽扁梁以降低结构层高。为满足建筑要求，主楼和大地下室之间不设缝，采用预应力管桩基础减小绝对沉降量，并通过后浇带解决主要的施工期间沉降差问题。本工程地震设防烈度6度，抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，3层楼面35．4 m钢骨混凝土梁，5层屋面20 m+33．6 m钢骨混凝土梁，53．4 m钢结构桁架及与这些梁相连的柱安全等级提高一级，即为一级，重要性系数γ=1．1。拟建场地土类型评为中软场地土，建筑场地类别划为Ⅲ类。

2 结构选型

本工程结构主要特点在于:1)楼屋面结构跨度大，荷载较重;2)室内游泳馆较为潮湿;对结构耐久性提出了较高要求;3)整体结构较为空旷，抗震要求高。如果采用一般钢筋混凝土框架结构难以满足大跨、载重要求;如果采用全钢框架结构，防腐蚀要求较高，将来给使用维护带来不便。型钢混凝土组合结构有以下优势:

1)相比一般钢筋混凝土结构具有:a．承载力高，由于其中型钢可不受含钢率的限制，其承载力可以高于同样外形尺寸的钢筋混凝土构件的承载力一倍以上，从而可以控制构件的截面积，减轻结构体自重，并增加建筑的使用面积和使用空间高度;b．控制梁截面刚度后，能减小梁柱线刚度比，使其更易于实现强柱弱梁的抗震目标，避免在柱端形成塑性铰;c．由于梁内型钢的设置，其延性比一般混凝土有明显提高，因此在大震中呈现出较好的抗震性能。

2)相比钢结构具有:a．由于外包裹混凝土，克服了钢结构耐火性能和耐久性能方面的缺陷。b．由于外包裹混凝土对型钢的约束，克服了一般钢结构容易受压失稳的弱点。c．比钢结构可节省大量钢材，使钢材的性能得以充分发挥，一般可比纯钢结构节约钢材30%以上。

依据以上特点，本工程游泳馆顶3层18 m+35．4 m跨度楼面，贵宾网球中心5层屋面20 m+33．6 m跨度屋面，采用了型钢混凝土组合框架结构，是较为可行的解决方案。

3 主要结构布置

根据上述选型要求，对贵宾网球中心楼面梁，跨度20 m+33．6 m，采用型钢混凝土形式。如图1所示，对小跨，柱截面800×800，布置500×2 200混凝土梁，内设型钢H2 000×400×30×60。对大跨，柱截面1 000×1 000，布置400×1 200混凝土梁，内设型钢H1 000×300×24×30。为保证梁内钢筋排布，梁截面做成工字形，见图2。游泳馆顶3层楼面布置形式基本相同。

图1 钢骨立面图

4 需考虑的问题

一般型钢混凝土组合结构主要应用于多、高层建筑中一般跨度或中型跨度结构。本工程部分结构跨度超过33 m，属大跨度结构，型钢混凝土组合结构应用也带来了一系列问题:

1)为满足承载力及变形要求，大跨度处需结构梁高及梁宽均较大，如果采用一般矩形截面，型钢混凝土主梁自重较大，占整个楼盖结构自重比例较高，约为1/3～1/2，随着自重增加，又要求采用更高更宽的主梁，主梁自重占整个楼盖结构自重比例也随之增大，楼盖自重的增加，整体结构地震力加大，抗震不利。因此，在充分发挥型钢混凝土承载力前提下，有效减小结构梁自重，对大跨度结构型钢混凝土组合结构显得尤其重要。实际设计采用了工字形截面主梁，在同等梁宽的情况下，减小了钢筋混凝土腹板厚度，有效减轻了结构梁自重，从而明显减小整个楼盖结构自重。

2)由于跨度的增加，型钢混凝土中型钢截面较大，长度及单构件重量较大，结构设计必须考虑运输，拼装及吊装要求。设计结合结构受力情况将整个框架分为多个构件以满足运输，拼装及吊装要求;同时由于本工程为大地下室，地下室顶楼盖设计适当考虑吊装要求，为施工提供必要条件。

3)型钢混凝土中由于型钢与钢筋同时存在，为保证受力及施工，设计时必须要考虑钢筋的搭接、锚固等受型钢的影响，尽量避免或减少钢筋穿过梁、柱型钢翼缘，同时尽量减少主筋穿过梁、柱型钢腹板，对于必须穿过梁、柱型钢腹板的，预开孔洞均逐一注明。

4)大跨度主梁截面较高，多为2 m以上，梁下翼缘一般无支撑，平面外刚度较差，应有足够措施保证梁下部平面外整体稳定。设计时每隔8 m左右将次梁在主梁交接处将次梁加高至主梁高度1/2以上，以保证梁下部平面外稳定。

5)由于大跨度，梁柱节点处应力较大且受力情况复杂，采取有效措施保证节点处安全对满足整体结构抗震要求显得尤为重要，结构设计对大跨梁柱节点区域采用ANSYS有限元分析软件进行分析，发现节点处腹板应力复杂，实际设计对梁柱节点区域采用加劲肋对腹板进行分隔加强，改善腹板受力情况。

图2 梁柱截面图

6)由于混凝土构件中型钢的存在，特别是选用工字形梁截面以及对梁柱节点区域采用加劲肋，对施工带来较高难度，特别是混凝土的浇筑。设计中采用在型钢应力小的区域开设透气孔，并对混凝土浇筑顺序提出具体要求，对特别难浇筑区域采用提高一级细石混凝土，以保证混凝土浇筑顺利完成，通过施工方努力，实际效果良好。

5 结语

1)采用型钢混凝土组合结构构件，可以解决跨度大、梁高受限的问题，同时，增加结构刚度，提高了抗震性能。

2)型钢混凝土组合结构在构造上是设计的难点。节点设计相对较复杂，设计时应充分考虑到其特点，根据计算要求，合理布置型钢以及钢筋排布，做好节点及特殊构件的设计。

3)型钢的加工和制作，应考虑构件内钢筋及箍筋的影响，同时，也应满足混凝土浇筑等施工的要求。